JP4727948B2

JP4727948B2 - プローブカードに用いられる積層基板

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Publication number: JP4727948B2
Application number: JP2004153231A
Authority: JP
Inventors: 純望月; 久富保坂
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: TWI373084B; JP2005337737A; US7750655B2; WO2005114228A1; TW200620519A; KR20070026632A; US20080191720A1; KR100812418B1

Description

本発明は、プローブカードに用いられる積層基板に関し、更に詳しくは、熱変形を抑制することができるプローブカードに用いられる積層基板に関するものである。

積層基板は、従来から電子機器や測定装置等の精密機器類に用いられる電子部品を実装するための基板として必要不可欠な部品である。これらの電子機器や精密機器は、低温環境から高温環境まで様々な環境下で用いられるため、積層基板にはそれぞれの環境に応じた耐候性が要求される。積層基板１は、例えば、図８に示すように、基材層２と表面層３と複数の電極４とを有している。表面層３が基材層２より大きい熱膨張率を有する場合には、積層基板１が高温環境に曝されると表面層３が基材層２より大きく伸びるため、積層基板１は同図の矢印で示すように湾曲する。尚、図８では基材層２及び表面層３は、いずれも単層で示してあるが、積層基板１は、基材層２が複数層で構成された多層基板として構成されたものが一般的である。

また、半導体製造分野でデバイスの電気的特性検査を行なプローブ装置の場合には、デバイスの使用環境に応じた低温試験や高温試験を行うため、プローブ装置に用いられる回路基板は、温度の影響を受けて熱変形し易い。特に、プローブカードに用いられた積層基板は、低温環境や高温環境に直接曝されるため、特に温度の影響が大きい。

プローブ装置は、例えば図９の（ａ）に示すように、ウエハＷを搬送するローダ室１と、ローダ室１から引き渡されたウエハＷの電気的特性検査を行うプローバ室２と、を備えている。プローバ室２は、図９の（ａ）に示すように、ローダ室１から搬送されたウエハＷを載置し且つ昇降機構を内蔵した載置台（メインチャック）３と、メインチャック３をＸ及びＹ方向に移動させるＸＹテーブル４と、ＸＹテーブル４を介して移動するメインチャック３の上方に配置されたプローブカード５と、プローブカード５を着脱可能に保持するカード保持機構（以下、「クランプ機構」と称す。）（図示せず）と、プローブカード５の複数のプローブ５Ａとメインチャック３上のウエハＷの複数の電極パッドを正確に位置合わせするアライメント機構６とを備えている。アライメント機構６は、ウエハＷを撮像する上カメラ６Ａと、プローブ５Ａを撮像する下カメラ６Ｂとを備えている。

また、図９の（ａ）に示すように、プローバ室２の上面にはヘッドプレート７が装着され、ヘッドプレート７の開口部にはプローブカード５を着脱自在に保持するクランプ機構が装着されている。そして、ヘッドプレート７にはテスタ（図示せず）のテストヘッドＴが旋回可能に配設され、テストヘッドＴとプローブカード５は接続リング（ポゴリング）８を介して電気的に接続されている。そして、テスタから検査用信号をテストヘッドＴ、パフォーマンスボード及びポゴリング８を介してプローブ５Ａへ送信し、プローブ５ＡからウエハＷの電極パッドに検査用信号を印加してウエハＷに形成された複数の半導体素子（デバイス）の電気的特性検査を行う。

ところで、プローブカード５を構成する回路基板５Ｂが、例えば図９の（ｂ）に示すように、ガラス繊維等の無機絶縁材料からなる基材層５Ｃと、この基材層５Ｃの両面に積層された樹脂等の有機絶縁材料からなる表面層５Ｄと、電極５Ｅとを備えて構成されている場合には、高温検査時にメインチャック３側の表面層５Ｄ（同図では下側）がポゴリング８側の表面層５Ｄ（同図では上側）より高温になって大きく膨張するため、回路基板５Ｂが矢印方向に湾曲し、電極５Ｅがポゴリング８のポゴピンから位置ずれして検査の信頼性を低下させる虞がある。

そこで、特許文献１において、熱変形量の少ない半導体装置検査用治具（ピンプローブ型治具）が提案されている。特許文献１に記載の半導体装置検査用治具は、プローブと多層プリント配線板とからなり、前記多層プリント配線板が少なくともプローブと接続した端子を有する導体回路１と、検査装置と接続する端子を有する導体回路２と、これらの回路導体層を支持した２層以上の電気絶縁層と、これらの回路導体層間を電気的に接続したスルーホールからなり、導体回路１を支持する電気絶縁層の平面方向の熱膨張係数が、導体回路２を支持する電気絶縁層の平面方向の熱膨張係数より小さくしたものである。

特開平９−１３３７１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置検査用治具に用いられた多層プリント板は、熱変形を抑制することができる反面、導体回路１を支持する電気絶縁層の平面方向の熱膨張係数が、導体回路２を支持する電気絶縁層の平面方向の熱膨張係数より小さくなるように、電気絶縁層を形成する材料（ガラス繊維布等の無機絶縁材料）を多数の中から選択しなくてはならず、従って電気絶縁層の層構成が特殊仕様となるため、製造コストが高くなるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、熱による基板の湾曲変形を格段に抑制することができると共に特殊な材料を使用することなく低コストで製造することができるプローブカードに用いられる積層基板を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の積層基板は、被検査体と電気的に接触して上記被検査体の電気的特性検査を行うプローブカードのコンタクタとして、更に上記コンタクタに電気的に接続される回路基板として用いられる積層基板であって、上記積層基板は、基材層と、この基材層の上記被検査体側の面に積層された第１の表面層と、上記基材層の他方の面に積層された第２の表面層と、を備え、上記第１、第２の表面層は、いずれも基材層を形成する無機絶縁材料より大きい熱膨張率を有する有機絶縁材料によって形成されており、上記第１の表面層に上記第１の表面層を複数の区域に分割する複数の溝が設けられており、上記第１の表面層の温度が上記第２の表面層の温度より高くなる時には、上記第１の表面層は、上記複数の区域がそれぞれ熱膨張し、上記複数の溝を介して上記第１の表面層としての熱膨張を抑制して上記積層基板の湾曲変形を抑制することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の積層基板は、請求項１に記載の発明において、上記第１の表面層の分割溝から上記基材層が露出していることを特徴とするものである。

本発明によれば、熱による基板の湾曲変形を格段に抑制することができると共に特殊な材料を使用することなく低コストで製造することができるプローブカードに用いられる積層基板を提供することができる。

以下、図１〜図４に示す各実施形態に基づいて本発明を説明する。尚、図１は本発明のプローブカードの一実施形態の使用態様示す断面図、図２は図１に示すコンタクタの要部を示す断面図、図３は図１に示す回路基板の一部を示す断面図、図４は図２に示すコンタクタとメインチャックとの関係を模式的に示す断面図、図５は（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ回路基板の熱膨張の測定部位を説明するための断面図、図６は図３に示す回路基板の温度と熱膨張率との関係を示すグラフ、図７は本発明の積層基板の他の実施形態の要部を示す断面図である。

本実施形態のプローカード１０は、例えば図１に示すように、被検査体（例えば、ウエハ）Ｗと電気的に接触するコンタクタ１１と、このコンタクタ１１と電気的に導通自在に接続された回路基板１２と、この回路基板１２を補強する補強部材１３と、を備え、カードホルダ２０を介してプローブ装置のプローブ室（図示せず）に装着され、メインチャック３０上のウエハＷと対向するように配置されている。コンタクタ１１と回路基板１２との間には接続中継媒体（インターポーザ）１４が介在し、インターポーザ１４を介してコンタクタ１１と回路基板１２とが電気的に接続されている。コンタクタ１１は、インターポーザ１４が介在した状態で固定具１５及び締結部材１６によって回路基板１２に対して固定されている。

而して、上記コンタクタ１１は、図２で部分的に拡大して示すように、例えば第２の回路基板１１Ａと、この第２の回路基板１１Ａの下面にウエハＷの複数の電極パッド（図示せず）に対応して配置された複数のプローブ１１Ｂとを備えている。第２の回路基板１１Ａは、例えば、セラミック等の無機絶縁材料からなる基材層１１Ｃと、基材層１１Ｃの下面及び上面にそれぞれ積層されたポリイミド樹脂等の有機絶縁材料からなる表面層１１Ｄ、１１Ｅと、上下の表面層１１Ｄ、１１Ｅにプローブ１１Ｂにそれぞれ対応させて形成された端子電極１１Ｆ、１１Ｇと、上下の端子電極１１Ｆ、１１Ｇを接続する配線１１Ｈとを有し、複数のチップを同時に検査できるように構成されている。

コンタクタ１１の基材層１１Ｃが例えばセラミックによって形成されている場合には、例えばマイクロマシン技術等の微細加工技術を用いることによってコンタクタを形成することができる。また、基材層１１Ｃ及び表面層１１Ｄ、１１Ｅは、いずれも単層で形成されたものであっても、複数層で形成されたものであっても良い。配線１１Ｈは、基材層１１Ｃ及び表面層１１Ｄ、１１Ｅに形成されたビアホール導体や導体パターンによって構成されている。

また、基材層１１Ｃは無機絶縁材料によって形成されていると共に表面層１１Ｄ、１１Ｅは有機絶縁材料によって形成され、表面層１１Ｄ、１１Ｅは基材層１１Ｃより熱膨張係数が大きいため、表面層１１Ｄ、１１Ｅはそれぞれ基材層１１Ｃより大きく膨張すると共に下側の表面層１１Ｄが上側の表面層１１Ｅより大きく膨張するため、前述したように第２の回路基板１１Ａが下方に膨出して下方に湾曲して変形する。

そこで、本実施形態では、下側の表面層１１Ｄに複数の溝１１Ｉを設け、これらの溝１１Ｉによって表面層１１Ｄを複数の領域に分割している。これらの溝１１Ｈは、例えば表面層１１Ｄをスクリーン印刷することによって表面層１１Ｄと同時に形成することができる。このように下側の表面層１１Ｄに複数の溝１１Ｉを設けることによって表面層１１Ｄを複数の領域に分割し、独立した複数の熱膨張領域として細かく分散させて下側の表面層１１Ｄの熱膨張を上側の表面層１１Ｅの熱膨張より抑制し、回路基板１１Ａ、延いてはコンタクタ１１の熱変形を抑制することができ、プローブ１１ＢとウエハＷの電極パッドとを確実に接触させると共に端子電極１１Ｇとインターポーザ１４とを確実に接触させて検査の信頼性を高めることができる。これらの溝１１Ｉは、回路パターンを損なわない範囲で、下側の表面層１１Ｄに対して縦横いずれか一方向に複数設けても良く、また、縦横の二方向に複数設けても良い。本実施形態では溝１１Ｉは一方向にのみ設けられている。

また、ポゴリングと接触する回路基板１２についても第２の回路基板１１Ａと同様の熱対策が講じられている。即ち、回路基板１２は、例えば図３に示すように、セラミック、ガラス繊維等の無機絶縁材料によって形成された基材層１２Ａと、基材層１２Ａの上下両面に積層されたポリイミド樹脂等の有機絶縁材料からなる表面層１２Ｂ、１２Ｃと、上下の表面層１２Ｂ、１２Ｃ上にそれぞれ形成された端子電極１２Ｄ、１２Ｅとを備え、下側の表面層１２Ｂには第２の回路基板１１Ａの場合と同様に複数の溝１２Ｆがスクリーン印刷法等によって形成されている。

回路基板１２の下側の複数の端子電極１２Ｄはインターポーザ１４の接触端子（図示せず）と電気的に接触し、上側の複数の端子電極１２Ｅはポゴリングを構成する複数のポゴピンと電気的に接触することにより、コンタクタ１１とポゴリング（図示せず）とを電気的に接続する役割を有している。下側の表面層１２Ｂは、プローブ室側に面しているため、検査時には上側の表面層１２Ｃよりも温度が高くなるが、下側の表面層１２Ｂには複数の溝１２Ｆが設けられているため、これらの溝１２Ｂによって回路基板１２の熱変形による湾曲を抑制し、回路基板１２の上下の端子電極１２Ｄ、１２Ｅとインターポーザ１４及びポゴピンそれぞれとを確実に接触させることができ、延いては検査の信頼性を高めることができる。

次に、プローブカード１０の動作について説明する。図４に示すようにメインチャック３０上にウエハＷを載置し、メインチャック３０の加熱源３１によりウエハＷを例えば１５０℃程度まで加熱してウエハＷの高温検査を実施する。検査時にはメインチャック３０がＸ、Ｙ方向に移動してウエハＷのインデックス送りをすると共にＺ方向での昇降を繰り返してコンタクタ１１とウエハＷとの接触、離間を繰り返す。従って、プローブカード１０もウエハＷと同様に１５０℃に近い温度まで昇温する。

この際、第２の回路基板１１Ａの下面は上面よりも高い温度まで昇温し、下側の表面層１１Ｄと上側の表面層１１Ｅとの間で大きな温度差を生じる。しかも、基材層１１Ｃはセラミックによって形成され、表面層１１Ｄ、１１Ｅはポリイミド樹脂によって形成されているため、表面層１１Ｄ、１１Ｅはそれぞれ基材層１１Ｃより大きく膨張すると共に下側の表面層１１Ｄが上側の表面層１１Ｅより大きく膨張し、第２の回路基板１１Ａが下方に膨出して下方に湾曲しようとする。しかし、下側の表面層１１Ｄは上述のように溝１１Ｉを介して複数に分割されているため、表面層１１Ｄは分割領域毎に独立して熱膨張し、図４に矢印で示すように隣り合う領域の熱膨張によって互いの膨張による変形を相殺する力が作用して表面層１１Ｄ全体の熱膨張を抑制することができ、延いては下側の表面層１１Ｄの熱膨張が上側の表面層１１Ｅの熱膨張に近づき、第２の回路基板１１Ａの熱変形を格段に抑制することができる。この結果、コンタクタ１１のプローブ１１Ｂとメインチャック３０上のウエハＷとが確実に接触すると共に端子電極１１Ｇとインターポーザ１４とが確実に接触するため、検査の信頼性を高めることができる。

また、ポゴリングと電気的に接触する回路基板１２もコンタクタ１１の第２の回路基板１１Ａと同様にプローブ装置内に面した下側の表面層１２Ｂに溝１２Ｆが設けられているため、下側の表面層１２Ｂが上側の表面層１２Ｃよりも高温になっても溝１２Ｆによって分割された領域が独立して膨張し、隣り合う領域間で熱膨張を相殺するため、下側の表面層１２Ｂの熱膨張を格段に抑制し、延いては回路基板１２の熱変形による湾曲を抑制し、上下の端子電極１２Ｄ、１２Ｅがそれぞれインターポーザ１４及びポゴリングと位置ズレすることなく初期の接触状態を維持し、検査の信頼性を高めることができる。

さて、回路基板１２の熱膨張による変形を観るために、回路基板１２と同一のものを矩形状の回路基板を作製し、測定用基板として準備した。この測定用基板を室温から１５０℃まで加熱し、５０℃、７５℃、１００℃、１２５℃及び１５０℃における測定用基板の伸びを複数箇所で測定し、これらの測定結果に基づいて各測定箇所での熱膨張率をそれぞれ求めた。測定用基板は、下側の表面層１２Ｂには３ｍｍ幅の溝１２Ｆを互いに平行にさせて一方向に設け、上側の表面層１２Ｃには溝のないものを使用した。

溝１２Ｆのある表面層１２Ｂでは、図５の（ａ）に示すように３本の溝１２Ｆを跨ぐ、３５．１０３〜３５．１１８ｍｍの範囲で５箇所をサンプリングし、それぞれの箇所での伸びに基づいた熱膨張率を設定温度毎に求め、各設定温度に対する５箇所の熱膨張率の平均値を図６のグラフに◆印で示した。また、図５の（ａ）の方向に直交する方向、即ち図５の（ｂ）に示すように溝１２Ｆに沿った９６．９２５〜９８．４１１ｍｍの範囲で１０箇所をサンプリングし、それぞれの箇所での伸びに基づいた熱膨張率を設定温度毎に求め、各設定温度に対する１０箇所の熱膨張率の平均値を図６のグラフに▲印で示した。更に、溝のない表面層１２Ｃについては図５の（ｃ）に示すように９６．００３〜９８．０２１ｍｍの範囲で１０箇所をサンプリングし、それぞれの箇所での伸びに基づいた熱膨張率を設定温度毎に求め、各設定温度に対する１０箇所の熱膨張率の平均値を図６のグラフに■印で示した。尚、図５の（ａ）〜（ｃ）では片面にのみ表面層１２Ｂまたは表面層１２Ｃを設けたものについて図示してあるが、実際には基材層１２Ａの両面に表面層１２Ｂ、１２Ｃのあるものを使用した。

図６に示す結果によれば、溝１２Ｆを設けた表面層１２Ｂは、溝１２Ｆを跨ぐ方向及びこれに直交する方向のいずれの方向においても７５〜１５０℃の高温下で４．４〜５．０ｐｐｍの熱膨張率を示した。これに対して、溝のない表面層１２Ｃは、７５〜１５０℃の高温下で６．６〜６．７ｐｐｍの熱膨張率を示した、溝１２Ｆを設けた表面層１２Ｂより大きい熱膨張率を示しことが判った。従って、表面層１２Ｂに溝１２Ｆを設けることによって表面層１２Ｂの熱膨張を抑制することができ、延いては測定用基板の熱変形を抑制でき、溝１２Ｆが基板の熱変形を抑制する上で有効であることが判った。

以上説明したように本実施形態によれば、ウエハＷと電気的に接触するプローブ１１Ｂと電気的に導通自在に接続された回路基板１２を備えたプローブカードにおいて、回路基板１２は、基材層１２Ａと、この基材層１２Ａの上下両面に積層された表面層１２Ｂ、１２Ｃと、を備え、表面層１２Ｂ、１２Ｃは基材層１２Ａより大きい熱膨張率を有し、且つ、ウエハＷ側の表面層１２Ｂを複数に分割する溝１２Ｆを表面層１２Ｂに設けたため、ウエハＷ側の表面層１２Ｂの熱膨張をポゴリング側の表面層１２Ｃの熱膨張よりも抑制することができ、延いては回路基板１２の熱変形を抑制して回路基板１２とインターポーザ１４及びポゴリングとの位置ズレを確実に防止することができ、延いてはウエハＷの検査の信頼性を高めることができる。しかも、下側の表面層１２Ｂに複数の溝１２Ｆを設けるだけで良いため、基材層１２Ａ及び表面層１２Ｂに特殊な材料を使用することなく低コストで回路基板１２を製造することができる。

また、本実施形態によれば、コンタクタ１１を構成する第２の回路基板１１ＡについてもウエハＷ側の表面層１１Ｄに複数の溝１１Ｉを設けて回路基板１２と同様に構成したため、ウエハＷ側の表面層１１Ｄの熱膨張をインターポーザ１４側の表面層１１Ｅの熱膨張よりも抑制することができ、延いては第２の回路基板１１Ａの熱変形を抑制してコンタクタ１１とウエハＷ及びインターポーザ１４との位置ズレを確実に防止することができ、延いてはウエハＷの検査の信頼性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、回路基板１２の基材層１２Ａをガラス繊維等の無機絶縁材料によって構成すると共に表面層１２Ｂ、１２Ｃをポリイミド樹脂等の有機絶縁材料によって構成したため、ビルドアップ法等によって内部配線や電極１２Ｄ、１２Ｅを高精度に形成することができる。また、基材層１２Ａをセラミックによって構成する耐熱性等を付与することができる。また、コンタクタ１１を構成する第２の回路基板１１Ａについても回路基板１２と同様の作用効果を期することができる。更に、第２回路基板１１Ａをセラミックによって形成することによってプローブ１１Ｂの微細化に対応することができる。

また、図７は片面にのみ表面層を有する積層基板を示している。即ち、積層基板５０は、基材層５１と、基材層５１の上面に積層された表面層５２と、表面層５２上に形成された電極５３とを有し、表面層５２が基材層５１より大きい熱膨張係数を有している。そして、表面層５２には複数（図７では一つの溝のみを図示してある）の溝５４が形成されている。また、基材層５１及び表面層５２は、いずれも単層であっても、複数層であっても良い。この場合においても、表面層５２に複数の溝５４を設けたため、表面層５２の熱膨張を抑制することができ、延いては積層基板５０の熱変形を抑制することができる。

尚、上記各実施形態では積層基板をプローブカードに適用したものついて説明したが、本発明は上記各実施形態に何等制限されるものではなく、本発明の積層基板は、高温環境に曝される積層基板に広く適用することができる。

本発明は、高温環境に曝される積層基板やプローブカードに好適に利用することができる。

本発明のプローブカードの一実施形態の使用態様示す断面図である。図１に示すコンタクタの要部を示す断面図である。図１に示す回路基板の一部を示す断面図である。図２に示すコンタクタとメインチャックとの関係を模式的に示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ回路基板の熱膨張の測定部位を説明するための断面図である。図３に示す回路基板の温度と熱膨張率との関係を示すグラフである。本発明の積層基板の他の実施形態の要部を示す断面図である。従来の積層基板の熱変形を説明するための断面図である。（ａ）は従来のプローブカードを適用したプローブ装置の一部を破断して示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示すプローブカードに適用された回路基板の熱変形を説明するための断面図である。

符号の説明

１０プローブカード
１１コンタクタ
１１Ａ第２の回路基板
１１Ｂ基材層
１１Ｃ、１１Ｄ表面層
１１Ｉ溝
１２回路基板
１２Ａ基材層
１２Ｃ、１２Ｄ表面層
１２Ｆ溝
５０積層基板
５１基材層
５２表面層
５４溝

Claims

被検査体と電気的に接触して上記被検査体の電気的特性検査を行うプローブカードのコンタクタとして、更に上記コンタクタに電気的に接続される回路基板として用いられる積層基板であって、
上記積層基板は、
基材層と、この基材層の上記被検査体側の面に積層された第１の表面層と、上記基材層の他方の面に積層された第２の表面層と、を備え、上記第１、第２の表面層は、いずれも基材層を形成する無機絶縁材料より大きい熱膨張率を有する有機絶縁材料によって形成されており、
上記第１の表面層に上記第１の表面層を複数の区域に分割する複数の溝が設けられており、
上記第１の表面層の温度が上記第２の表面層の温度より高くなる時には、上記第１の表面層は、上記複数の区域がそれぞれ熱膨張し、上記複数の溝を介して上記第１の表面層としての熱膨張を抑制して上記積層基板の湾曲変形を抑制する
ことを特徴とする積層基板。
上記第１の表面層の分割溝から上記基材層が露出していることを特徴とする請求項１に記載の積層基板。