(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハ上に形成された半導体集積回路のボンディングパッドにプローブピンを垂直にコンタクトさせ、半導体集積回路の電気的特性を試験する垂直針式のプローブカードであって、
中空部と、前記中空部を介して垂直に連接して設けられた複数のシリンダーと、前記各シリンダー内部に設けられ前記プローブピンと当接するピストンとを有する基盤部と、
前記基盤部と締結して一体化され、前記プローブピンを案内するガイド穴を備えたヘッド部と
から構成され、
前記中空部および前記各シリンダー内に流動性絶縁物が充填され、前記コンタクトの際に前記各プローブピンにかかる針圧が前記ピストンの変動量に関係なく前記流動性絶縁物を介して均等となるように分散させることを特徴とするプローブカード。
【請求項２】
前記ピストンと前記プローブピンは前記基盤部と前記ヘッド部とを締結する際にスペーサーを介して当接され、前記ピストンと前記スペーサーと前記プローブピンとは一体となって上下に可動することを特徴とする請求項１に記載のプローブカード。
【請求項３】
前記ヘッド部に設けられた前記ガイド穴には導電性円筒がはめ込まれ、前記基盤部と前記ヘッド部とを締結した後、前記導電性円筒の内壁と前記プローブピンの外周とは摺動可能に導電接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブカード。
【請求項４】
前記基盤部にはテスターから電気信号を伝える導線がパターニングされ、前記基盤部と前記ヘッド部とを締結する際に、前記パターニングされた導線と前記導電性円筒とが接触して前記テスターと前記プローブピンとが電気的に導通することを特徴とする請求項３に記載のプローブカード。
【請求項５】
前記中空部の内壁の一部に前記流動性絶縁物を介してスプリングが設けられ、前記コンタクトの際に前記各プローブピンに過剰な針圧がかかった場合の針圧を、前記スプリングの圧縮により吸収することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプローブカード。
【請求項６】
前記スプリングは前記中空部の内壁に開けられた挿入孔に挿入され、同じく挿入孔に挿入された前記ピストンを介して前記流動性絶縁物に加わる圧力変動により伸縮することを特徴とする請求項５に記載のプローブカード。
【請求項７】
前記スプリングは、圧力調整ねじによって自由長を可変し前記プローブピンにかかる針圧を調整可能としたことを特徴とする請求項５又は６に記載のプローブカード。
【請求項８】
前記流動性絶縁物はシリコンオイルであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプローブカード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の電気的特性試験に用いられるプローブカードに関し、特にプローブピンがプローブカードに垂直に取り付けられている垂直針式のプローブカードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体ウエハ上に形成された半導体集積回路の電気的特性試験に用いられる垂直針式のプローブカードは、半導体集積回路の複数の端子部（以下、ボンディングパッドと称する）が半導体集積回路の外周並びに内部に設けられているフリップチップ型の半導体集積回路を電気的に試験する場合に用いられている。
【０００３】
この従来の垂直針式プローブカードには、プローブピンに弾性力を付与するための手段としてスプリングの圧力を利用した機械方式のもの、あるいは流体の圧力を利用した流体方式のものが提案されている。従来技術としては、機械方式のものが一般に広く用いられているが、例えば、特開平８−９７２６０号公報に示されているように、各プローブピンに対し均等に加圧が可能な流体方式のものも注目され始めている。
【０００４】
図３は、従来技術のうちの機械方式による垂直針式プローブカードの一例を説明するための構成断面図である。図３を参照すると、この従来の垂直針式プローブカードは、基盤部１ａとヘッド部２ａで構成されている。基盤部１ａには、テスター（図示せず）からの電気的信号を各プローブピン９ａに伝える導線８ａがパターニングされており、導線８ａの先端部にはプローブピン９ａとの接触部となる金プレート１５が設けられている。また、ヘッド部２ａには、その内部に複数のガイド穴１０ａとプローブピン９ａが存在し、各々のプローブピン９ａはガイド穴１０ａに従って独立して垂直方向に上下動作ができるように構成されている。この基盤部１ａとヘッド部２ａをねじ（図示せず）で締結して一体とし、垂直針式プローブカードが構成されている。
【０００５】
次に、この従来の垂直針式プローブカードを用いて半導体集積回路にコンタクトさせる状態を図３に基づいて説明する。コンタクト開始前は、プローブピン９ａと半導体ウエハ１２はセパレート状態となっており、半導体ウエハ１２が搭載されているウエハステージ１３を任意の高さまで上昇させることによってコンタクトを可能としている。
【０００６】
まず、ウエハステージ１３を上昇させ、プローブピン９ａの先端と半導体ウエハ１２のボンディングパッド１４とを接触させる。そのままウエハステージ１３が上昇を続けるとプローブピン９ａはガイド穴１０ａに従って押し上げられ、プローブピン９ａの根元が金プレート１５と接触する。このとき、ウエハステージ１３は、ボンディングパッド１４にある程度の針圧が加わるようあらかじめ設定された高さまで上昇する。プローブピン９ａは半導体ウエハ１２並びに金プレート１５と接触することでテスターとの導通を可能とし、テスターからの電気的信号が半導体集積回路に送信されることで良否判定が行われる。試験終了後はウエハステージ１３が元の位置まで下降して停止する。
【０００７】
ここで、ウエハステージ１３が上昇し過ぎるとボンディングパッド１４に過剰な針圧が加わり、ボンディングパッド１４の破損を引き起こす可能性を持っているが、この不具合を回避するためにプローブピン９ａの背の部分は湾曲した形状となってバネ性を持たせ、過剰な針圧が加わるとプローブピン９ａの背の部分が撓むことによって針圧を吸収するクッションの役割を果たしている。
【０００８】
一方、従来技術において流体方式を採用した垂直針式プローブカードは、各プローブピンに対しバネに替わって流体を利用することによって均等に針圧をかけられるという利点があるが、具体的な構造については実現に至っていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の機械方式によるプローブカードでは解決の難しい問題点を無くするためになされたもので、機械方式に替わって流体方式を採用することによって解決を図ろうとするものである。
【００１０】
従来の機械方式による問題点としては、以下のような問題点があった。まず、第１の問題点は、半導体ウエハとのコンタクト回数を重ねて行くにしたがって、プローブピンの背の部分に曲げ伸ばしによる金属疲労が発生し、各プローブピンにおける高さのばらつきを大きくさせてしまうという点である。プローブピンの高さのばらつきが大きくなると各プローブピンの針圧に差が生じ、以下のような不具合を引き起こす。すなわち、針圧の弱いプローブピンは、ボンディングパッドと正常にコンタクトできなくなり、半導体集積回路を良否判定する場合、良品を不良品と誤判定してしまう可能性がある。また、針圧の強いプローブピンは、ボンディングパッドに必要以上の針圧が加わるためボンディングパッドが破損してしまう。
【００１１】
第２の問題点は、プローブカード本体が傾いて取り付けられたり、半導体ウエハに反りがあったりすると、各プローブピン間の針圧に差が生じる点である。これも第１の問題点と同様、プローブピンが正常にコンタクトできなくなるため、良否判定を誤ったり、ボンディングパッドを破損させたりするという欠点を持っている。
【００１２】
第３の問題点は、プローブピンの先端を研磨する場合、プローブピンの高さにばらつきがあると全プローブピンが均一に研磨できない点である。針圧が弱いプローブピンは針先に付着した異物等を除去することができず、また、針圧の強いプローブピンは研磨量が大きくなり、針の先端径が不均一となってしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、プローブピン加圧機構として流体方式を採用することによってプローブピンに加わる圧力を均等に分散させ、全プローブピンを同じ針圧でコンタクトできるようにしてプローブピンと半導体ウエハとの電気的接触不良を低減し、また、コンタクト時に過剰な針圧が加わらないようにプローブピンにクッション性を持たせ、ボンディングパッドの損傷を低減することを目的としたプローブカードを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体ウエハ上に形成された半導体集積回路のボンディングパッドにプローブピンを垂直にコンタクトさせ、半導体集積回路の電気的特性を試験する垂直針式のプローブカードであって、中空部と、前記中空部を介して垂直に連接して設けられた複数のシリンダーと、前記各シリンダー内部に設けられ前記プローブピンと当接するピストンとを有する基盤部と、前記基盤部と締結して一体化され、前記プローブピンを案内するガイド穴を備えたヘッド部とから構成され、前記中空部および前記各シリンダー内に流動性絶縁物が充填され、前記コンタクトの際に前記各プローブピンにかかる針圧が前記ピストンの変動量に関係なく前記流動性絶縁物を介して均等となるように分散させるようにしたものである。
【００１５】
また、本発明は、前記ピストンと前記プローブピンは前記基盤部と前記ヘッド部とを締結する際にスペーサーを介して当接され、前記ピストンと前記スペーサーと前記プローブピンとは一体となって上下に可動するようになっている。
【００１６】
また、本発明は、前記ヘッド部に設けられた前記ガイド穴には導電性円筒がはめ込まれ、前記基盤部と前記ヘッド部とを締結した後、前記導電性円筒の内壁と前記プローブピンの外周とは摺動可能に導電接触するようにし、また、前記基盤部にはテスターから電気信号を伝える導線がパターニングされ、前記基盤部と前記ヘッド部とを締結する際に、前記パターニングされた導線と前記導電性円筒とが接触して前記テスターと前記プローブピンとが電気的に導通するようにしている。
【００１７】
また、本発明は、前記中空部の内壁の一部に前記流動性絶縁物を介してスプリングが設けられ、前記コンタクトの際に前記各プローブピンに過剰な針圧がかかった場合の針圧を、前記スプリングの圧縮により吸収するようにしている。
【００１８】
また、本発明は、前記スプリングは前記中空部の内壁に開けられた挿入孔に挿入され、同じく挿入孔に挿入された前記ピストンを介して前記流動性絶縁物に加わる圧力変動により伸縮する構造を有し、また、前記スプリングは、圧力調整ねじによって自由長を可変し、前記プローブピンにかかる針圧を調整可能とし、また、前記流動性絶縁物にはシリコンオイルを使用している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態を説明するためのプローブカードの要部構成断面図であり、図２は、そのプローブカード全体の概略構造を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。なお、従来技術と同じ部品は同じ符号を用いて説明する。
【００２０】
まず、図２に示すように、本発明のプローブカードは、基盤部１とヘッド部２の二つの部分から構成され、基盤部１はさらに部材１０１、１０２、１０３からなり、組み立ておよびメンテナンスのしやすい構成となっている。そして、最終的に基盤部１とヘッド部２は締結ねじ２２で締結されて一体化されるようになっている。
【００２１】
この基盤部１は、図１に示すようにそれぞれが硬質樹脂などの絶縁材料で構成され、基盤部１の内部には流動性絶縁物を充填するための中空部１６が形成されており、部材１０３にはこの中空部１６につながりシリンダー３となる複数の穴が垂直方向にあけられ、全てのシリンダー３は中空部１６と連通した構造となっている。シリンダー３はストレート穴ではなく、中空部１６につながる上部開口部には部材１０２に開けられた穴によって段部１７が形成され、下部開口部には部材１０３の加工時に段部１８を設け、これらの段部は図１に示すように、シリンダー３の内部に挿入されるピストン５およびスペーサー６の飛び出しや抜け落ちを防ぐためのストッパーとなっている。また、シリンダー３の配置は、測定する半導体ウエハ１２のボンディングパッド１４の位置に一対一で対応させて設けている。図２に示したプローブカードは、半導体集積回路上にボンディングパッドがマトリクス状に配列された半導体ウエハを試験する場合の一例である。
【００２２】
また、図１に示すように、中空部１６およびシリンダー３の内部には、シリコンオイルなどの流動性絶縁物４が充填され、金属製のピストン５およびスペーサー６を介してヘッド部２側に設置されている各プローブピン９に均等に圧力を伝えられるようになっている。また、プローブピン９にかかる過剰な圧力を吸収できるように、中空部１６を構成する部材１０１の一部にスプリング７およびピストン１９を挿入する挿入孔２０を設け、ピストン１９を介してスプリング７を圧縮し、プローブピン９にかかる過剰な圧力を吸収できるようになっている。また、ピストン１９、スプリング７は圧力調整ねじ２１と一体となって部材１０１に取り付けれ、スプリング７の自由長を圧力調整ねじ２１で可変することによって、プローブピンにかかる針圧を任意に調整可能としている。また、挿入孔２０は、流動性絶縁物４を充填する際の注入孔も兼ねている。さらに基盤部１には、テスター（図示せず）からの電気信号をプローブピン９に伝えるための導線８がパターニングされている。
【００２３】
次に、ヘッド部２の構成としては、図１に示すように基盤部１と同じく硬質樹脂などで形成され、半導体集積回路のボンディングパッド１４と接触するプローブピン９と、各プローブピン９が収まる複数のガイド穴１０を有し、ガイド穴１０にはプローブピン９の外周が接触する導電性円筒１１がはめ込まれている。プローブピン９はタングステンなどからなり、先端部は細く上端部は太い２段構造となっている。ガイド穴１０の下部には段部が設けられ、段付き構造のプローブピン９の脱落を防いでいる。プローブピン９は導電性円筒１１の内壁と摺動可能に常時接触することでテスターとの電気的導通を可能にしている。
【００２４】
このような構造にある基盤部１とヘッド部２とを重ね合わせて締結ねじ２２で締結（図２）すると、ピストン５とプローブピン９はスペーサー６を介してそれぞれ当接接触し、ピストン付きのプローブピンとして一体となって上下動作できるようになる。ここで、スペーサー６は、基盤部１とヘッド部２とに分かれているピストン５とプローブピン９との間をつないで圧力を伝達するための部材であり、また、ピストン５とプローブピン９を一体に製作するよりも分割構造としたことによって、組み立てあるいは交換等のメンテナンスがやり易い構造となっている。さらに、導電性円筒１１をガイド穴１０からわずか突出させておくことによって、基盤部１とヘッド部２とを締結する際に導線８と確実に接触し、テスターとプローブピン９との電気的導通を容易にしている。
【００２５】
次に、上述したような本発明の一実施の形態におけるプローブカードの動作について、図１を参照して説明する。本発明の特徴としては、まず、プローブカードの内部に充填した流動性を持つ絶縁物（例えばシリコンオイルなど）とピストンとを備え、コンタクト時に各プローブピンに加わる圧力を均等に分散させることにある。もう一つの特徴は、針圧吸収用のスプリングを１本備え付けることで、各プローブピンに加わる過剰な針圧をスプリングの圧縮によって吸収可能にすることである。
【００２６】
本発明の垂直針式プローブカードは、コンタクト開始前はプローブピン９と半導体ウエハ１２がセパレート状態となっており、半導体ウエハ１２が搭載されているウエハステージ１３を任意の高さまで上昇させることでコンタクトを可能としている。図１は、このコンタクトした状態を示している。なお、測定に供する半導体ウエハ１２には、ボンディングパッド１４がマトリクス状に配列されたフリップチップ型の半導体集積回路が複数形成された場合を想定している。
【００２７】
まず、ウエハステージ１３が上昇するとプローブピン９の先端が半導体ウエハ１２のボンディングパッド１４と接触する。さらにウエハステージ１３が上昇を続けると、導電性円筒１１に従って押し上げられたプローブピン９がスペーサー６およびピストン５を押し上げ、シリンダー３内部の流動性絶縁物４に圧力を発生させる。シリンダー３の内部に発生した圧力は、流動性絶縁物４を介して各ピストン５に均一に加わるため、全プローブピン９が同じ針圧でボンディングパッド１４との接触を可能にしている。もしも、プローブピン９の磨耗、半導体ウエハ１２の反り、ボンディングパッド高さのばらつき等でピストン５の変動量に差が生じても（図１はこの状態を示している）、各プローブピン９にかかる針圧は均一となる。
【００２８】
ウエハステージ１３は、全プローブピン９にある程度の針圧が加わるようにあらかじめ設定した高さまで上昇して電気的試験を行うが、もしもウエハステージ１３の上昇し過ぎにより半導体ウエハ１２に過剰な針圧が加わった場合には、ボンディングパッド１４に損傷を引き起こす可能性がある。この不具合を回避するために、シリンダー３につながった中空部１６内に過剰な圧力を吸収させるスプリング７が設置されており、流動性絶縁物４を介してこのスプリング７を圧縮させ、プローブピン９にクッション性を持たせることによってボンディングパッド１４の破損を防いでいる。なお、試験終了後は、ウエハステージ１３はもとの位置まで下降し、次の半導体集積回路をプローブピンの下に移動させる。そして、この一連の動作を繰り返すことによって、半導体ウエハ上の半導体集積回路の電気的試験が行われる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のプローブカードは、上記のように構成されているので、以下に掲げる効果を奏する。第１の効果は、半導体ウエハとの接触不良を低減することによって、安定した電気的試験を行うことができることである。その理由は、各プローブピンの針圧を分散させることによって全プローブピンの針圧を均一にすることができるためである。
【００３０】
第２の効果は、半導体集積回路の端子部であるボンディングパッドの損傷を防ぐことによって、半導体集積回路の品質向上を図れることである。その理由は、針圧吸収用のスプリングを設置したことによってコンタクト時にプローブピンにクッション性を持たせ、ボンディングパッドに過剰な針圧が加わるのを防いでいるためである。
【００３１】
また、第３の効果としてプローブピン先端の研磨量を均一にすることができるようになったことである。その理由は全プローブピンの針圧を均一にすることができるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプローブカードにおける一実施の形態を説明する要部構成断面図である。
【図２】本発明のプローブカード全体の概略構造を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。
【図３】従来のプローブカードを説明する構成断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ    基盤部
２、２ａ    ヘッド部
３    シリンダー
４    流動性絶縁物
５    ピストン
６    スペーサー
７    スプリング
８、８ａ    導線
９、９ａ    プローブピン
１０、１０ａ    ガイド穴
１１    導電性円筒
１２    半導体ウエハ
１３    ウエハステージ
１４    ボンディングパッド
１５    金プレート
１６    中空部
１７、１８    段部
１９    ピストン
２０    挿入孔
２１    圧力調整ねじ
２２    締結ねじ
１０１、１０２、１０３    部材
【図１】
0003902497.tif 000002
【図２】
0003902497.tif 000003
【図３】
0003902497.tif 000004