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導電性 DLCコーティングの半導体検査用プローブへの応用

導電性DLCコーティングの半導体検査用プローブへの応用

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D-2 プローブへの C3コーティングの適用
C3コーティングの成膜方法は、物理蒸着法（PVD 法：PhysicalVapor Deposition）の一つであるスパッタリング法をもちいる。
ほC3コーティングプローブ

第2図

かにDLC 膜の成膜方法として、化学蒸着法（CVD 法：ChemicalVapor Deposition）やアークイオンプレーティング法などがもちい

近年、電子機器の高機能化や小型化にともない、搭載される半導体素子のパッケージサイズもられるが、微細なプローブ先端に平滑で緻密な膜を成膜できるこ小型化、薄型化が進んでいる。
しかしながら、出荷前の最終検査手法は半世紀以上変わらず、半導と、導電性成分を添加することができること、プローブに搭載され体検査プローブ（プローブ）を半導体パッケージ端子（端子）へ接触させ、電気特性を測定することるバネ荷重に影響しない低温での成膜が可能で完成品のプローで良否を判定している。
しかし、プローブがパッケージサイズに合わせて小型、低荷重化すると、端ブへ直接成膜できることから、スパッタリング法を選択している。
ま子との接触面積が小さくなるため、電気的な接触が不安定になる。
また、わずかな接触不良で不良

た、DLC 膜は緻密で高硬度な膜を形成するほど膜応力が高く、プ判定となり、プローブ先端のクリーニングによる半導体検査装置の稼働率低下や再検査によるコローブの先端のような微細な箇所へ成膜すると剥離が生じることストアップなどにつながる。
そのため、端子とプローブを電気的に安定して接触させることは半導体最終検査にとって重要である。
このようなニーズに応えるべく、当社ではお客さまから支給されたプローブにスパッタリング法によって導電性のダイヤモンドライクカーボン膜（DLC 膜）を形成があるが、C3コーティングはDLC 膜とプローブの Auめっきの間ターゲット事業本部
技術部
ひろせ廣瀨に密着層を設けることで膜応力を下げ、半導体検査に耐える密着けん た研太

した C3コーティング（Conductive Carbon Contact）
サービス事業を2009 年より行っている。本稿では、C3コーティングについて紹介する。

力を確保している。第 2 図にコーティング例を示す。C3コーティン
グは、支給されたプローブにコーティングを施すことでプローブの機械的な接触安定性はそのままに、主成分の Cで Sn 転写を抑制し、DLC 膜の高硬度による先端形状維持と摺動性と平滑性によりSn 剥離の効果（自浄作用）が期待でき、長期間の接触安定化、プローブの長寿命化の実現するものと考えられる。

D-1 概要半導体検査装置の稼働率低下、すなわちプローブと端子の電D-3 C3コーティングの各種性質（または物性）検査プローブにDLC 膜を適用するのは、主成分の炭素（C）とSn気的な接触を不安定にするプローブ側の要因は３つ考えられる。

が化合物を生成しないためであり、はんだと接触してもSn が転写

１つ目はプローブが内蔵するスプリング機構など機械的な接触の（合金化、付着）しにくい。
また、プローブに適用される通常の Au3.1を測定した。測定結果を第 3 図に示す。Auプローブは初期から接C3コーティングの電気的性質触抵抗値のばらつきがみられ、35 万回を超えると上昇および変動安定性であり、プローブ仕様やソケットの加工精度、構造に依存めっきにくらべて、はるかに硬質で摺動性が高いため、接触が長期

C3コーティングの接触安定性評価のため、Snリード端子を模がみられるが、C3プローブでは変動は小さく、その上昇はわずかし、日々改善が進められている。
２つ目はプローブ先端形状の変化的に安定し、耐久性に優れる。一方、一般的なDLC 膜は 107〜擬したSnめっきプレートへの連続接触により接触抵抗値測定をである。
また、データをヒストグラムにした結果を第 4 図に示す。Auであり、端子材との接触による摩耗やプローブ先端のクリーニング

その1014Ω・ｃｍと高い電気抵抗率を示し、絶縁性の材料である。

行った。相手端子材は銅合金に純 Snめっきしたプレートとし、従プローブでは頻度のピーク位置が 35ｍΩであるが、高抵抗値側により生じることから、プローブ寿命にも関わる。
３つ目は端子材のため、半導体検査プローブにDLC 膜を適用するには、導電性を付来の AuめっきしたAuプローブとC3コーティングしたC3プローに分布の広がりがみられ、大きく分散している。一方、C3プローブ転写等であり、とくにPbフリーはんだやSnめっきが端子に使われ与すること、プローブ先端のめっき（金、パラジウム等）との密着をブを比較評価した。測定は、プローブに接触ごとに100mAを通電は頻度のピーク位置が 45mΩとAuプローブに比べわずかに高いる製品では、端子素材の主成分であるSn がプローブに転写する。

確保すること、および組立後のプローブ完成品に成膜できることがし、Snめっきプレートとプローブ先端の接触箇所を変えることで、が、ピーク高さはAuプローブより高く（頻度が多く）、分散が小さ転写したSn の酸化によりプローブの接触抵抗値にばらつきが現必要であり、これら全ての要件を満たすことで、DLC 膜が半導体毎回新たなSnめっき表面へ接触させ、実際の出荷前の最終検査いことから、安定した接触抵抗値が得られていることがわかる。
これ始め、不良判定が頻発することで、プローブ先端のクリーニング

検査プローブ用のC3コーティングとして機能する。に近い状態を模擬した。
また、Sn 転写を促進するためSnめっきプれが C3コーティングの最大の特長である。

レートを85℃に加熱し、100コンタクト（接触）ごとに接触抵抗値や交換、さらには不良判定した製品の再検査を要する。
その結果、半導体検査装置の稼働率低下や再検査コストの増大の原因となる。半導体検査プローブ先端の主要な材料である金めっき（Au）
はAu-Sn の２元状態図で示すように（第１図）、転写するSnとさま

第1図Au-Sn の 2 元状態図 1）

接触安定性評価

第3図

ざまな温度・組成で種々の金属間化合物をつくることが知られて1800いる。
そのため、転写したSnは簡単に取り除くことができない。一300

般的には研磨により転写したSnをプローブめっきの Auとともに

しかし、出荷前の最終検査において、端子とプローブが接触することは避けられず、Sn 転写に対して根本的な解決手段は見出されていない。
そのため、接触の安定にはSn 転写の抑制と先端形状の維持が最も重要な課題として認識されている。
この課題に対応するため、当社では、プローブに導電性の DLC膜を形成するC3コーティングサービス事業を行っている。半導体

13 こべるにくす OCT. 2021

No.531400
1200200

頻度[回]３つの要因は１つでも生じると相互に影響し、接触不良につがる。

接触抵抗値[mΩ]

は基材（鉄系あるいは銅合金など）まで露出することがある。
これら

AuプローブC3プローブ

1600

AuプローブC3プローブ250

削り取ることで Auめっきを露出させて使用を続けるが、研磨しても歩留まりが回復しなくなるまで使用を続けると、プローブの先端接触抵抗値のヒストグラム

第4図1501000
8006001004005002000100200300

接触回数[x1K]

40050000255075

接触抵抗値[mΩ]100125以上

こべるにくす OCT. 2021

No.5314

Technical Report

D 導電性 DLCコーティングの半導体検査用プローブへの応用
3.2

C3コーティングの物理的性質

導電性 DLCコーティングの半導体検査用プローブへの応用
第5図

連続コンタクト試験後の 2 種類のプローブ先端について、SEM

Auプローブ

観察および Sn の EDXマッピング結果を第 5 図に示す。Auプロー
ブでは、頂点一様にSn が検出され、Sn が付着した部分では表面粗さが増加している。一方、C3プローブは頂点にSn が検出されなフリーはんだプレート、の抵抗値の傾向を示した。
しかしながら、接触安定性評価後のプローブ先端

C3プローブでは、Pd めっきプレート、Au めっきプレートが相手抵抗値が高くなることが確認された。相手材により高い接触抵抗

SEM像（Top view）

Topview

い領域がみられ、Auプローブで見られたような表面形態の粗さはられていることがわかる。
これらの効果の詳細については、次項以Pbフリーはんだプレートにくらべて硬質のため実効的な接触面積降で説明する。

Sn L

20µm

Pbフリーはんだ触時の模式図を示す。各端子材のビッカース硬度から、ビッカースSn L程度小さい。接触面は大きく塑性変形し、実効的な接触面積は広第9図

くなる一方、相対的に硬質なAuめっきにプローブが接触しても変のはんだ接触箇所には微量の Sn が一時的に付着・残留する可昇はわずかであるが、比抵抗値の高い C3コーティングの場合、接端形状のプローブを適用した場合、C3コーティングは実効的な接1stコンタクト能性がある。2 回目以降のコンタクトでは、プローブ先端が突き刺第 5 図の EDXマッピングのような特徴的な残留 Sn 分布となる。
こ

Pbフリーはんだれをセルフ・クリーニング効果と呼んでいる。
この効果により、C32ndコンタクト以降のため、硬質な相手材に対しては、プローブ先端を丸くすることや、微量のSnC3コーティングに排斥される。
これを繰り返すことではんだは先端から排斥され、多頂点にして実効的な接触面積を増やす工夫が有効である。

5.2

C3コーティングに望ましいプローブ先端形状

第 9 図に、Snめっきプレートに85℃、10 万回コンタクトさせた実現することが可能となる。

後のプローブの先端を観察した結果を示す。
この時、先端が比較的丸いAuめっきプローブにC3をコーティングしたものと、先端がSnの排斥尖鋭なPd 合金プローブにC3コーティングしたものを比較した。

第10 図

C3コーティングしたAuめっきプローブでは4 頂点全てで Sn が排Pd 合金プローブでは左下の頂点を除き先端まで Sn が検出されている。SEM 像を比較すると先端の丸みが違っており、頂点部のD-5 C3コーティング活用のための注意点面積に差があることがわかる。
はんだの排斥は主に頂点の比較的丸い場所（φ20μｍ程度の領域）でみられ、C3コーティングした
Pd 合金プローブも左下の頂点のごくわずかな領域（φ5μｍ程度

半導体検査プローブは半導体パッケージのタイプに応じた多種

荷重 25gf が得られる適正ストローク量 0.65mm 時の接触抵抗多様なものがあり、その全てにおいてC3コーティングが万能とい値を取得した。未処理の Auめっきプローブ、C3プローブともに、の領域）
ではんだ排斥を確認できる。C3コーティングを適用するこうわけではない。C3コーティングの課題を理解すれば、適用の幅

Pdめっきプレートの抵抗値＞Auめっきプレートの抵抗値＞鉛とで、低い接触抵抗値で安定させるのに有効な形状は、はんだ排を広げることができ、またC3コーティングのはんだ排斥の効果を斥の領域を広く確保できる先端が比較的丸いプローブが望ましい

さらに高めることも期待できる。DLC 膜が持つ高い硬度とはんだことがわかる。

成分（Sn）の転写抑制の特長をもつが、本来絶縁性の材料という180160があるので注意が必要である。

1405.1C3コーティングの硬質端子への適用性

相手端子材の材種を変えて測定した接触抵抗値を第 7 図に示（Sn-3.0Ag-0.5Cu：SAC305）、す。相手端子材は①Pbフリーはんだ②Auめっきプレート（CuプレートにAuめっき）、③Pdめっきプレート（CuプレートにPdめっき）とし、C3コーティングしたプロー
ブと従来の Auめっきプローブ（未処理）を各端子材に接触させ、15 こべるにくす OCT. 2021

No.53

接触抵抗値[mΩ]

ローブの使用状況によっては、これが問題として顕在化する場合

・はんだ端子のＩＣ向け全般

・低抵抗・低荷重プローブ（ＷLCSP 向けなど）
グレードＣ（低抵抗グレード） ・斜面部の平滑性向上 ・Pd 合金プローブとの組み合わせ
グレードＥ
酸化抑制
グレード

（）

・膜表面の酸化抑制

グレードＢ
・非磁性（非磁性グレード）・長時間（60 秒以上）テスト（メモリ、SLT（System Level Test）など）
・硬質端子（非はんだ端子）…Au めっき端子、ＰＰＦなど
・磁気センサーテストなど

ドを商品化している。

AuプローブC3プローブ
114mΩ

120

グレードＲ・標準グレード（汎用グレード）

主な用途

まな用途に幅広くC3コーティングを適用できるよう、4 つのグレー200〜２桁高い。
コーティングの際の膜は薄いため抵抗値は低いが、プグレードの説明と特徴

第 10 図にC3コーティングの種類を紹介する。
当社では、さまざ異なる相手端子材との接触抵抗値

第7図

C3コーティングのグレード

グレード

斥されたプローブ表面となっているのに対し、C3コーティングしたこともあり、導電性を付与しても膜の比抵抗値は金属膜に対し１C3 on Pd合金プローブ（先端が尖鋭）触面積が小さくなり膜比抵抗の高さが顕在化するからである。
そプローブ
先端さる際に、1 回目に付着した微量の Sn が先端から剥離され斜面部

コーティングでは、長期間接触が安定し、プローブの長寿命化を触抵抗値が上昇する。
これは、硬度の高い端子材に対して同じ先はんだ排斥の推定メカニズム

第6図C3 on Auめっきプローブ（先端が比較的丸い）

形は小さく実効的な接触面積は小さくなる。
このとき、プローブ先端が Auめっきの場合は比抵抗値が小さいため、接触抵抗値の上プローブ先端形状の影響

Sｎ
EDX マッピング

式図を示す。
はんだにプローブ先端が突き刺さると、プローブ先端

Pdめっき（Hv 約500）

SEM像（１頂点）

第 6 図にC3コーティングのはんだ排斥の推定メカニズムの模Auめっき（Hv 約200）

Pdめっきプレートの接触面積の差が生じるものと考えられる。Pbフリーはんだは、Auめっきや Pdめっきにくらべて柔らかく、ビッカース硬度で一桁D-4 C3コーティングのセルフ・クリーニング効果

Auめっきプレート

SAC305（Hv 12-16）圧子による圧痕の表面積の比率は、Pdめっき：Auめっき：はんだ＝1.0：2.5：35.7となるが、プローブとの接触においても同様

Sn排斥
20µm

異なる相手端子材との接触模式図

プローブ
先端が観測される理由は、Au めっきプレートとPd めっきプレートは、が減少するためと考えられる。第 8 図にプローブの相手材ごとの接プローブ
先端EDXマッピング（Sn）

Dの接触抵抗値が、Pbフリーはんだ相手のそれよりも顕著に接触C3プローブみられず、プローブ先端形状が維持されている。
このように、C3コーティングによってSn 転写の抑制と先端形状維持の効果が得

第8図

Technical Report125mΩ

100

本稿では、半導体検査プローブ先端への Sn の転写と先端形状変化に対するソリューションとして、C3コーティングの特長と有効に80活用するための注意点について紹介した。C3コーティングは、Pbフリーハンダ端子や純 Snめっき端子の半導体パッケージの電気特性

604020034mΩ

42mΩ

46mΩ

検査において有効な方策であり、さらに装置稼働率の改善に寄与するものと考える。

Pdめっき（Hv 約500）

参考文献

26mΩ

SAC305（Hv 12-16）

Auめっき（Hv 約200）

相手端子材＊1）Thaddeus B. Massalsky： The Materials Information Society

こべるにくす OCT. 2021

No.5316