(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第１の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第１の接続端子に個々に対応した第２の接続端子群を上面に配設すると共に該第２の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第１の接続端子又は第２の接続端子に個々に取り付けられると共に該第２の接続端子又は第１の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と該回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記複数の中継接続ピンと夫々対応する該第１の接続端子と該第２の接続端子を該回路基板と該プローブ基板の各平面に対して周辺部を密に、かつ、中央部を疎に配設することを特徴とするプローブカード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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の検査に使用されるプローブカードの構造及びそのプローブ基板の面平行度の保持方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体ウェハ上にあるチップデバイスの電気的特性の検査に使用されるプローブカードは、図２（ａ）に示すように、複数のテスタ接続端子４ａが接続された回路基板４と、複数のプローブ２が装着されたプローブ基板３と、テスタ接続端子４ａに接続された回路基板４の接続端子５ａと各プローブ２に接続されたプローブ基板３の接続端子３ａとを夫々電気的に接続するための弾性を有する中継接続ピン５群と、回路基板４の背面に装着されて機械的強度を補強する補強板７と、回路基板４及び補強板７とプローブ基板３を所定位置に保持する支持体８と支持ボルト９とから構成される。図２（ｂ）（ｃ）に示すように、回路基板４及びプローブ基板３の形状は所定の厚みを有する円形３−１又は方形３−２の平板である。また、中継接続ピン５群と対応する接続端子３ａ，５ａは回路基板４及びプローブ基板３に対して平面的に秩序だって配置されている。回路基板４に固着された中継接続ピン５は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力により回路基板４の中継接続ピン５の先端部と対応するプローブ基板３の接続端子３ａとを圧接して電気的接続が確保される。
【０００３】
こういう構造を採用したプローブカードの先行技術が開示されている（文献１）。この先行技術は、夫々二つのアームを有する構造のプローブと接続子(中継接続ピンに相当)を採用することにより、プローブと被検査体であるチップデバイスとを押圧したときに、配線基板のような支持基板に伝達させる力を低減できるというものである。
【特許文献１】特開２００４−３４０６１７号公報（〔０００５〜６〕、〔００１１〜１３〕、図１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このプローブカードでは、弾性を持つ中継接続ピンを押圧することによる反力で対応する接続端子を電気的に接続する構造であって、複数の中継接続ピンの反力の合計荷重により、プローブ基板にたわみが生じ、そのままの構造では所望の製品を作ることが困難であるという問題があった。これらの問題点を以下に詳述する。
【０００５】
この中継接続ピンは回路基板とプローブ基板との間に配置され、かつ、押圧力により両基板の電気的接続を確保する必要があるので、両基板には夫々垂直な方向に面荷重が作用する（図３のγ）。この面荷重に対して回路基板は背面に補強板を配設しているから十分対抗できるが、一方のプローブ基板は周辺部を支持体で単純支持された円板又は平板であるので、プローブ基板の中央部が大きくたわむ（図３のβライン）。その結果、プローブ基板に固着されているプローブ群の先端部が構成する面平行度（図３のαライン）を損なう問題が発生する。この図３に示すように、この変形は周辺を単純支持された円板又は平板が一様な面荷重を受けた場合のたわみ発生という力学的現象である。周辺を単純支持された円形の最大たわみＷｍａｘと最大応力のσｍａｘは円板中央に発生し、数式１で与えられる。（参考文献：日本機械学会編「機械工学便覧」１９８４年）
【０００６】
【数１】
0005015671.tif 000002
【０００７】
この数式において、板の厚さがｈ、円形平板の直径が２ａ、単位当たりの荷重がｐ、板材料の縦弾性係数がＥ，そのポアソン比がνでそれぞれ表わされ、例えば、板厚４ｍｍ、直径３００ｍｍ、縦弾性係数３００ＧＰａ、ポアソン比０．２５、面分布荷重１．５５ｇｆ／ｍｍ２で試算すると、円板の中央のたわみは３００μｍ、最大応力は２６ＭＰａに達する。この物性値は強度の高いセラミック材に相当し、この面分布荷重密度は荷重１０ｇｆの中継接続ピンを２．５４ｍｍピッチで等間隔に配置することに相当する。このたわみはプローブ基板の面平行度を著しく損ない、プローブ群の先端面の平行度が保持できなくなるので、結果として平面度が保持された半導体ウエハ上に形成されたチップデバイスの電極に高精度に接触することができなくなる。
【０００８】
実際には、面分布荷重によりプローブ基板が変形すると、その変形量に応じて中継接続ピンによる荷重も幾分小さくなり、ピン荷重とプローブ基板の変形による反力が均衡する点に実際の変形は収まるので、プローブ基板の実際の変形量は前述の計算値より幾分小さくなるが、プローブ基板が変形して面平行度を劣化させるという問題は残る。また、プローブ基板の変形により中央部において中継接続ピンの荷重が小さくなると、その分だけ電気的接触の不安定さが残るので、これを回避するために中継接続ピンの荷重を増やさざるをえなくなる。このことはプローブ基板に荷重を増加させることになり、より面平行度が劣化したプローブカードを組み立てることになる問題がある。前述の先行技術においてもこの根本的問題をはらんでいる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みて、これらの問題を解決するために成したものであって、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プローブカードにおいて、プローブ群先端部の面平行度を良好に維持できるプローブカード及びそのプローブ基板の面平行度の保持方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、請求項１のプローブカードの発明は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第１の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第１の接続端子に個々に対応した第２の接続端子群を上面に配設すると共に該第２の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第１の接続端子に個々に取り付けられると共に該第２の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記複数の中継接続ピンと夫々対応する第１の接続端子と第２の接続端子を回路基板とプローブ基板の各平面に対して周辺部を密に、かつ、中央部を疎に配設することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項１のプローブカードの発明は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第１の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第１の接続端子に個々に対応した第２の接続端子群を上面に配設すると共に該第２の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第２の接続端子に個々に取り付けられると共に該第１の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記複数の中継接続ピンと夫々対応する第１の接続端子と第２の接続端子を回路基板とプローブ基板の各平面に対して周辺部を密に、かつ、中央部を疎に配設することを特徴とする。
【００１２】
また、本プローブカードの発明は、請求項１のプローブカードにおいて、前記回路基板及びプローブ基板が円形又は方形の平板である。
【００１３】
第１又は第２の接続端子に固着された複数の中継接続ピンが第２又は第１の接続端子を圧接して電気的接続を確保するために、回路基板及び補強板に支持体によって取り付けられたプローブ基板の移動により弾性体である中継接続ピン群に適度の変形を加えて、その押圧量に比例した反力による圧接力で電気的接続が達成される。この際に、中継接続ピンと対応する第１又は第２の接続端子とをプローブ基板及び回路基板の周辺部に密に、中央部を疎に配設することにより、中継接続ピンのプローブ基板への面分布荷重を周辺部より中央部をより小さくするで、プローブ基板の中央部のたわみを少なくすることができる。例えば、プローブ基板上の第２の接続端子間の配列ピッチを中央部で周辺部に比し２倍の配列ピッチを以って前記接続端子を配設すると、中央部における面分布荷重の大きさは周辺部の面分布荷重の１／４と小さくなる。これにより、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、半導体ウェハ上に形成された高精度の平面度をもつデバイスの検査時にプローブ先端部とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、正確な測定を可能にする。
【００１４】
また、本プローブ基板の面平行度の保持方法は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第１の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第１の接続端子に個々に対応した第２の接続端子群を上面に配設すると共に該第２の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第１の接続端子に個々に取り付けられると共に該第２の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、からなるプローブカードにおいて、前記プローブ基板の面平行度の保持方法であって、前記複数の中継接続ピンと夫々対応する第１の接続端子と第２の接続端子を回路基板とプローブ基板の各平面に対して周辺部を密に、かつ、中央部を疎に配設して、複数の中継接続ピンがプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させることによりプローブ基板の面平行度を維持する。
【００１５】
また、本プローブ基板の面平行度の保持方法は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第１の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第１の接続端子に個々に対応した第２の接続端子群を上面に配設すると共に該第２の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第２の接続端子に個々に取り付けられると共に該第１の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、からなるプローブカードにおいて、前記プローブ基板の面平行度の保持方法であって、前記複数の中継接続ピンと夫々対応する第１の接続端子と第２の接続端子を回路基板とプローブ基板の各平面に対して周辺部を密に、かつ、中央部を疎に配設して、複数の中継接続ピンがプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させることによりプローブ基板の面平行度を維持する。
【００１６】
また、本プローブ基板の面平行度の保持方法は、プローブ基板の面平行度の保持方法において、前記プローブ基板と対応する回路基板が円形又は方形の平板である。
【００１７】
チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触を確実にし、正確な測定を可能にするためには、中継接続ピン群の押圧力が負荷されているプローブ基板の面平行度を維持することが、プローブ基板のプローブ群先端部が構成する面平行度を保持することに繋がり重要である。前記中継接続ピン群による押圧力はプローブ基板と回路基板に夫々負荷されるが、回路基板は背面にある補強板で補強され、寸法的にも余裕が取れるので、たわみを生じないような構造にすることが可能であるが、これに反してプローブ基板は寸法的制約もあり、たわみに対する強度を大きくすることが難しい。また、円形又は方形形状であるプローブ基板は、周縁部を支持体により下支えに担持される構造であるから、周縁部の剛性が高い。この状況下でプローブ基板の面平行度を保持する方法として、中継接続ピン群がプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させる方法で面平行度の維持が達成可能で、具体的にはプローブ基板への押圧点を構成する中継接続ピン群と圧接する又は固着する第２の接続端子群の配置を、プローブ基板の周辺部は密に、中央部は疎に配設する方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による請求項１の構成のプローブカードによれば、中継接続ピン及び対応する接続端子の配置をプローブ基板の周辺部に密に、中央部を疎にすることにより、プローブ基板の中央部にかかる面分布荷重を周辺部に比べてより小さくすることで、プローブ基板の中央部のたわみを少なくできるので、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できる。これにより、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、半導体ウェハの検査を的確に行うことができる。
【００１９】
本発明のプローブ基板の面平行度の保持方法によれば、中継接続ピン群がプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させる方法により、即ちプローブ基板への押圧点を構成する中継接続ピン群と圧接する又は固着する第２の接続端子群の配置を、プローブ基板の周辺部は密に、中央部は疎に配設する簡易な方法により、プローブ基板の中央部のたわみを少なくできるので、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を保持できる。これにより、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、半導体ウェハの検査を的確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。図１は、本発明に係わるプローブカードの実施形態であって、ａはプローブカードの模式的断面図、ｂはａにおける円形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図、ｃはａにおける方形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図である。
【００２１】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて、本発明の実施の形態であるプローブカード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５ａ群を下面に配設した回路基板４と、接続端子５ａ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５ａに根元を固着して片持ち梁状に配設された弾性を有する中継接続ピン５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、回路基板４及び補強板７とプローブ基板３を所定位置に保持する支持体８と支持ボルト９とから構成される。
【００２２】
このプローブ基板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、合成樹脂製のプリント板であって、プローブ基板３では、上面にある各接続端子３ａと下面の対応するプローブ接続端子３ｂ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５ａ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パッド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３ｂに固着されて、片持ち梁状にプローブ２本体を保持して、その先にチップデバイスの電極パッド（図示しない）と接触可能な針先を有する。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、２０〜２００μｍの範囲であり、プローブ数も数百から数万本に達する規模である。プローブ２の材料としては、通常、ニッケル合金、パラヂウム合金、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る。
【００２３】
また、補強板７は、基板６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る。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又はアルミニウムを用いることが望ましい。また、プローブ基板３と回路基板４の上下の間隔を調節して電気的接続を保持する中継接続ピン５の押圧力を最適に調整するために、プローブ基板３周縁部の端面下部を下支えに単純支持する金属製の支持体８が設けられ、該支持体８は補強板７及び回路基板４を貫通した支持ボルト９により位置調節することができる。
【００２４】
回路基板４に固着された中継接続ピン５は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力により回路基板４の中継接続ピン５の先端部と、対応するプローブ基板３の接続端子３ａを圧接して電気的接続が確保される。中継接続ピン５の形状は、弾性材料が圧縮に伴う押圧力により反力が生ずると共に、中継接続ピン５の固着された根元である接続端子５ａと対応する接続端子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、中継接続ピン５は片持ち梁状のカンチレバー型かコイルバネ型等がよく、製作容易の点でカンチレバー型がよい。また、中継接続ピン５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、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。
【００２５】
中継接続ピン５と対応するプローブ基板３の接続端子３ａの配置は、図１（ｂ）に示すように、円形平板のプローブ基板３−１では、接続端子３ａ群が略同心円状に、周辺部における隣り合う接続端子３ａの配列ピッチ（間隔）ｐ１が、中央部における隣り合う接続端子３ａの配列ピッチ（間隔）ｐ２に比べて小さく配列されている。この場合の周辺部から中央部へ向かう接続端子３ａの配列ピッチは段階的に又は連続的に変化させることができる。この接続端子３ａの配列位置に基いて、中継接続ピン５と中継接続ピン５の根元を固着する回路基板４の接続端子５ａが配列される。また、図１（ｃ）に示すように、方形平板のプローブ基板３−２では、接続端子３ａ群が概略同心円の四隅を方形に整形した形状であって、周辺部における隣り合う接続端子３ａの配列ピッチ（間隔）ｐ１が、中央部における隣り合う接続端子３ａの配列ピッチ（間隔）ｐ２に比べて小さく配列されていて、周辺部から中央部へ向かう接続端子３ａの配列ピッチは段階的に又は連続的に変化させることができる。この接続端子３ａの配列位置に基いて、中継接続ピン５と中継接続ピン５の根元を固着する回路基板４の接続端子５ａも配列される。例えば、プローブ基板３上の接続端子３ａの中央部の配列ピッチｐ２を周辺部の配列ピッチｐ１に比し２倍のピッチで接続端子３ａを配設すると、中央部における中継接続ピン５による面分布荷重の大きさは周辺部の面分布荷重の１／４と小さくなる。また、前述の配列例は、プローブ基板３上の接続端子３ａ群の周辺部から中心部に向けての個数分布が正規分布に近似しているともいえる。このようにプローブ基板３への押圧点を構成する中継接続ピン５群と圧接する接続端子３ａ群の配置を、プローブ基板３の周辺部は密に、中央部は疎に配設することにより、中継接続ピン５群がプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させることで、プローブ基板３の中央部のたわみが防止でき、プローブ基板３の面平行度を維持することができる。
【００２６】
また、本発明に係わる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）、（ｃ）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５ａ群を下面に配設した回路基板４と、接続端子５ａ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、プローブ基板３の接続端子３ａに根元を固着して片持ち梁状に配設された弾性を有する中継接続ピン５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、回路基板４及び補強板７とプローブ基板３を所定位置に保持する支持体８と支持ボルト９とから構成される。プローブ基板３に固着された中継接続ピン５は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力によりプローブ基板３の中継接続ピン５の先端部が対応する回路基板４の接続端子５ａを圧接して電気的接続が確保される。この際、押圧力による中継接続ピン５の片方の反力が中継接続ピン５を固着した接続端子３ａにも負荷される。したがって、前述のように、プローブ基板３への押圧点を構成する中継接続ピン５群と固着する接続端子３ａ群の配置を、プローブ基板３の周辺部は密に、中央部は疎に配設することにより、中継接続ピン５群がプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させることで、プローブ基板３の中央部のたわみが防止でき、プローブ基板３の面平行度を維持することができる。
【００２７】
本発明に係わるプローブカード１の作用の特徴は、プローブ基板３への面分布荷重を構成する中継接続ピン５群と、圧接する又は固着する接続端子３ａ群の配置を、プローブ基板３の周辺部は密に、中央部は疎に配設することにより、中継接続ピン５群がプローブ基板にもたらす面分布荷重密度を周辺部から中央部にかけて段階的又は連続的に減少させることができ、ひいては、プローブ基板３の中央部のたわみを防止して、プローブ基板３の面平行度を維持することができる。これにより、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、チップデバイスの検査時にプローブ先端部とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、正確な測定を可能にする。また、チップデバイスの電極へのコンタクト時の機械的衝撃等が伴う試験環境下でも、検査時におけるプローブカードの電気的接続の信頼性を維持することができるので、良品の被検査物を不良品と判定してしまうような経済的損失を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
半導体ウェハにおいて、高集積化ＩＣチップの電気的特性の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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係わるプローブカードの実施形態であって、ａはプローブカードの模式的断面図、ｂはａにおける円形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図、ｃはａにおける方形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図である。
【図２】従来のプローブカードであって、ａはプローブカードの模式的断面図、ｂはａにおける円形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図、ｃはａにおける方形プローブ基板の接続端子の模式的平面配置図である。
【図３】図２において、中継接続ピン群により押圧力が負荷された場合のプローブカードの模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１：プローブカード            ２：プローブ              ３：プローブ基板
３−１：円形プローブ基板        ３−２：方形プローブ基板
３ａ：接続端子              ３ｂ：プローブ接続端子      ４：回路基板
４ａ：テスタ接続端子        ５：中継接続ピン          ５ａ：接続端子
７：補強板                    ８：支持体              ９：支持ボルト      
α：プローブ群の先端部ライン    β：プローブ基板のたわみ  γ：面分布荷重
ｐ１：周辺部における接続端子の配列ピッチ
ｐ２：中央部における接続端子の配列ピッチ
【図１】
0005015671.tif 000003
【図２】
0005015671.tif 000004
【図３】
0005015671.tif 000005