JP4574588B2 - ケルビンコンタクト測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の１個の端子に対して少なくとも２本のコンタクトピンを接続し、一方を電流を流すフォース側に接続し、かつ、他方を電流を検出するセンス側に接続して、測定対象物の電気的測定を行うケルビンコンタクト測定装置および測定方法に関する。

回路面にはんだボール等の複数の端子を有する半導体装置（例えば、ＢＧＡ、ＣＳＰ等）や電子部品等の測定対象物の電気的測定において、測定回路の回路抵抗、及び、接触子と端子との接触抵抗の影響を受けずに測定対象物の抵抗値を測定する方法として、ケルビンコンタクト法がある。ケルビンコンタクト法は、１個の端子に対して２本のコンタクトピンを接続し、一方を電流を流すテスタのフォース側に接続し、かつ、他方を電流を検出するテスタのセンス側に接続したケルビンコンタクトにより、例えば、測定対象物の抵抗値の測定であれば、測定回路の回路内の抵抗値から測定対象物の抵抗値を除いた抵抗値がキャンセルされ、測定対象物だけの抵抗値を求めることができる。

ケルビンコンタクト法を用いた従来のケルビンコンタクト検査装置として、例えば、ウェハ状態でチップの電気的特性を測定する半導体ウェハ測定針において、筒状の第１の測定針部１０７と、この第１の測定針部１０７内に間隔を介して配置される第２の測定針部１０８と、この第２の測定針部１０８と上記第１の測定針部１０７間を電気的に絶縁する絶縁体１０９と、上記第１の測定針部１０７内に配置されて上記第２の測定針部１０８を突出方向へ弾力を与える弾性体１１０を備え、上記第１の測定針部１０７と上記第２の測定針部１０８のうち一方を入力用とすると共に他方を検出用としたものがある（図７参照；特許文献１参照）。

また、球状接続端子を有する半導体デバイス又は電子部品との電気的接続を行い高精度な測定をするケルビンコンタクト型接触子であるケルビン・スパイラルコンタクタ２０１であって、絶縁基板上に前記球状接続端子と接触する平面視してスパイラル形状を有する２本のスパイラル状接触子２０２、２０３を備え、先端をフリーとした１本からなり、根元から先端に進むにしたがって幅が狭くなるように渦巻き状に形成されたとスパイラル状接触子２０２と、対峙する対岸からもう１本のスパイラル状接触子２０３が、前記スパイラル状接触子２０２の渦巻き状の隙間に干渉することなく根元から先端に進むにしたがって幅が狭くなるように、渦巻き状に形成されているものがある（図８参照；特許文献２参照）。

実開昭６３−１４１６９号公報 特開２００４−２７１２９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体ウェハ測定針では、筒状の第１の測定針部１０７内の第２の測定針部１０８は弾性体１１０によって押圧されて半導体ウェハとの接触がよくなるものの、筒状の第１の測定針部１０７は押圧されていないので、必ずしも半導体ウェハとの接触がよくなるとはいえない。

また、特許文献２に記載のケルビン・スパイラルコンタクタ２０１では、２本のスパイラル状接触子２０２、２０３の両方と球状接続端子との接触がよくなるものの、半導体デバイス又は電子部品の位置ズレや、球状接続端子の位置ズレがあった場合、球状接続端子と２本のスパイラル状接触子２０２、２０３が接触する位置によっては２本のスパイラル状接触子が互いに接触してしまい、精度の高い測定ができなくなるおそれがある。

本発明の主な課題は、測定対象物や端子が位置ズレしていても安定してケルビンコンタクトをとれるようにすることである。

本発明の第１の視点においては、測定対象物の各ボール端子にフォースピンとセンスピンを接触させて電気特性を測定するケルビンコンタクト測定装置において、前記フォースピン及び前記センスピンは、それぞれ伸縮自在であるとともに弾性体により前記ボール端子側に付勢されるように構成され、前記フォースピンは、前記ボール端子１個あたり２本以上設けられ、前記センスピンは、前記ボール端子１個あたり２本以上設けられ、前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン及び各前記センスピンのそれぞれの中心は、多角形を構成するように配置され、前記フォースピンおよび前記センスピンは、前記ボール端子１個あたりそれぞれ１本以上接触するように配置されることを特徴とする。

本発明の前記ケルビンコンタクト測定装置において、前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン同士の中心は、前記多角形の対角線上に配置され、前記ボール端子１個あたりの各前記センスピン同士の中心は、前記多角形の対角線上に配置されていてもよい。

本発明の前記ケルビンコンタクト測定装置において、前記測定対象物を出し入れ可能に位置決めするための凹部を有する第１のソケットと、前記フォースピン及び前記センスピンのそれぞれを伸縮自在に支持するフレームを有するとともに、前記第１のソケットに対し開閉機構により開閉可能に構成された第２のソケットと、を備えることが好ましい。

本発明の第２の視点においては、測定対象物の各ボール端子にフォースピンとセンスピンを接触させて電気特性を測定するケルビンコンタクト測定方法において、前記ボール端子１個あたり、前記フォースピン及び前記センスピンの一方を２本以上接触可能なように配置し、かつ、他方を１本以上接触可能なように配置して電気特性を測定し、前記ボール端子１個あたり、前記フォースピンおよび前記センスピンをそれぞれ２本以上とし、前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピンおよび各前記センスピンのそれぞれの中心が多角形を構成するように配置して電気特性を測定することを特徴とする。

本発明の前記ケルビンコンタクト測定方法において、前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン同士の中心が前記多角形の対角線上に配置され、前記ボール端子１個あたりの各前記センスピン同士の中心が前記多角形の対角線上に配置され、前記ボール端子１個あたり前記フォースピンおよび前記センスピンをそれぞれ１本以上接触させて電気特性を測定してもよい。

本発明の前記ケルビンコンタクト測定方法において、前記各ボール端子に前記フォースピンと前記センスピンを接触させる際、前記フォースピン及び前記センスピンをそれぞれ独立して対応する前記ボール端子に押圧させて電気特性を測定することが好ましい。

本発明（請求項１−６）によれば、測定対象物や端子が位置ズレしても、安定してケルビンコンタクトをとれるようになる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置について説明する。図１、２は、本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置の構成を示した模式図である。図３は、本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置の上ソケットの構成を模式的に示した部分拡大断面図である。なお、図１の上ソケット及び下ソケットに関しては図２のＹ−Ｙ´間の断面に対応し、図２の上ソケットに関しては図１のＸ−Ｘ´間側から見た時の平面に対応する。

ケルビンコンタクト測定装置１は、測定対象物５０の１個の端子５１当り２種類のコンタクトピン（フォースピン１２ａ、センスピン１２ｂ）を接続し、フォースピン１２ａをテスタ３０における電源装置（図示せず）と電気的に接続し、かつ、センスピン１２ｂをテスタ３０における測定装置（図示せず）と電気的に接続した装置である。ケルビンコンタクト測定装置１は、主な構成として、上ソケット１０と、下ソケット２０と、テスタ３０と、配線４０と、を有する。

上ソケット１０は、下ソケット２０の凹部２１に載置された測定対象物５０の端子５１とフォースピン１２ａ及びセンスピン１２ｂを接触させるための蓋状のソケットである。上ソケット１０は、下ソケット２０に対し、図示されていない開閉機構により開閉可能である。上ソケット１０は、開閉機構によって下ソケット２０に対して所定の範囲内にて移動可能であり、下ソケット２０の凹部２１を閉じたときに下ソケット２０に対して一定の位置に配される。上ソケット１０は、フレーム１１と、フォースピン１２ａと、センスピン１２ｂと、弾性体１３と、支持部材１４と、導線１５と、を有する。

フレーム１１は、測定対象物５０の各端子５１と対応する位置にて、１個の端子５１に対して２個のフォースピン１２ａ、及び、２個のセンスピン１２ｂをそれぞれ伸縮可能に支持する部材である。フレーム１１は、各フォースピン１２ａ及び各センスピン１２ｂと電気的に絶縁されている。フレーム１１は、測定対象物５０の各端子５１と対応する位置にてフォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂを挿入するための穴が形成されている。当該穴は、１個の端子５１に対して４個形成されている。４個の穴は、穴の中心を結んだときの形状が菱形（好ましくは正方形）であることが好ましく、その対角線が下ソケット２０の凹部２１の側壁面と略平行（又は略直角）であることが好ましい。各穴にはフォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂ、弾性体１３、及び支持部材１４が配されている。

フォースピン１２ａは、対応する測定対象物５０の端子５１と接触するための伸縮自在なコンタクトピンであり、導線１５及び配線４０を介して、テスタ３０における電源装置（図示せず）に電気的に接続される。センスピン１２ｂは、対応する測定対象物５０の端子５１と接触するための伸縮自在なコンタクトピンであり、導線１５及び配線４０を介して、テスタ３０における測定装置（図示せず）に電気的に接続される。フォースピン１２ａ及びセンスピン１２ｂは、それぞれ独立して伸縮自在に構成されている。フォースピン１２ａは、１個の端子５１あたり２個対応し、４個の穴（フレーム１１の穴）の組のうち対向する第１の対角線上の２つの穴に配されることが好ましい。センスピン１２ｂは、１個の端子５１あたり２個対応し、４個の穴（フレーム１１の穴）の組のうち対向する第２の対角線上の２つの穴に配されることが好ましい。

弾性体１３は、フォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂを測定対象物５０側に付勢する。弾性体１３は、フレーム１１の各穴内に配され、一端が支持部材１４と接し、他端がフォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂと接する。

支持部材１４は、フレーム１１の各穴内にて弾性体１３の一端を支持する部材であり、フレーム１１に固定されている。支持部材１４は、フォースピン１２ａ及びセンスピン１２ｂと電気的に絶縁されている。導線１５は、フォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂを配線４０に電気的に接続するための導線であり、支持部材１４を貫通する。

下ソケット２０は、測定対象物５０を出し入れ可能に位置決めするための凹部２１が形成されている。凹部２１は、底面に対する法線方向から見て矩形状に形成されている。凹部２１は、測定対象物５０を出し入れ可能にするため、測定対象物５０の外形よりも大きく形成されている。凹部２１の側壁面は、測定対象物５０の端部と略平行となるように形成されている。

テスタ３０は、測定回路の回路抵抗、及び、コンタクトピン１２ａ、１２ｂと端子５１との接触抵抗の影響を受けずに測定対象物５０の抵抗値の測定が可能なケルビンコンタクト法に対応したテスタである。テスタ３０は、電流を供給するための電源装置（図示せず）と、電流を測定する測定装置（図示せず）と、を備える。電源装置（図示せず）は、配線４０、導線１５を介して、各フォースピン１２ａと電気的に接続されており、測定対象物５０の端子５１ごとに切換可能である。測定装置（図示せず）は、配線４０、導線１５を介して、各センスピン１２ｂと電気的に接続されており、測定対象物５０の端子５１ごとに切換可能である。

テスタ３０は、例えば、４端子法であれば、測定対象物５０の２つの端子５１に対応するフォースピン１２ａ及びセンスピン１２ｂに切換え、第１の端子５１に対応する１又は２本のフォースピン１２ａと、第２の端子５１に対応する１又は２本のフォースピン１２ａとが測定対象物５０に電流を加え、第１の端子５１に対応する１又は２本のセンスピン１２ｂと、第２の端子５１に対応する１又は２本のセンスピン１２ｂとで２つの端子５１間の電位を測定する。つまり、テスタ３０は、電源装置（図示せず）から配線４０、導線１５、フォースピン１２ａ、端子５１を介して測定対象物５０に電流を供給し、測定対象物５０から端子５１、センスピン１２ｂ、導線１５、配線４０を介して電位が測定装置（図示せず）に入力されて電気的特性を検出する。

配線４０は、各フォースピン１２ａ及び各センスピン１２ｂをテスタ３０と電気的に接続するための配線である。配線４０における１本の配線は、途中で分岐して１個の端子５１に対応する２本のフォースピン１２ａ又はセンスピン１２ｂに接続されている。

なお、測定対象物５０は、回路面の電極（図示せず）上に複数の端子５１を備えた半導体装置、電子部品である。測定対象物５０の外形は、矩形状である。端子５１は、表面が球状のボール端子であり、例えば、はんだボール等を用いることができる。

次に、本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置におけるフォースピン及びセンスピンと測定対象物の接触パターンについて図面を用いて説明する。図４〜６は、本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置におけるフォースピン及びセンスピンと測定対象物の接触パターンを模式的に示した（ａ）Ｘ−Ｘ´方向から見た平面図及び（ｂ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。

図４を参照すると、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１における中央（ないしその近傍）に載置して、下ソケット２０上に上ソケット１０を置いて閉じたとき、測定対象物５０の各端子５１は、対応する２本のフォースピン１２ａ、及び、２本のセンスピン１２ｂと接触する。つまり、１個の端子５１に対し４本のコンタクトピン１２ａ、１２ｂが接触する。

図５を参照すると、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１の角部に接さず、かつ、凹部２１の側壁面に接する位置（ないしその近傍）に載置して、下ソケット２０上に上ソケット１０を置いて閉じたとき、測定対象物５０の各端子５１は、図５（ａ）のように測定対象物５０が右側（又は左側）の側壁面に接する場合、対応する１本のフォースピン１２ａ、及び、２本のセンスピン１２ｂと接触する。つまり、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１内で凹部２１の側壁面に接する位置（ないしその近傍）に位置ズレしても、１個の端子５１に対し３本のコンタクトピン１２ａ、１２ｂが接触する。この場合、１個の端子５１に対し残りの１本のコンタクトピン（１２ａ又は１２ｂ）が非接触状態となる。なお、測定対象物５０の各端子５１は、測定対象物５０が図５（ａ）の上側又は下側の側壁面に接する場合、対応する２本のフォースピン１２ａ、及び、１本のセンスピン１２ｂと接触することになる。

図６を参照すると、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１の角部に接する位置（ないしその近傍）に載置して、下ソケット２０上に上ソケット１０を置いて閉じたとき、測定対象物５０の各端子５１は、対応する１本のフォースピン１２ａ、及び、１本のセンスピン１２ｂと接触する。つまり、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１の角部に接する位置（ないしその近傍）に位置ズレしても、１個の端子５１に対し２本のコンタクトピン１２ａ、１２ｂが接触する。この場合、１個の端子５１に対し残りの２本のコンタクトピン１２ａ、１２ｂが非接触状態となる。

実施形態１によれば、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１内で位置ズレして各端子５１が位置ズレしたとしても、１個の端子５１に対しフォースピン１２ａ及びセンスピン１２ｂそれぞれ２本のうちの１本は必ず端子５１に接触することが可能である。これにより確実にケルビンコンタクトがとれる。

なお、実施形態１では、１個の端子５１に対し４本のコンタクトピン１２ａ、１２ｂが対応しているが、測定対象物５０が下ソケット２０の凹部２１内で位置ズレしたとしても、１個の端子５１に対し少なくとも２本のコンタクトピン（１本のフォースピン１２ａ、１本のセンスピン１２ｂ）と必ず端子５１に接触することが可能であれば、１個の端子５１に対し、３本、５本、それ以上の本数のコンタクトピンを配置するものであってもよい。また、１個の端子５１に対し、フォースピンおよびセンスピンがそれぞれ２本以上設けられている場合には、各フォースピン１２ａ及び各センスピン１２ｂのそれぞれの中心は、多角形を構成するように配置されていることが好ましく、１個の端子５１に対して各フォースピン１２ａ同士の中心は、多角形の対角線上に配置され、１個の端子５１に対して各センスピン１２ｂ同士の中心は、多角形の対角線上に配置されていることが好ましい。

また、実施形態１では、下ソケット２０は、測定対象物５０が凹部２１内で縦方向および横方向の２方向の位置ズレが可能な構成となっているが、測定対象物５０の縦方向および横方向のうち１方向の移動（位置ズレ）を制約するようにガイド部を設けてもよい。

本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置の構成を示した第１の模式図である。 本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置の構成を示した第２の模式図である。 本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置の上ソケットの構成を模式的に示した部分拡大断面図である。 本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置におけるフォースピン及びセンスピンと測定対象物の接触パターン（４点接触）を模式的に示した（ａ）Ｘ−Ｘ´方向から見た平面図及び（ｂ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。 本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置におけるフォースピン及びセンスピンと測定対象物の接触パターン（３点接触）を模式的に示した（ａ）Ｘ−Ｘ´方向から見た平面図及び（ｂ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。 本発明の実施形態１に係るケルビンコンタクト測定装置におけるフォースピン及びセンスピンと測定対象物の接触パターン（２点接触）を模式的に示した（ａ）Ｘ−Ｘ´方向から見た平面図及び（ｂ）Ｙ−Ｙ´間の断面図である。 従来例１に係るケルビンコンタクト測定装置（半導体ウェハ測定針）の構成を模式的に示した断面図である。 従来例２に係るケルビンコンタクト測定装置（ケルビンスパイラルコンタクタ）の構成を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ ケルビンコンタクト測定装置
１０ 上ソケット（第２のソケット）
１１ フレーム
１２ａ フォースピン（コンタクトピン）
１２ｂ センスピン（コンタクトピン）
１３ 弾性体
１４ 支持部材
１５ 導線
２０ 下ソケット（第１のソケット）
２１ 凹部
３０ テスタ
４０ 配線
５０ 測定対象物
５１ 端子（ボール端子）
１０３ 導線
１０７ 第１の測定針部
１０８ 第２の測定針部
１０９ 絶縁体
１１０ 弾性体
２０１ ケルビンスパイラルコンタクタ
２０２、２０３ スパイラル状接触子
２０４ スルーホール

Claims (6)

1. 測定対象物の各ボール端子にフォースピンとセンスピンを接触させて電気特性を測定するケルビンコンタクト測定装置において、
   前記フォースピン及び前記センスピンは、それぞれ独立して伸縮自在であるとともに弾性体により前記ボール端子側に付勢されるように構成され、
   前記フォースピンは、前記ボール端子１個あたり２本以上設けられ、
   前記センスピンは、前記ボール端子１個あたり２本以上設けられ、
   前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン及び各前記センスピンのそれぞれの中心は、多角形を構成するように配置され、
   前記フォースピンおよび前記センスピンは、前記ボール端子１個あたりそれぞれ１本以上接触するように配置されることを特徴とするケルビンコンタクト測定装置。
2. 前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン同士の中心は、前記多角形の対角線上に配置され、
   前記ボール端子１個あたりの各前記センスピン同士の中心は、前記多角形の対角線上に配置されていることを特徴とする請求項１記載のケルビンコンタクト測定装置。
3. 前記測定対象物を出し入れ可能に位置決めするための凹部を有する第１のソケットと、
   前記フォースピン及び前記センスピンのそれぞれを伸縮自在に支持するフレームを有するとともに、前記第１のソケットに対し開閉機構により開閉可能に構成された第２のソケットと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のケルビンコンタクト測定装置。
4. 測定対象物の各ボール端子にフォースピンとセンスピンを接触させて電気特性を測定するケルビンコンタクト測定方法において、
   前記ボール端子１個あたり、前記フォースピン及び前記センスピンの一方を２本以上接触可能なように配置し、かつ、他方を１本以上接触可能なように配置して電気特性を測定し、
   前記ボール端子１個あたり、前記フォースピンおよび前記センスピンをそれぞれ２本以上とし、前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピンおよび各前記センスピンのそれぞれの中心が多角形を構成するように配置して電気特性を測定することを特徴とするケルビンコンタクト測定方法。
5. 前記ボール端子１個あたりの各前記フォースピン同士の中心が前記多角形の対角線上に配置され、前記ボール端子１個あたりの各前記センスピン同士の中心が前記多角形の対角線上に配置され、前記ボール端子１個あたり前記フォースピンおよび前記センスピンをそれぞれ１本以上接触させて電気特性を測定することを特徴とする請求項４記載のケルビンコンタクト測定方法。
6. 前記各ボール端子に前記フォースピンと前記センスピンを接触させる際、前記フォースピン及び前記センスピンをそれぞれ独立して対応する前記ボール端子に押圧させて電気特性を測定することを特徴とする請求項４又は５記載のケルビンコンタクト測定方法。

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