JP2009288109A

JP2009288109A - 二重弾性機構プローブカード

Info

Publication number: JP2009288109A
Application number: JP2008141695A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Furusaki; 新一郎古崎; Ryuichiro Mori; 隆一郎森
Original assignee: Japan Electronic Materials Corp
Current assignee: Japan Electronic Materials Corp
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性の検査に使用する微小寸法のプローブを有する二重弾性機構のプローブカードにおいて、プローブ先端の位置ずれを小さくすることによって、被試験体であるチップデバイスの電極サイズの小さなものであっても使用できるプローブカードを提供する。
【解決手段】回路基板４と、該回路基板の一方の面側に配置され、表面の所定位置に複数のプローブ２が設けられたプローブ基板３と、該プローブ基板と該回路基板との間に介在された弾性体５と、所定長さの可撓性を有する線状又は帯状部材であって、該プローブ基板の周辺から放射状に配置されて該回路基板に取り付けられ、該プローブ基板と該回路基板との間隔が所定値以上にならないように固定するプローブ基板固定部材８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性検査に使用されるプローブカードの構造に関し、特に、プローブカードの回路基板に対して、複数のプローブを表面に備えたプローブ基板を、弾性部材を介在させて配置した、所謂二重弾性機構プローブカードの改良に関するものである。

半導体ウエハ上のチップデバイスについて電気的機能試験は、被試験体であるチップデバイスの電極とプローブカードのプローブ先端との接触位置を調節し、プローブにオーバードライブを掛けて、チップデバイスの電極に圧接・導通を行い、次いで、テスタによりチップデバイスに対して電気的測定信号がプローブを経由して入出力されることにより行われている。

図４に示すように、プローブカード１１は、複数のテスタ接続端子１４ａを有する回路基板１４と、複数のプローブ１２が装着されたプローブ基板１３と、回路基板１４の接続端子１５ａと各プローブ１２に接続されたプローブ基板１３の接続端子１３ａとに接触して電気的に接続するための中継接続ピン１５群と、回路基板１４を補強する補強板１６と、回路基板１４及び補強板１６に対してプローブ基板１３を所定位置に保持する支持体１７と支持ボルト１８と、さらにプローブ１２群の面の傾きを調節するプローブ基板１３の調節ボルト１９とを備えている。この回路基板１４及びプローブ基板１３は、通常一定の剛性を有する円形又は方形の平板である。回路基板１４に固着された中継接続ピン１５は片持ち梁状で弾性を有し、支持体１７、支持ボルト１８の調節により生じるプローブ基板１３の押圧力に比例して生じる反力により回路基板１４の中継接続ピン１５の先端部と、対応するプローブ基板１３の接続端子１３ａとが接触して電気的接続が得られ、さらにプローブ１２にオーバードライブ数十ミクロンを掛けるためにプローブ基板１３に押圧力が加わりこれら接続端子間の電気的接続が確保される。

一方、チップデバイスの電極配置間隔（電極ピッチ）は、チップデバイスの高密度・高機能化に伴い、ますます小さくなっていて、例えば、記憶素子では５０ミクロン間隔、論理素子では２５ミクロン間隔、論理素子の中の液晶表示器を駆動する半導体素子では１０ミクロン間隔が実現されるほどになっている。このようなチップデバイスを試験するためには、同程度に微小な寸法のプローブが要求される。この試験において、オーバドライブによる押圧力に対してプローブ内部に応力が発生し、プローブ寸法が微小になるに伴い内部に発生する応力が著しく大きくなり、プローブ材の許容最大応力を越えてしまう恐れがあり、これが起きるとプローブは破壊又は損傷を受けるに至る。

また、オーバードライブによりプローブに加えられる力が大きくても問題がないようにするために、回路基板とプローブ基板の間に弾性体を介在させる二重弾性構造を採用して、オーバ−ドライブ時にプローブに加わる力をプローブと弾性体とに分担させることが行われている（文献１）。
特開２００４−３４０６１７号公報〔０００５〜６，００１１〜１３、図１８〕

しかしながら、二重弾性機構のプローブカードにおいて、基板間に弾性体を介在させると、プローブ基板が、基板表面に平行な面方向（ＸＹ方向）で位置決めが不安定になり、チップデバイスにプローブを接触させるたび毎に、チップデバイスの電極に対するプローブの接触位置が異なるという問題が生じてきた。すなわち、プローブ基板と回路基板との間に弾性体を介在させた二重弾性機構を有するプローブカードにおいては、弾性体が介在しているためプローブ基板の平面方向の位置が不安定になるという問題があり、そのため、対象とするチップデバイスの電極のサイズとしては必要以上に大きく設定しなければならないという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するために行われたもので、二重弾性機構のプローブカードにおいて、プローブ先端の位置ずれを小さくすることによって、被試験体であるチップデバイスの電極サイズの小さなものであっても使用できるプローブカードを提供することを目的とするものである。

この発明の二重弾性機構プローブカードにおいては、回路基板と、該回路基板の一方の面側に配置され、表面の所定位置に複数のプローブが設けられたプローブ基板と、該プローブ基板と該回路基板との間に介在された弾性体と、所定長さの可撓性を有する線状又は帯状部材であって、該プローブ基板の周辺から放射状に配置されて該回路基板に取り付けられ、該プローブ基板と該回路基板との間隔が所定値以上にならないように固定するプローブ基板固定部材とを備えたものである。

本発明によれば、プローブ基板固定部材をプローブ基板の周辺から放射状に配置して回路基板に取り付け、該プローブ基板と該回路基板との間隔が所定値以上にならないように固定することによって、回路基板に対するプローブ基板の初期位置を規定することができる。ここでいう初期位置とは、プローブがチップデバイスの電極に接触する寸前の状態を意味しており、言い換えると、プローブが何にも接触していない状態であって、試験終了後に、プローブが電極から離れた瞬間の位置は、次の試験の初期位置ということもできる。すなわち、プローブが何にも接触していない状態において、プローブの先端が常に同一の位置になるようにプローブ基板を回路基板に対して固定することができるものである。

以下、本発明に係る二重弾性機構プローブカードの最良の実施形態を図面に基いて説明する。図１は、二重弾性機構プローブカードの実施形態であって、（ａ）は回路基板とプローブ基板間にばね状弾性体を介在させたプローブカードの模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視の模式的平面図である。図２は、二重弾性機構プローブカードの別の実施形態であって、回路基板とプローブ基板間に片持ち梁状弾性体を介在させたプローブカードの模式的断面図である。図３は、図２の別の実施形態図であって、基板固定部材の調節装置を配設したプローブカードの模式的断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の実施の形態である二重弾性機構プローブカード１について説明すると、プローブカード１は、複数のテスタ接続端子４ａを上面に配設すると共にテスタ接続端子４ａに個々に接続された接続端子４ｂ群を下面に配設した回路基板４と、接続端子４ｂに個々に対応した配線部材９が接続する端子３ａ群を端部に配設すると共に接続端子３ａに個々に接続された複数のプローブ２を下面に配設したプローブ基板３と、回路基板４とプローブ基板３との間に介在して、プローブ基板３の中央部に偏在して配設する複数のつる巻きばね状弾性体５と、回路基板４の背面に密着して機械的強度を補強する補強板７と、補強板７上面にその端部が固定具８ａで取付けられ、補強板７と回路基板４との挿通孔８ｄに挿通され、プローブ基板３の端部に回路基板４の挿通孔下面から水平よりやや下向き方向へ緊張して固定具８ａで取付けられ、かつ、平面的にほぼ均等に放射状に配設した３以上の線状又は帯状プローブ基板固定部材８と、から構成される。

プローブ基板３及び回路基板４の形状は所定の厚みを有する円形又は方形の平板である。また、前記基板３及び４は、一定の剛性のある合成樹脂製又はセラミック製のプリント板であって、プローブ基板３では、端部にある各接続端子３ａと下面の対応するプローブ２とをプリント配線で内部接続し、一方の回路基板４でも各テスタ接続端子４ａと下面の対応する接続端子４ｂとをプリント配線で内部接続している。円形又は方形のプローブ基板３の下面全体に、被測定物である半導体チップデバイスの電極に対応するプローブ２が秩序立って配設される。これらのプローブ２は、プローブ基板３のプローブ接続端子（図示しない）に固着されて、片持ち梁状にプローブ２本体を保持して弾性体としての機能を有し、その先にチップデバイスの電極（図示しない）と接触可能な針先を有する一体構造のものである。このプローブ２の線径は、チップデバイスの規模にもよるが、１０〜１００μｍの範囲であり、プローブ数も数百から千本を超える規模である。プローブ２の材料としては、通常、パラジウム合金、ベリリウム銅合金、タングステン合金等から選択された一種類の合金が用いられ、主にダイス伸線で製造され、一部微細プローブはＭＥＭＳプロセスでも製造される。また、補強板７は、回路基板４の平面度を維持するための背面を補強するために用いられ、この場合、強度が高い金属製を用い、耐熱性、耐候性、耐汚染性及び被加工性の点からステンレス鋼を用いることが望ましい。

本発明は、許容最大オーバドライブを増加するために、プローブ基板３と回路基板４との間に弾性体５を介在させて、測定試験時に、弾性体５が動作できるようにしたプローブ２と弾性体５との二重の弾性機構をもつプローブカード構造を採用した。プローブ基板３と回路基板４との間に弾性体５群を介在させて、それが動作する場合、このプローブカード１は全体としてプローブ２群という「ばね」と、介在させた弾性体５の「ばね」を直列に結合した弾性体と見なすことができる。プローブ１本のばね定数をk₁、プローブ総数をＮ本、プローブ基板３と回路基板４との間に介在させる弾性体５群全体のばね定数をK₂とすると、プローブ２群全体のばね定数K₁はK₁＝k₁×Nであり、ウェハからみたプローブカード１全体のばね定数をＫとすると、ウェハからみたプローブカード１全体のばね定数：Ｋ＝（Ｋ_１×Ｋ_２）／（Ｋ_１＋K₂）となる。この弾性体５群を介在させることにより、プローバ又はウエハからみたばね定数は小さくなり、その分、プローブ２による所定の押圧力を得るためのオーバドライブが多く要することになる。同時にプローブ２単体の許容最大オーバドライブに対応する許容最大応力に達するまでのプローバからみたオーバドライブはその分だけ大きくすることができる。これがプローブ基板３と回路基板４との間に弾性体５を介在させる作用及びその効果である。

また、本発明に係る二重弾性機構プローブカード１において、片持ち梁状プローブ２群の総合ばね定数（Ｋ_１）と対応する弾性体５である片持ち梁状弾性体群又はつる巻きばね状弾性体群の総合ばね定数（Ｋ_２）の比（Ｋ_１／Ｋ_２）が０．５〜２．０の範囲であると、測定試験において、プローブ２群のオーバドライブと、それに伴うプローブ基板３のオーバドライブのバランスがよく、プローバ又はウエハのオーバドライブ操作がし易いし、プローブ２の許容最大オーバドライブの余裕代が十分とれ、かつ、許容最大応力にも余裕をとることができる。また、介在させる弾性体５をプローブ基板３の中央部のみに偏在して配置させると、ウェハ面とプローブ面とが互いに傾きを持っていた場合でも、プローブ基板３がその傾きに倣うように移動して、均等にオーバドライブする効果が得られる。また、介在する弾性体５をプローブ基板３の全面に均等に配置させることも可能である。

また、プローブ基板３と回路基板４との間に介在する複数のつる巻きばね状弾性体５は、プローブ２と同様に金属製が好ましく、弾性体５群の総合ばね定数（Ｋ_２＝ｋ_２×Ｎ、ｋ_２：一個のつる巻きばね状弾性体５のばね定数、Ｎ：弾性体の総数）はプローブ２群の総合ばね定数（Ｋ_１＝ｋ_１×Ｎ、ｋ_１：一個のプローブ２のばね定数、Ｎ：プローブの総数）の０．５〜２．０の範囲にあるのが、プローバにより負荷するオーバドライブをプローブ２とプローブ基板３とにバランスよく分配することができる。また、直線状のつる巻きばねのばね定数はｋ＝Ｇｄ^４／８Ｎｄ^３（因みに、Ｇ：横弾性係数、Ｄ：コイル平均径、ｄ：線径、Ｎ：巻数）で表わされ、横弾性係数はＢｅ−Ｃｕ合金が４．５×１０^３ｋｇｆ／ｍｍ^２、ばね用青銅が４×１０^３ｋｇｆ／ｍｍ^２、鋼が８×１０^３ｋｇｆ／ｍｍ^２であるから、つる巻きばねの諸元と総数はプローブ２の材質、弾性体５の配設総数等から適宜設計される。また、つる巻きばね状弾性体５の各基板３，４への取付けはばね座を設けても、エポキシ樹脂等で接着してもよい。

また、前記介在させる弾性体５をプローブ基板３の中央部のみに偏在して配置させると、ウェハ３０面とプローブ２面とが互いに傾きを持っていた場合でも、プローブ基板３がその傾きに倣うように移動してオーバドライブする作用効果が得られる。また、介在させる弾性体５をプローブ基板３の全面に均等に配置させることも十分可能である。

また、本発明の二重弾性機構のプローブカードでは、プローブ２先端部の位置精度（X-Y）を維持できるプローブ基板３の支持機構として、二重弾性機構プローブカード１のプローブ基板３の固定は、引張方向の伸びが極端に小さい複数の線状又は帯状のプローブ基板固定部材８により、プローブ基板３の中心から平面的にほぼ均等に放射状に伸びる線上の位置に相当する端部固定具８ａからやや上向き方向に引張って、回路基板４及び補強板７に開けた挿通孔８ｄを通して補強板７上の固定具８ａで固定する構造とする。また、線状又は帯状のプローブ基板固定部材８は、プローブ基板３に対しては少なくとも３本以上を用いるのが、プローブ基板３を緊張固定するのに適切である。また、プローブ基板３は、そのプローブ２が試験されるウェハ３０のチップデバイスの電極に正確に対応するように、線状又は帯状のプローブ基板固定部材８の引張りを調整することにより位置調整が行われる。そのために、固定の際の位置決めを確実にするために、補強板８上面に固定されたマイクロネジ機構をとりつけた調節装置８ｂを設けている。さらに、プローブ基板３と回路基板４との間に空間があると、オーバドライブが掛けられたときにプローブ基板３は自重に相当する荷重のみをウェハに与えて、それ以上のオーバドライブがかかると、プローブ基板固定部材８は引っ張り方向には大きな張力をもつがその方向と概略垂直の方向であるオーバドライブの方向へはほとんど力を作用させることがない。したがって、オーバドライブ操作に際して、プローブ基板３は上方へ容易に移動し、オーバドライブが解除されると、もとの位置に容易にもどるが、このときXY平面におけるプローブ２の位置は、プローブ基板固定部材８の張力により厳格に決まっているため、正確にもとの位置にもどる。

前述のように、プローブ基板３は、回路基板４との間で、線状又は帯状のプローブ基板固定部材８によりやや上向き方向に引張られ、かつ、介在する複数のつる巻きばね状弾性体５の反力とのバランスで上下方向の位置が定められる。この状態からオーバドライブが掛けられると、プローブ基板固定部材８は引張り方向には大きな張力をもつがその方向と概略垂直の方向であるオーバドライブの方向へはほとんど力を作用させることができないので、プローブ基板３は介在する複数のつる巻きばね状弾性体５を押圧して上方へ移動する。オーバドライブが解除されると、このときXY平面におけるプローブの位置は、プローブ基板固定部材８の張力により厳格に決まっているため、正確にもとの位置にもどる。また、プローブ基板固定部材８は、高さ方向へは、プローブ２およびプローブ基板３のオーバドライブ時の上方への移動を考慮して、やや斜め上方向に引っ張るように固定しなければならない。

さらに、図１ｂに示すように、プローブ基板３から回路基板４への柔軟性のある電気配線部材９がある場合は、プローブ基板固定部材８はその配線部材９の位置を避けるように配置する必要がある。プローブ基板固定部材８はプローブ基板３の周辺全てに固定する必要がないため、これらが互いに干渉しないように配置することは可能であって、例えば、プローブ基板３が四辺形をなす場合は、その４つのコーナー部にプローブ基板固定部材８をとりつけ、４辺のほとんどの部分を柔軟な電気配線部材９の接続領域であてることができる。あるいは、プローブ基板固定部材８と配線部材９とを、高さ方向の位置を変えて（干渉しない層状に構成）配置することも可能である。また、プローブ基板固定部材８に高張力鋼のように高張力を持たせれば、線状又は帯状のプローブ基板固定部材８を細く又は狭くしても、引張り力が確保できるので、プローブ基板固定部材８の配設が電気配線部材９と錯綜することなく容易に配設できる。また、緊張力に対してプローブ基板固定部材８の伸びを抑えることができるので、プローブ基板３、ひいてはプローブ２の位置精度を維持しやすい。

また、図２、図３を用いて、本発明に係わる二重弾性機構プローブカードの別の実施形態であるプローブカード１について、図１（ａ）、（ｂ）と相違する点について説明すると、プローブカード１は、複数のテスタ接続端子４ａを上面に配設すると共にテスタ接続端子４ａに個々に接続された接続端子４ｂ群を下面に配設した回路基板４と、接続端子４ｂに個々に対応した接続端子３ａ群を上面に配設すると共に接続端子３ａに個々に接続された複数のプローブ２を下面に配設したプローブ基板３と、回路基板４の接続端子４ｂ群に個々に根元を固着して、先端部をプローブ基板３の接続端子３ａ群に接触して電気的に接続する片持ち梁状弾性体である中継接続ピン６群と、回路基板４の背面に密着して機械的強度を補強する補強板７と、補強板７上面に端部が固定具８ａで取付けられ、補強板７と回路基板４との挿通孔８ｄに挿通され、プローブ基板３の端部に回路基板４の挿通孔下面から水平よりやや下向き方向へ緊張して固定具８ａで取付けられ、かつ、平面的にほぼ均等に放射状に配設した３本以上の線状又は帯状プローブ基板固定部材８と、から構成される。

また、プローブ基板３と回路基板４との間に介在する複数の片持ち梁状弾性体６は、良導電性の金属製がよく、例えばＢｅ−Ｃｕ合金等である。片持ち梁状弾性体６の総合ばね定数（Ｋ_２＝ｋ_２×Ｎ、因みに、ｋ_２：一個の片持ち梁状弾性体６のばね定数、Ｎ：弾性体の総数）はプローブ群の総合ばね定数（Ｋ_１＝ｋ_１×Ｎ、因みに、ｋ_１：一個のプローブ２のばね定数、Ｎ：プローブの総数）の０．５〜２．０の範囲にあるのが、プローバによって負荷するオーバドライブをプローブとプローブ基板にバランスよく分配することができる。また、回路基板４の接続端子４ｂに固着された片持ち梁状弾性体６は中継接続の役割も果たし、押圧力に比例して生ずる反力によりプローブ基板３の接続端子３ａと電気的接続を確保する。片持ち梁状弾性体６は、押圧力により上方への移動が生ずると共に、対応する接続端子３ａとの水平方向の位置関係がずれなくする形状が求められるから、片持ち梁状のカンチレバー型が製作容易な点でよく、また、コイルバネ型でもよい。片持ち梁状弾性体６の材料は、弾性があり、電気伝導性が良好な材料が望ましく、銅系の燐系銅合金、ベリリウム系銅合金、ニッケル合金等が用いられる。

前述のように、プローブ基板３は、回路基板４との間で、線状又は帯状のプローブ基板固定部材８によりやや上向き方向に引張られ、かつ、介在する複数の片持ち梁状弾性体６の反力とのバランスで上下方向の位置が定められる。この状態からオーバドライブが掛けられると、プローブ基板固定部材８は引張り方向には大きな張力をもつがその方向と概略垂直の方向であるオーバドライブの方向へはほとんど力を作用させることができないので、プローブ基板３は介在する複数の片持ち梁状弾性体６を押圧して上方へ移動する。オーバドライブが解除されると、このときXY平面におけるプローブ２の位置は、プローブ基板固定部材８の張力により厳格に決まっているため、正確にもとの位置にもどる。

また、プローブカード１はオーバドライブにより上方に移動する時に、プローブ基板固定部材８にわずかのゆるみが生じるため水平方向の位置変動がわずかに生じる可能性があるが、電極に接触するまではプローブ２の位置は厳格に固定されており、そして電極に接触した後は、通常水平方向にプローブ基板３を動かそうとする力は生じないこと、および電極表面とプローブ２先端の間には摩擦力が生じることにより、接触後の位置変動は極めて小さいので、試験に支障はない。また、特にオーバドライブ時の位置変動を抑制するためには、図２ｂに示すように、プローブ基板固定部材８の引き上げ角度を小さくするために回路基板４の挿通孔８ｄの所に調節具８ｃを設ければよい。これにより高さ方向の移動量に比して水平方向の位置変動は試験に支障を生じないほど小さくすることができる。

図１、図２、図３に示す二重弾性機構プローブカード１の組み立て製作は次のように行うことができる。補強板７と回路基板４を下に逆さまに置き、回路基板４上の所定位置につる巻きばね状弾性体５又は片持ち梁状弾性体６を固着し、次いでプローブ２を予め配設したプローブ基板３を弾性体５又は６の上に載せて接着又は仮着けをおこなう。次いで、プローブ基板３の端部に複数の線状又は帯状のプローブ基板固定部材８を放射状に取付けて、回路基板４、補強板７に通して仮固定し、同時に必要であれば配線部材９をプローブ基板３の端子３ａと回路基板４の端子４ｂとに結線する。次いで、仮組みの上下を引っ繰り返して複数のプローブ基板固定部材８の長さ、引張り力を夫々調節して、回路基板４に対するプローブ基板３の位置及びプローブ２の位置を調節することにより二重弾性機構プローブカード１を製作する。

半導体ウェハにおいて、特に、高集積化チップデバイスの電気的特性検査に使用するプローブカードに利用することができる。

本発明に係わる二重弾性機構プローブカードの実施形態であって、（ａ）は回路基板とプローブ基板間にばね状弾性体を介在させたプローブカードの模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視の模式的平面図である。本発明に係わる二重弾性機構プローブカードの別の実施形態であって、回路基板とプローブ基板間に片持ち梁状弾性体を介在させたプローブカードの模式的断面図である。図２の別の実施形態図であって、基板固定部材の調節装置を配設したプローブカードの模式的断面図である。従来のプローブカードの一例であって、プローブカードの模式的断面図である。

符号の説明

１：プローブカード２：プローブ３：プローブ基板
３ａ：接続端子４：回路基板４ａ：テスタ接続端子
４ｂ：接続端子５：ばね状弾性体６：片持ち梁状弾性体６ａ：接続端子７：補強板８：プローブ基板固定部材
８ａ：固定具８ｂ：調節装置８ｃ：調節具
８ｄ：挿通孔９：配線部材
１１：プローブカード１２：プローブ１３：プローブ基板
１３ａ：接続端子１３ｂ：接続端子１４：回路基板
１４ａ：テスタ接続端子１５：中継接続ピン１５ａ：接続端子
１６：補強板１７：支持体１８：支持ボルト
１９：調節ボルト

Claims

回路基板と、該回路基板の一方の面側に配置され、表面の所定位置に複数のプローブが設けられたプローブ基板と、該プローブ基板と該回路基板との間に介在された弾性体と、所定長さの可撓性を有する線状又は帯状部材であって、該プローブ基板の周辺から放射状に配置されて該回路基板に取り付けられ、該プローブ基板と該回路基板との間隔が所定値以上にならないように固定するプローブ基板固定部材とを備えたことを特徴とする二重弾性機構プローブカード。
該プローブ基板固定部材が該回路基板の他方の面側に引き出されて長さ調整可能に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の二重弾性機構プローブカード。