JP4496456B2

JP4496456B2 - プローバ装置

Info

Publication number: JP4496456B2
Application number: JP2001312022A
Authority: JP
Inventors: 軍生木本
Original assignee: 軍生木本
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: KR20030020238A; TWI221904B; KR100606284B1; JP2003075503A; CN1407612A; CN1236483C; US6731123B2; US20030067315A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路端子（パッド）が平面状に配列された半導体ウエハ、半導体集積回路チップ、液晶デバイスなどの回路検査に使用可能であり、さらには２つの電子デバイス装置間の電気的接続あるいは回路端子が平面状に配列されているＣＳＰ（チップサイズパッケージ）用ソケットとの電気的接続等に使用可能なプローバ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体技術の進歩に伴って電子デバイスの集積度が向上し、半導体ウエハ上に形成される各半導体チップにおいても回路配線の占めるエリアが増加し、そのため、各半導体チップ上の回路端子（パッド）の数も増加し、それにつれてパッド面積の縮小化、パッドピッチの狭小化などによるパッド配列の微細化が進んでいる。同時にＣＳＰの検査に用いるソケットの接続端子配列も微細化している。
【０００３】
特に、パッド配列が微細化（狭ピッチ化）したことで問題となるのは、電子デバイスの電気的特性試験や回路検査の際に、半導体チップのパッドに接触させて電気的導通を得るための接触子（プローブ）の構造を微細化に合わせたものとしなければならないということであり、パッド配列の微細化の進歩に対応するために種々な手段が用いられている。
【０００４】
例えば、被検査半導体チップのパッドと検査装置との間に、外力に対して弾性的に変形する弾性変形部を有する薄板状材料からなる複数の接触子をエリア配列した接触子組立体（特開平２００１−０９１５３７号公報）を介在させる手段がある。このような接触子組立体と半導体チップの試験回路とを電気的に接続する手段として、従来、プローブカードと呼ばれるプリント配線基板が用いられている。
【０００５】
一般にプローブカードにおいて、片持梁のカンチレバー方式と称する方式の針状接触子を採用した場合においては、半導体チップのパッドと接触する接触子の先端部分は狭ピッチであるが、プローブカードの回路端子に接続している根元の部分はピッチを粗くできる関係から、接触子をプローブカードの回路端子に半田等の接続手段によって固着し、電気的導通を達成することが可能であった。
【０００６】
これに対し、接触子がプリント配線基板の回路端子に垂直に固定される垂直型接触子（例えば、特開平１−１８９９３２号公報）においては、半導体チップ上のパッドピッチとプリント配線基板上の回路端子ピッチとが同等のピッチ間隔で構成されることが必要となる。しかし、プリント配線基板では回路パターンを微細化することは困難であり、したがって回路端子の面積も広く、かつ配線幅も広くならざるを得ず、微細化が進むにつれて垂直型接触子を半導体チップのパッドピッチに合わせてプリント配線基板に垂直に固定することは不可能であった。
【０００７】
このように、プリント配線基板においては、平面的エリアが接触子と回路端子の他に配線によって占有され、基本的には回路端子の狭ピッチ化対応を妨げるように作用している。また、回路端子が格子状エリア配列型又は２列チドリ配列型などの場合には、内側にある回路端子から外側に電気的接続を達成する手段として多層プリント配線基板を用いる方法も存在しているが、多層化するためにはスルーホール（基板に垂直に開けられた穴）と称する層間の配線を電気的に接続する手段が必要になり、このスルーホールの占める空間が回路端子配列の狭ピッチ化を妨げる原因にもなっている。
【０００８】
また、多層基板のほかにも格子状エリア配列型の垂直型接触子に対応する接続方法として、接触子とプリント配線基板間を、電線を用いて半田付け手段で接続する方法がとられている。しかし、電線を細くし本数を増やしてみても半田付け可能なピッチ間隔には限界があるため、電線の本数も限界に達している。このように、いずれの方法も狭ピッチ化に対応することが難しいのみならず、多大な人的工数を必要とし、高価になる欠点を有していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、半導体チップ上のパッドの狭ピッチ化に対応して開発された垂直型接触子を用いたプローバ装置において、狭ピッチ化されて組み立てられた垂直型接触子と粗ピッチのままのプリント配線基板又はコネクターの接続端子との接続上の問題点を解決することによって、狭ピッチ化された半導体チップの電気的特性検査を容易にし、また、ＣＳＰ用ソケットとの接続や、電子デバイスと電子デバイスの接続などコネクターとしての使用も可能な多機能の要素を備えたプローバ装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被検査半導体チップにプローブを接触させ、プローブを介して検査装置との間で電気的接続を行うプローバ装置において、プローブに垂直型接触子を使用し、この垂直型接触子の複数本を規則的に配列して一体化した接触子組立体と、非導電性フレキシブルフィルムの表面に配線が接着形成されたフレキシブルフラットケーブルと、フレキシブルフラットケーブルの一端を固定する固定装置とを有し、固定装置に固定されたフレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子と接触子組立体とを接触させ、他端に形成された配線端子をプリント配線基板又はコネクターに接続させ、接触子組立体とフレキシブルフラットケーブルとプリント配線基板又はコネクターを介して被検査半導体チップと検査装置とが電気的に接続される構成となっている。
【００１１】
また、本発明は、規則的に配列された垂直型接触子が、フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子の端面に垂直に接触する構成であり、また、フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子の配列は、規則的に配列された垂直型接触子の配列に対応している構成であり、また、フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子の配列は線配列であり、また、一端に配線端子が線配列されたフレキシブルフラットケーブルを複数本集合させ、配線端子のエリア配列を構成している。
【００１２】
また、本発明は、フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子が、フレキシブルフラットケーブルを構成する非導電性フレキシブルフィルムの一端面より若干突き出して構成され、また、フレキシブルフラットケーブルは一端が幅狭部となり他端が幅広部となる帯状を有し、幅狭部に形成される狭ピッチの配線と幅広部に形成される粗ピッチの配線とがそれぞれ連結されて構成されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す図で、プローバ装置の概略構造を示す斜視図である。また、図２は図１の中央部分の拡大詳細図である。
【００１７】
図１及び図２に示すプローバ装置は、下記の各部分から構成されている。１は導電性材料からなり途中に湾曲部６を有する垂直型接触子、５は複数の垂直型接触子１を一体化した線配列型の接触子組立体５ａ、２は非導電性のフレキシブルフィルムに形成された銅箔などの配線パターンを有するフレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＦＣと略称する）、３はＦＦＣの一端を固定する固定装置、４はＦＦＣの他端を接続するプリント配線基板である。なお、ＦＦＣならびに固定装置は４方向に向けて設置されるが、図面では一部を省略している。また、各構成部分のさらに詳細な説明は、以下の図面を用いて説明する。
【００１８】
図３は本発明に用いる垂直型接触子の構造ならびに配置構成を示す拡大図である。図３に示すように、垂直型接触子１はベリリウム銅などの導電性かつ機械的強度の高い板状あるいは針状の材料で形成され、中間部にＵ字型の湾曲部６を設けて弾力を持たせ、垂直方向に加わる外力を吸収できる構造となっている。湾曲部６以外は垂直に形成され、上部先端７及び下部先端８は尖った形状としている。この複数本の垂直型接触子１は、図示していない支持基板にそれぞれ固定されて接触子組立体５ａとして一体化され、この接触子組立体５ａは、これも図示していない移動機構によって、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向ならびにθ方向への移動による位置決めが可能である。
【００１９】
この垂直型接触子１は、上部先端７が半導体チップ（図示せず）のパッドと接触できるように構成されており、半導体チップのパッド配列及びピッチに合わせて配列組立されている。ここでは、半導体チップが形成された半導体ウエハを吸着手段等によりパッドが下向きとなるように上方にセットして使用する場合について説明しているが、天地を逆にして使用することももちろん可能である。また、ここでは、半導体チップのパッドが直線状に１列に並んだ場合（線配列型）に用いる接触子組立体５ａについて説明しているが、複数列に並んだ場合（エリア配列型）については後の第２の実施の形態で説明する。
【００２０】
一方、垂直型接触子１の下部先端８は、ＦＦＣ２の一端部端面から突出する配線端子９ａの端面（切断面）と接触するようにし、垂直型接触子１とＦＦＣ２との電気的導通を可能としている。そのためのＦＦＣ２の構造について、次に説明する。
【００２１】
図４は本発明に用いるフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）の構造を示す斜視図である。図４に示すように、ＦＦＣ２は、ポリイミドフィルムなどの非導電性フレキシブルフィルム１０の一面にベリリウム銅などの箔を貼着し、エッチング等で所望の配線１１を形成して一体化されている。ＦＦＣ２は一端が幅狭部１２を有し、他端が幅広部１３を有する帯状に形成され、垂直型接触子１と対向する幅狭部１２には垂直型接触子１と同じ狭ピッチ配列で配線１１が形成され、配線１１の先端の配線端子９ａとなる部分はフレキシブルフィルム１０の端面から若干突出している。これは垂直型接触子１と配線端子９ａとの間で良好な電気的導通を確実にするためである。また、フレキシブルフィルム１０の他端の幅広部１３には、粗ピッチ配列で配線１１が形成され、配線１１の先端は幅広部１３の端面から大きく突出して配線端子９ｂとなり、プリント配線基板やコネクター端子と接続される。この突出した配線端子９ｂは、図４では２グループに分かれているが特にこのような形状に限定するものではない。さらに、必要に応じてフレキシブルフィルム１０の両面に銅箔を貼り付けて配線１１を両面に形成することももちろん可能である。
【００２２】
このＦＦＣ２の持つ重要な機能は、狭ピッチ配線の形成が容易であること、狭ピッチから粗ピッチへと配線ピッチを変換できること、また、配線の方向を自在に変換できること、さらにポリイミドフィルム等のフレキシブルフィルムと配線を一体化することによって、製造の簡素化、取り扱いの利便性の向上、配線全体の強度強化を図るなどがあげられる。
【００２３】
図５は本発明におけるＦＦＣの固定方法ならびにＦＦＣと垂直型接触子の接続方法を説明する固定装置の側面図である。図５に示すように、固定装置３はＦＦＣ２を押し当ててクランプするための固定用ブロック１４とクランパー１５、クランパー１５を開閉させるためのネジ１６などから構成されている。なお、固定装置３は非導電性材料で構成されている。
【００２４】
まず、ＦＦＣ２の一端の幅狭部１２を、配線１１が形成されている面を固定用ブロック１４に向けて当接させ、ネジ１６でクランパー１５を回動させてＦＦＣ２を固定用ブロック１４に押し付けてクランパー１５で固定する。この際、ＦＦＣ２の固定位置としては、フレキシブルフィルムの端面を固定用ブロック１４の上面位置に合わせ、上面の各辺に沿って１列に配線端子９ａとなる部分を固定用ブロック１４の上面からわずかに突出させて位置させる。同様にして固定用ブロック１４の４方向（図５では１方向のみ記載）にＦＦＣ２を固定する。これにより、半導体チップの４辺に線配列されたパッドピッチと全く同一のピッチを有する配線端子９ａが固定用ブロック１４の４辺周囲に形成され、ＦＦＣ２と固定装置３とで接触子接続構造体を構成している。
【００２５】
次に、これも半導体チップのパッドピッチと全く同一のピッチで一体に組み立てられた垂直型接触子１の接触子組立体５ａを配線端子９ａに位置合わせし、垂直型接触子１の下部先端８と配線端子９ａとを弾力的に接触させる。一方、一端の幅狭部１２が固定装置３に固定されたＦＦＣ２は、変形が自由であるためクランパー１５の下を潜り抜けて他端側は図１で示したようにプリント配線基板４に達し、図４に示した幅広部１３側に粗ピッチで配列形成された配線端子９ｂを半田あるいは熱圧着により接続する。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。実施の形態１では、半導体チップ上に線配列された狭ピッチパッドに対応した接続が可能な接触子組立体を有するプローバ装置について言及してきたが、本実施の形態では、半導体チップ上にパッドをエリア配列（面配列）した場合に使用可能な接触子組立体を有するプローバ装置について説明する。
【００２７】
図６は本実施の形態における固定装置を示す斜視図、また、図７はその分解斜視図である。本実施の形態では、パッドが格子状にエリア配列された半導体チップの検査などに使用可能な接触子組立体を備えている。図６、図７では、パッドが４列８行の場合を示している。エリア配列型の接触子組立体５ｂは、パッドピッチに合わせた３２本の垂直型接触子１の組立体であり、組立構造、可動手段などは第１の実施の形態で示した線配列型接触子組立体５ａと同じであるので説明は省略する。また、垂直型接触子１の形状や材質も同じであるが、配置が密となるため湾曲部が互いに接触しないように、必要に応じて上下位置や向きを変えて配置することが求められる。また、ＦＦＣ２も形状や材質が同じであるが、固定手段や配置の状態が異なるので以下に説明する。
【００２８】
ＦＦＣ２の固定には、非導電性材料で構成されるフラット配線分離固定装置１７と、同じく非導電性材料で構成されるフラット配線位置決め固定装置１８が用いられる。フラット配線分離固定装置１７には、半導体チップのパッド配列に合わせた位置に４行のスリット１９が開けられ、スリット１９の幅及び長さは、ＦＦＣ２の幅狭部１２がちょうど嵌る寸法とする。また、フラット配線位置決め固定装置１８には、４行８列の３２個の小孔２０が開けられ、小孔２０の大きさはＦＦＣ２の幅狭部１２の端面からわずか突出して形成されている配線端子９ａがちょうど嵌る大きさとする。そして、フラット配線分離固定装置１７及びフラット配線位置決め固定装置１８は、図示していない支持部材にスリット位置と小孔列位置を合わせて取り付けられている。また、小孔２０の配列は、必要に応じて格子状あるいは列をずらしてチドリ状としてもよい。
【００２９】
このように構成されている固定装置にＦＦＣ２を固定する方法について説明する。まず、ＦＦＣ２を４本準備し、それぞれフラット配線分離固定装置１７の下側からＦＦＣ２の一端の幅狭部１２をスリット１９に通し、さらに、その上部に設けられているフラット配線位置決め固定装置１８の小孔２０に配線端子９ａを差し込み、配線端子９ａの先端をフラット配線位置決め固定装置１８の上面からわずか突出させることによって位置決めがなされる。この状態でスリット１９に接着剤を充填してＦＦＣ２を固定させ、接触子接続構造体を組立る。なお、本実施の形態では、固定装置としてフラット配線分離固定装置１７およびフラット配線位置決め固定装置１８の両方をを用いる場合を説明しているが、必要に応じていずれか一方でも良い。図７はフラット配線位置決め固定装置１８のみを用いた場合を示す。
【００３０】
このようにして格子状またはチドリ状にエリア配列された配線端子９ａに接触子組立体５ｂを位置合わせして接触させる。図８はこの接触状態を示す部分拡大断面図で、配線端子９ａの端面（切断面）に垂直型接触子１の下部先端８を接触させ、電気的導通を達成する状態を示している。配線端子９ａの先端はフラット配線位置決め固定装置１８の上面よりわずか突き出しているため、垂直型接触子１との間で良好な電気的接続が可能である。
【００３１】
一方、ＦＦＣ２の他端側がプリント配線基板に接続される状態を、図９の拡大斜視図を用いて説明する。一端の幅狭部がそれぞれフラット配線分離固定装置１７に固定された４枚のＦＦＣ２は、フラット配線分離固定装置１７の下側からそれぞれプリント配線基板４に向けて延在され、他端の幅広部１３はそれぞれ端部位置をずらして重ね合わされ、幅広部１３の端部から粗ピッチで露出している配線端子９ｂが４行８列になるように配列させる。この配列は、格子状でも良いし半田付け性を考慮してチドリ配列としても良い。図９はチドリ配列を示している。また、ＦＦＣ２は重ね合わせてもフレキシブルフィルムと配線が交互に積層されるので電気的には全く問題がない。
【００３２】
この粗ピッチに配列されたＦＦＣ２の配線端子９ｂが接続されるプリント配線基板４には、下面側にこの配線端子９ｂと接続するための接続端子２１が配線端子９ｂとピッチ配列を合わせて設けられている。そして、積層された幅広部１３の端面より露出した配線端子９ｂはフレキシブルフィルムの厚さ分だけ段差となって配列されているため、配線端子９ｂを上に反らすなどして段差を解消し、プリント配線基板４側の接続端子２１との電気的接続を容易にしている。
【００３３】
このように構成されたＦＦＣの粗ピッチ配線端子とプリント配線基板側の接続端子とを位置合わせし、半田付けあるいは熱圧着などで接続する。これにより、エリア配列型の接触子組立体を用いたプローバ装置においても、プリント配線基板との電気的接続を容易に行うことができる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照して説明する。今まで述べてきた第１と第２の実施の形態では、被検査半導体チップからの信号をプローブ、ＦＦＣ、プリント配線基板を介して試験装置に電気的接続する構成について説明してきたが、本実施の形態では、プリント配線基板に替ってコネクターを介在させ、プローブ、ＦＦＣ、コネクターを介して試験装置に電気的接続する構成としたものである。
【００３５】
図１０は第３の実施の形態を示す図で、コネクターが接続されたＦＦＣを示す斜視図である。ＦＦＣ２の構成や固定方法については、既に図４等で詳細に説明してあるのでここでは省略する。コネクター２２は一般に用いられているものでよく、ＦＦＣ２の幅広部１３に形成されている粗ピッチ配線端子との間で半田接続が可能であれば問題はない。また、図３では、２個の雌型のコネクター２２が並列に接続されているが、これは２個に限るものではない。また、図２に示したようにＦＦＣが４方向に配列される場合は、それぞれのＦＦＣにコネクターを接続してもよいし、ＦＦＣのフレキシビリティを利用して１本にまとめ、１個のコネクターに集合させてもよい。いずれにしても、被検査体と試験装置の間にコネクターを介在させたことによって、配線の集合や分岐の自由度を大幅に向上させることができる。その結果、狭ピッチの回路端子を有する２個の電子デバイス同士を、コネクターを介することによって接続することも可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明のプローバ装置によれば、ＦＦＣの持つ機能を生かすことによって、次のような効果が得られる。すなわち、ＦＦＣ上に狭ピッチで形成された配線端子の端面（断面）をそのまま利用して、垂直型接触子の接続点となる接触子接続構造体をＦＦＣの一端を固定装置に固定するだけで組み立てられるようにしたことである。また、この接続点につながる配線をＦＦＣ上で狭ピッチから粗ピッチへと変換することによって、プリント配線基板又はコネクターへの接続を容易に行えるようにしたことである。
【００３７】
その結果、平面状に回路端子（パッド）が狭ピッチで配列された半導体ウエハ、半導体集積回路チップ、液晶デバイスなどの回路検査はもちろん、コネクター機能を利用することによって２つの電子デバイス間の電気的接続あるいは回路端子が平面状に配列されているＣＳＰ用ソケットとの電気的接続等、広い応用範囲にわたって使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の中央部分の拡大図である。
【図３】第１の実施の形態に用いる線配列型接触子組立体の構成を説明する斜視図である。
【図４】本発明に用いるＦＦＣの構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示す図で、ＦＦＣ固定装置の側面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す図で、ＦＦＣ固定装置を説明する斜視図である。
【図７】図６の分解斜視図である。
【図８】第２の実施の形態に用いるエリア配列型接触子組立体の構成を示す拡大断面図図である。
【図９】第２の実施の形態を示す図で、ＦＦＣとプリント配線基板との接続構造を示す斜視図である。
【図１０】第３の実施の形態を示す図で、ＦＦＣとコネクターとの接続構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１垂直型接触子
２ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）
３固定装置
４プリント配線基板
５ａ線配列型接触子組立体
５ｂエリア配列型接触子組立体
６湾曲部
７上部先端
８下部先端
９ａ狭ピッチ配線端子
９ｂ粗ピッチ配線端子
１０フレキシブルフィルム
１１配線
１２幅狭部
１３幅広部
１４固定用ブロック
１５クランパー
１６ネジ
１７フラット配線組立分離固定装置
１８フラット配線位置決め固定装置
１９スリット
２０小孔
２１接続端子
２２コネクター

Claims

被検査半導体チップにプローブを接触させ、プローブを介して検査装置との間で電気的接続を行うプローバ装置において、プローブに垂直型接触子を使用し、この垂直型接触子の複数本を規則的に配列して一体化した接触子組立体と、非導電性フレキシブルフィルムの表面に配線が接着形成されたフレキシブルフラットケーブルと、フレキシブルフラットケーブルの一端を固定する固定装置とを有し、固定装置に固定されたフレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子と接触子組立体とを接触させ、前記フレキシブルフラットケーブルの他端に形成された配線端子をプリント配線基板又はコネクターに接続させ、接触子組立体とフレキシブルフラットケーブルとプリント配線基板又はコネクターを介して被検査半導体チップと検査装置とが電気的に接続され、
規則的に配列された垂直型接触子の下部先端が、フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子の端面に垂直に当接して接触せしめられ、且つ、
前記垂直型接触子は、上部先端と下部先端の中間部にＵ字型の湾曲部を設けて弾力を持たせ、垂直方向に加わる外力を吸収できる構造となっており、当該垂直型接触子の弾性変形方向もまた前記フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子の端面に垂直になるよう設定されていることを特徴とするプローバ装置。
一端に配線端子が線配列されたフレキシブルフラットケーブルを複数本集合させ、配線端子のエリア配列を構成したことを特徴とする請求項１記載のプローバ装置。
フレキシブルフラットケーブルの一端に形成された配線端子は、フレキシブルフラットケーブルを構成する非導電性フレキシブルフィルムの一端面より若干突き出していることを特徴とする請求項２記載のプローバ装置。
フレキシブルフラットケーブルは一端が幅狭部となり他端が幅広部となる帯状を有し、幅狭部に形成される狭ピッチの配線と幅広部に形成される粗ピッチの配線とがそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項３記載のプローバ装置。