JP2020143976A - 電気的接続装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブヘッドのガイド板に設けたガイド穴でのプローブの摺動に起因するプローブの損傷を抑制できる電気的接続装置を提供する。【解決手段】電気的接続装置１は、プローブ１０と、トップガイド板２１とボトムガイド板２２との間でボトムガイド板２２に近く配置されてプローブ１０が貫通するミドルガイド板２３を有するプローブヘッド２０とを備える。トップガイド板２１とミドルガイド板２３とではプローブ１０が貫通するガイド穴の位置がずらして設けられており、プローブ１０がトップガイド板２１とミドルガイド板２３の間で湾曲した状態で保持され、プローブ１０は、先端部が被検査体と接触することにより座屈したプローブにかかる応力が最大である最大応力箇所よりも、最大応力箇所を除いた領域において湾曲し易い構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検査体の電気的特性の測定に使用される電気的接続装置に関する。

集積回路などの被検査体の電気的特性をウェハから分離しない状態で測定するために、被検査体に接触させるプローブを有する電気的接続装置が用いられている。この電気的接続装置を用いる測定では、プローブの一方の端部を被検査体に接触させ、プローブの他方の端部をプリント基板などに配置された電極パッドに接触させる。電極パッドは、テスタなどの測定装置と電気的に接続されている。

プローブは、ガイド板が配置されたプローブヘッドに、ガイド板に設けたガイド穴にプローブが貫通した状態で保持される。通常、プローブヘッドには、プローブの軸方向に沿って複数のガイド板が配置されている。例えば、最上段のガイド板と最下段のガイド板との間に、隣接するプローブ同士が接触しないように複数のガイド板を配置する構造が使用される。

複数のガイド板を有するプローブヘッドにおいて、ガイド板のガイド穴の位置を相互にずらして配置することにより、プローブヘッドの内部でプローブが斜めに保持される（特許文献１参照。）。この構成により、プローブを被検査体に接触させたときにプローブが座屈し、プローブと被検査体を安定した圧力で接触させることができる。

特開２０１５−１１８０６４号公報

しかしながら、被検査体に接触した状態と非接触の状態との間でプローブがガイド穴の内部を摺動することにより、プローブの側面がガイド穴の開口部で擦られる。その結果、プローブが損傷する問題が生じている。

上記問題点に鑑み、本発明は、プローブヘッドのガイド板に設けたガイド穴でのプローブの摺動に起因するプローブの損傷を抑制できる電気的接続装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、測定時に先端部が被検査体と接触するプローブと、プローブの基端部に近い領域が貫通するトップガイド板、トップガイド板よりもプローブの先端部に近い領域が貫通するボトムガイド板、及びトップガイド板とボトムガイド板との間でボトムガイド板に近く配置されてプローブが貫通するミドルガイド板を有するプローブヘッドとを備え、トップガイド板の主面の面法線方向からみてトップガイド板とミドルガイド板とではプローブが貫通するガイド穴の位置がずらして設けられており、プローブがトップガイド板とミドルガイド板の間で湾曲した状態で保持され、プローブが、先端部が被検査体と接触することにより座屈したプローブにかかる応力が最大である最大応力箇所よりも、最大応力箇所を除いた領域において、先端部が被検査体と接触した際に湾曲し易い構造を有する電気的接続装置が提供される。

本発明によれば、プローブヘッドのガイド板に設けたガイド穴でのプローブの摺動に起因するプローブの損傷を抑制できる電気的接続装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置のプローブの構成を示す模式図である。 図２のIII−III方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置のプローブの湾曲した状態を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置のプローブと比較例のプローブの座屈した状態を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置のプローブの座屈した状態を示す模式図である。 図６のＶII−ＶII方向に沿った断面図である。 比較例のプローブヘッドの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る電気的接続装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気的接続装置のプローブの構成を示す模式図である。 本発明のその他の実施形態に係る電気的接続装置のプローブの構成を示す模式的な断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。

（第１の実施形態）
図１に示す第１の実施形態に係る電気的接続装置１は、被検査体２の電気的特性の測定に使用される。電気的接続装置１は、プローブ１０と、プローブ１０を保持するプローブヘッド２０を備える。

図１では図示を省略しているが、図２に示すように、プローブ１０の側面に括れ１１が形成されている。図３に示すように、プローブ１０の軸方向に垂直な断面の形状（以下、「断面形状」という。）が矩形状であり、図３に示した括れ１１は、プローブ１０の側面の全周に渡って形成されている。

プローブヘッド２０は、プローブ１０の基端部に近い領域が貫通するトップガイド板２１、トップガイド板２１よりもプローブ１０の先端部に近い領域が貫通するボトムガイド板２２を有する。トップガイド板２１とボトムガイド板２２との間に、プローブ１０が貫通するミドルガイド板２３が配置されている。プローブ１０の貫通している部分に、図１では図示を省略したガイド穴がトップガイド板２１、ボトムガイド板２２及びミドルガイド板２３にそれぞれ形成されている。

プローブヘッド２０では、トップガイド板２１とボトムガイド板２２との間に中空領域２００を構成するために、トップガイド板２１の外縁領域とボトムガイド板２２の外縁領域との間にスペーサ２４が配置されている。中空領域２００の内部におけるボトムガイド板２２に近い側に、板状のミドルガイド板２３が配置されている。

トップガイド板２１の主面の面法線方向からみて（以下、「平面視」という）、同一のプローブ１０が貫通するトップガイド板２１のガイド穴とミドルガイド板２３のガイド穴の位置は、主面と平行にずらして配置されている（以下において「オフセット配置」という。）。一方、ボトムガイド板２２のガイド穴とミドルガイド板２３のガイド穴の位置は、平面視で略一致している。図１に示した例では、トップガイド板２１のガイド穴に対して、ミドルガイド板２３及びボトムガイド板２２のガイド穴が紙面の左側にずらして配置されている。オフセット配置により、中空領域２００の内部でトップガイド板２１とミドルガイド板２３の間で、プローブ１０は弾性変形によって湾曲している。

被検査体２の測定時に、プローブヘッド２０のボトムガイド板２２の下面に露出したプローブ１０の先端部が、電気的接続装置１の下方に配置された被検査体２の検査用パッド（図示略）と接触する。図１では、プローブ１０が被検査体２に接触していない状態を示している。電気的接続装置１は垂直動作式プローブカードであり、例えば被検査体２を搭載したチャック３が上昇して、プローブ１０の先端部が被検査体２に接触する。

図１に示す電気的接続装置１は、電極基板３０を更に備える。プローブヘッド２０のトップガイド板２１の上面に突出したプローブ１０の基端部が、プローブヘッド２０に対向する電極基板３０の下面に配置された電極パッド３１と接続する。

電極基板３０の電極パッド３１は、電極基板３０の内部に配置された配線（図示略）によって、電極基板３０の上面に配置された接続パッド３２と電気的に接続されている。接続パッド３２は、図示を省略するＩＣテスタなどの検査装置と電気的に接続される。プローブ１０を介して、検査装置によって被検査体２に所定の電圧や電流が印加される。そして、被検査体２から出力される信号がプローブ１０を介して検査装置に送られ、被検査体２の特性が検査される。

トップガイド板２１のガイド穴とミドルガイド板２３のガイド穴とがオフセット配置されていることにより、基端部が電極パッド３１に接続されたプローブ１０の先端部が被検査体２と接触すると、中空領域２００においてプローブ１０が座屈する。即ち、トップガイド板２１とミドルガイド板２３との間で、たわみ変形によりプローブ１０が更に大きく湾曲する。このとき、プローブ１０のそれぞれがミドルガイド板２３に保持されていることにより、中空領域２００で隣接するプローブ１０が相互に接触することが防止される。

上記のように、プローブ１０が被検査体２に接触していない非接触状態における湾曲形状から、プローブ１０が被検査体２に接触した状態における更に湾曲した形状にプローブ１０が座屈することにより、所定の圧力でプローブ１０が被検査体２に接触する。即ち、オフセット配置により、プローブ１０を用いて被検査体２の電気的特性を安定して測定することができる。被検査体２の電気的特性を測定した後、被検査体２を搭載したチャック３が下降することにより、プローブ１０と被検査体２とは非接触状態になる。

プローブ１０は、プローブ１０と被検査体２とが非接触状態になると、被検査体２に接触する前の形状に復帰する弾性を有する。プローブ１０の材料には、タングステン（Ｗ）などが使用される。或いは、銅（Ｃｕ）合金、パラジウム（Ｐｄ）合金、ニッケル（Ｎｉ）合金、Ｗ合金などがプローブ１０の材料に使用される。

図４に示すように、プローブ１０は、トップガイド板２１のガイド穴２１０、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０、ボトムガイド板２２のガイド穴２２０を貫通して、プローブヘッド２０に保持されている。プローブ１０と被検査体２が接触した場合に、プローブ１０は先端部から軸方向に押圧を受ける。このとき、図４に示すトップガイド板２１に近い領域Ａ、トップガイド板２１とミドルガイド板２３の中間に近い領域Ｂ、ミドルガイド板２３に近い領域Ｃの３箇所に、プローブ１０の歪みが集中する。このときにプローブ１０にかかる応力が最大の箇所（以下において、「最大応力箇所」という。）は、領域Ｂである。

プローブ１０の側面に形成されている括れ１１は、プローブ１０と被検査体２が接触した状態における最大応力箇所を除いた残余の領域に形成される。このように括れ１１を最大応力箇所以外の領域に形成することにより、プローブ１０と被検査体２が接触した状態において、プローブ１０の最も湾曲する位置が基端部の側（紙面の上方）に移動する。

図５に、第１の実施形態に係る電気的接続装置１のプローブ１０の座屈した状態と、括れ１１を形成していない比較例のプローブ１０Ａの座屈した状態を示した。図５に示すように、破線で示した比較例のプローブ１０Ａに対して、プローブ１０では、最も湾曲する位置がミドルガイド板２３から離れる方向に移動している。

被検査体２に接触した状態と非接触の状態との間で、プローブ１０やプローブ１０Ａはトップガイド板２１のガイド穴２１０、ボトムガイド板２２のガイド穴２２０、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部を摺動する。基端部が電極パッド３１に押し当てられているため、プローブ１０やプローブ１０Ａのトップガイド板２１のガイド穴２１０の内部を摺動する距離は短い。一方、プローブ１０やプローブ１０Ａのボトムガイド板２２のガイド穴２２０やミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部を摺動する距離は長い。

このとき、図５に示すように、比較例のプローブ１０Ａは、領域Ｃでのプローブ１０Ａの歪みの影響により、ミドルガイド板２３の主面に対して斜めにガイド穴２３０を貫通する。このため、プローブ１０Ａがミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部を摺動することにより、プローブ１０Ａの側面がガイド穴２３０の開口部で擦られる。その結果、プローブ１０Ａが損傷する。

一方、プローブ１０は、図５に示すように、ミドルガイド板２３の主面に対して垂直に近い方向に沿ってミドルガイド板２３のガイド穴２３０を貫通する。つまり、ガイド穴２３０の中心線と略平行に、プローブ１０がガイド穴２３０の内部を摺動する。したがって、プローブ１０がガイド穴２３０の内部を摺動した場合にも、プローブ１０の側面がガイド穴２３０の開口部で擦られて損傷することが抑制される。

括れ１１は、座屈したプローブ１０の最も湾曲する位置が基端部の側に移動するように、プローブ１０に形成される。例えば、プローブ１０の材料や、被検査体２の検査用パッドや電極パッド３１とプローブ１０との間の安定した接触に必要な圧力の大きさなどに応じて、括れ１１の幅や深さなどのサイズ、プローブ１０における位置、形成される個数などが設定される。

例えば、図４に示した領域Ｂと領域Ｃとの間に位置するように、括れ１１をプローブ１０に形成する。更に、領域Ｂと領域Ａとの間にも括れ１１を形成してもよい。また、複数の括れ１１をプローブ１０の軸方向に沿って配置してもよい。

なお、図３ではプローブ１０の全周に渡って括れ１１が形成される例を示した。しかし、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の中心線と略平行にプローブ１０が貫通するのであれば、括れ１１を形成する範囲は任意に設定可能である。例えば、図６に示すようにプローブ１０が座屈する際に、プローブ１０の軸方向に伸縮する図７に示す面に括れ１１を形成してもよい。図７では、紙面の上方と下方に向いたプローブ１０の面に括れ１１が形成されている。

ところで、プローブ１０の側面がミドルガイド板２３のガイド穴２３０で擦られる場合には、ミドルガイド板２３の材料にセラミックなどの硬度の高い材料を使用するとプローブ１０が損傷しやすい。このため、ミドルガイド板２３の材料に、セラミックよりも硬度の低い材料である樹脂などのフィルムが使用されてきた。

しかし、樹脂などのフィルムはセラミックに比べて放熱性が低く、プローブ１０に発生した熱を外部に放出させることが難しい。また、プローブヘッド２０でプローブ１０を交換する場合などに、プローブヘッド２０を構成する各ガイド板のガイド穴を平面視で一致させる必要があるが、柔軟で変形しやすいフィルムをガイド板に使用するとガイド穴の位置合わせが困難である。

これに対し、第１の実施形態に係る電気的接続装置１では、プローブ１０の側面がミドルガイド板２３のガイド穴２３０で擦られることが抑制される。このため、ミドルガイド板２３の材料にセラミックを使用することができる。その結果、熱が発生したプローブ１０からの放熱が容易である。更に、硬度の高いセラミックを使用することにより、ガイド穴の位置合わせが容易であり、電気的接続装置１のメンテナンス性が向上する。

また、比較例のプローブ１０Ａを用いた電気的接続装置では、トップガイド板２１とボトムガイド板２２との間に複数のミドルガイド板を配置する必要がある。これは、断面形状が円形状のプローブを使用した場合などに、隣接するプローブ間の接触をプローブのたわみ方向を揃えることにより抑制する必要があるためである。

このため、例えば図８に示す比較例のプローブヘッド２０Ａのように、中空領域２００の内部におけるトップガイド板２１に近い側に第１ミドルガイド板２３１を配置し、ボトムガイド板２２に近い側に第２ミドルガイド板２３２を配置する。

これに対し、第１の実施形態に係る電気的接続装置１では、プローブ１０の断面形状が矩形状であるため、プローブヘッド２０に保持される複数のプローブ１０のたわみ方向が同一方向に統一される。このため、トップガイド板２１とボトムガイド板２２との間に配置するガイド板を、ミドルガイド板２３の１枚にすることができる。したがって、電気的接続装置１によれば、ミドルガイド板の枚数を減らし、プローブヘッド２０の構成部品の個数を減少させることができる。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置１では、プローブ１０が湾曲する部分の、最大応力箇所を除いた領域に括れ１１が形成されている。このため、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部を、ガイド穴２３０の中心線と略平行にプローブ１０が摺動する。これにより、プローブ１０がガイド穴２３０の開口部と点接触することが防止される。したがって、図１に示した電気的接続装置１によれば、プローブヘッド２０に設けたガイド穴でのプローブ１０の摺動に起因するプローブ１０の損傷を抑制できる。

＜変形例＞
図９に示すように、プローブ１０にストッパー領域１００を形成してもよい。ストッパー領域１００は、プローブ１０のボトムガイド板２２を貫通する領域よりも基端部の側に設けられた領域であり、ストッパー領域１００の外径はボトムガイド板２２のガイド穴２２０の内径よりも大きい。

図９に示したプローブ１０では、被検査体２の測定時にストッパー領域１００がボトムガイド板２２に突き当たる。このため、プローブ１０の基端部を電極パッド３１に強く押し当てるプリロードが可能である。これにより、プローブ１０と電極パッド３１との接触を安定させることができる。したがって、プローブ１０にストッパー領域１００を形成することにより、プローブ１０の先端部を被検査体２の検査用パッドに必要以上に強く押し当てることなく、プリロードが可能である。

なお、ストッパー領域１００がミドルガイド板２３に衝突してプローブ１０の摺動が阻害されないようにする。例えば、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内径をストッパー領域１００の外径よりも大きくして、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部でストッパー領域１００が移動するようにしてもよい。

図９には、ボトムガイド板２２を貫通する領域よりも基端部の側にストッパー領域１００を形成したプローブ１０の例を示した。しかし、ストッパー領域１００を形成する位置は図９に示した位置に限られず、被検査体２の測定時にトップガイド板２１、ボトムガイド板２２及びミドルガイド板２３のいずれかに当接する位置にストッパー領域１００を形成してもよい。例えば、トップガイド板２１を貫通する領域の近傍の、トップガイド板２１を貫通する領域よりも基端部の側でプローブ１０にストッパー領域１００を形成してもよい。この場合、被検査体２の測定時にトップガイド板２１にストッパー領域１００が当接し、プリロードを確実にすることができる。或いは、ミドルガイド板２３を貫通する領域の近傍の、ミドルガイド板２３を貫通する領域よりも基端部の側でプローブ１０にストッパー領域１００を形成してもよい。この場合、被検査体２の測定時にミドルガイド板２３にストッパー領域１００が当接し、プリロードを確実にすることができる。

プローブ１０は、フォトリソグラフィ技術、めっき、エッチング技術を用いたＭＥＭＳプロセスにより製作される。ストッパー領域１００は、ガラス製のマスクを使用するなどして、プローブ１０の本体と一体成形される。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る電気的接続装置１では、プローブ１０の機械的な硬度が、最大応力箇所を除いた領域よりも最大応力箇所において高い。このため、プローブ１０は、最大応力箇所よりも、最大応力箇所を除いた領域において、先端部が被検査体２と接触した際に湾曲し易い構造を有する。これにより、プローブ１０の全体が均一な硬度である場合に比べて、座屈したプローブ１０の最も湾曲する位置が基端部の側に移動する。その結果、第２の実施形態に係る電気的接続装置１によれば、ミドルガイド板２３のガイド穴２３０の内部を、ガイド穴２３０の中心線と略平行にプローブ１０が摺動する。

これに対し、第１の実施形態では、最大応力箇所を除いた領域でプローブ１０の側面に括れ１１を形成することにより、座屈したプローブ１０の最も湾曲する位置が基端部の側に移動する。つまり、側面に括れ１１を形成することにより、プローブ１０の構造を最大応力箇所よりも最大応力箇所を除いた領域において湾曲し易くしている。一方、第２の実施形態では、プローブ１０の硬度を最大応力箇所において他の領域よりも高くすることにより、最大応力箇所を除いた領域においてプローブ１０を湾曲し易くしている。このように、第２の実施形態では、プローブ１０の最も湾曲する位置を移動させるためのプローブ１０の構造が第１の実施形態と異なる。その他の構成については、第２の実施形態に係る電気的接続装置１と第１の実施形態は同様である。

図１０に示した第２の実施形態に係る電気的接続装置１のプローブ１０では、最大応力箇所の領域Ｂを含む一定の範囲の高硬度領域１５０において、プローブ１０の他の領域よりも硬度を高くしている。図１０に示したプローブ１０によれば、プローブ１０と被検査体２が接触した状態において、プローブ１０の最も湾曲する位置が、プローブ１０の全体を同じ硬度にした場合に比べてミドルガイド板２３から離れる方向に移動する。これにより、ガイド穴２３０の中心線と略平行に、プローブ１０がガイド穴２３０の内部を摺動する。したがって、プローブ１０がガイド穴２３０の内部を摺動した場合にも、プローブ１０の側面がガイド穴２３０の開口部で擦られて損傷することが抑制される。

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、図１１に示すように、プローブ１０の表面に絶縁コート材１５をコーティングしてもよい。これにより、隣接するプローブ１０同士が接触した場合にも、プローブ１０間での短絡を防止できる。絶縁コート材１５は、例えば樹脂などである。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…電気的接続装置
２…被検査体
１０…プローブ
１１…括れ
２０…プローブヘッド
２１…トップガイド板
２２…ボトムガイド板
２３…ミドルガイド板
３０…電極基板
３１…電極パッド
１００…ストッパー領域
１５０…高硬度領域

Claims (9)

1. 被検査体の電気的特性の測定に使用される電気的接続装置であって、
   測定時に先端部が前記被検査体と接触するプローブと、
   前記プローブの基端部に近い領域が貫通するトップガイド板、前記トップガイド板よりも前記プローブの前記先端部に近い領域が貫通するボトムガイド板、及び前記トップガイド板と前記ボトムガイド板との間で前記ボトムガイド板に近く配置されて前記プローブが貫通するミドルガイド板を有するプローブヘッドと
   を備え、
   前記トップガイド板の主面の面法線方向からみて、前記トップガイド板と前記ミドルガイド板とでは前記プローブが貫通するガイド穴の位置がずらして設けられており、前記プローブが前記トップガイド板と前記ミドルガイド板の間で湾曲した状態で保持され、
   前記プローブが、前記先端部が前記被検査体と接触することにより座屈した前記プローブにかかる応力が最大である最大応力箇所よりも、前記最大応力箇所を除いた領域において、前記先端部が前記被検査体と接触した際に湾曲し易い構造を有する
   ことを特徴とする電気的接続装置。
2. 前記トップガイド板と前記ミドルガイド板の間で、前記最大応力箇所を除いた領域において前記プローブの側面に括れが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続装置。
3. 前記プローブの全周に渡って前記括れが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気的接続装置。
4. 前記プローブが座屈する際に前記プローブの軸方向に伸縮する面に前記括れが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気的接続装置。
5. 前記プローブの機械的な硬度が、前記最大応力箇所を除いた領域よりも前記最大応力箇所において高いことを特徴とする請求項１に記載の電気的接続装置。
6. 前記プローブの軸方向と垂直な断面形状が矩形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気的接続装置。
7. 前記トップガイド板と前記ボトムガイド板との間に配置される前記ミドルガイド板の枚数が１枚であることを特徴とする請求項６に記載の電気的接続装置。
8. 前記プローブに、前記ガイド穴の内径よりも外径が大きいストッパー領域が形成され、
   前記被検査体の測定時に前記先端部が前記被検査体と接触することにより、前記ストッパー領域が前記トップガイド板、前記ボトムガイド板及び前記ミドルガイド板のいずれかに当接することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気的接続装置。
9. 前記プローブの前記ボトムガイド板を貫通する領域よりも前記基端部の側に、前記ボトムガイド板の前記ガイド穴の内径よりも外径が大きい前記ストッパー領域が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電気的接続装置。
   

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