JP5030060B2 - 電気信号接続装置 - Google Patents

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Description

本発明は、LSIなどの電子デバイスの製造工程において、半導体ウエーハ上に形成された複数の半導体チップの回路検査に使用するプローバ装置に関し、特に半導体チップ上に配列される回路端子(パッド)に対しウエーハ状態のまま垂直プローブを接触させ、一括して半導体チップの電気的導通を測定するプロービングテストに使用するプローバ装置のプローブ組立を含む電気信号接続装置に関するものである。
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、半導体ウエー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。近年の予測では、パッドピッチが20μmになるものとされている。
それと同時に、半導体チップをパッケージに収納せずに、ベアチップのまま回路基板等に搭載するチップサイズパッケージ(CSP)方式等が主流になりつつあり、そのためには、半導体チップに分割する前のウエーハ状態での特性チェックや良否判定が必須となる。
この半導体チップの検査手段としては、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複数の針状プローブを配列した接触子組立を介在させる手段等がある。この接触子組立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、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。
このプローブカードの構成として、テスト装置のテストヘッドに接触する部分は、テストヘッドの回路基板の端子形状及び端子ピッチと互換性を有する必要がある。一方、ウェーハに接触するプローブ近傍部分は、ウェーハ上のチップパッドの形状及びピッチに合わせた設定が要求される。
さらに、プローブ近傍の密集した配線を粗いテストヘッドの回路基板の端子ピッチへ変換するための多層基板を用いることがある。
図10に従来のプローブカードの構成例を示す。図10において、7はプローブカード、71はテストヘッドへ接続されるカード基板を示す。被検査チップ81はカード基板71との位置関係を明確にするために透視図として示している。カード基板71の周辺に設けられた端子72は、テスト装置のテストヘッド(図示せず)に接触する部分であり、テストヘッドの回路基板の端子形状及び端子ピッチと互換性を有する。
一方、プローブ91は、ウェーハ8上の被検査チップ81の端子パッド82の配列に対応して、ブローブ整列固定機能92により固定される。プローブ整列固定機能92は上述のプローブ方式により異なり、カンチレバー方式であれば例えば回路基板に直接半田付けする手段であり、プローブシートタイプであれば、平行に伸びる帯状の複数の配線を電気絶縁性フィルムのようなシート状部材の一方の面に形成し、各配線の一部を直接プローブ要素としたものが例示される(特許文献1)。
狭ピッチ化及び多ピン化に伴いプローブ端子周辺の配線パターンが密集しており、この配線を最終的にカード基板71の外周端子へ分配させるためには、プローブ端子周辺の高密度配線に加え、配線基板の多層化が必要である。現状のプリント配線基板のパターンルールでは例えば信号層1層当たり128〜160本程度の布線が妥当で、約1000ピンのテスタの場合では電源層を含めると20層以上、厚み4.8〜6.5mm、直径350mm程度のプリント配線基板が必要になっている。
一般に、プローブカードの経済性を考慮しカード基板71の標準化を考えた場合、変換配線基板93等を中間に介在させ、被検査パッドごとに異なる複雑な変換配線94を変換配線基板93に機能させる事例もある(特許文献1)。
特開2001−183392
しかしながら、従来の電気信号接続装置では、プローブ近傍部分が測定環境温度やウエーハ自身の温度上昇により大きく熱伸縮し、その結果プローブ接触部とチップパッドとの相対的位置関係が大きくずれ、パッドから外れるプローブが存在する。又、配線変換用の多層基板においては、プローブからの配線をワイヤー又はパターン配線により多層基板と強固に接続している場合、ウェーハとの熱膨張係数の相違によりプローブとの接続部の破断に至り、測定不能に陥るという問題が生じる。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、半導体チップの通電試験に用いる電気信号接続装置において、狭ピッチ化に対応しつつバーイン試験のようにウエーハを加熱装置内において試験する場合や、多数のチップを同時に試験する場合においても温度上昇にともなうプローブとパッドとの相対的な位置ずれを小さくし、かつ、位置ずれが発生してもプローブとパッド及びプローブと回路基板との接続不良を無くすことを目的とするものである。
本発明では、銅箔が接着された樹脂フィルムを使用し、前記銅箔をエッチング加工して樹脂フィルム上にプローブ機能を含む導電体から成る導電パターンを形成し、前記樹脂フィルムの一辺から突き出した導電体をプローブ先端部とし、前記プローブの反対側の辺から突き出した導電体をテスタに電気的に接続される回路基板への出力端子とした樹脂フィルム型プローブを使用したプローブにおいて、1つ又は複数の被検査半導体チップのパッドに対応する複数の前記樹脂フィルム型プローブを積層又は並列配置した状態で複数の支持棒により保持したプローブユニットと、複数の開口部を設けた格子状支持体であって前記開口部ごとに前記プローブユニットを独立に配置固定した前記格子状支持体から構成されている。
また、前記格子状支持体の前記回路基板と接続する側に複数の突起状の固定具を設け、前記回路基板の相当する穴に嵌合することにより前記格子状支持体を前記回路基板に固定している。
前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が前記格子状支持体の中心近傍においてはゼロ又は微小であり、前記中心近傍以外の位置においては前記中心近傍における差異より大きいこと、又は、前記中心近傍以外の位置における前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が、前記回路基板の外周に位置するに従って連続的又は断続的に大きくなることとしている。
前記中心近傍以外の位置における前記固定具の作用が、前記回路基板面方向(xy方向)に拘束されていないこととしている。
前記樹脂フィルム型プローブの前記出力端子が、前記格子状支持体を前記回路基板に固定した状態において前記出力端子が一定以上の押圧力にて前記回路基板端子と接触し、かつ前記回路基板面方向(xy方向)に拘束されていないこととしている。
少なくとも前記格子状支持体の熱膨張係数が半導体ウエーハの熱膨張係数と近似である材料から形成されている。
プローブのパッドとの接触部近傍における断面形状より僅かに大きく、接触するパッドの少なくとも1方向のパッド幅と少なくとも同一若しくは該パッド幅よりも小さい形状のスリットを有するプローブ整列シートを設けている。前記プローブ整列シートのスリットを被検査半導体チップの各々のパッドの一部又は全てに対応する位置に複数配置している。
本発明では、複数の前記樹脂フィルム型プローブを積層又は並列配置した状態で複数の支持棒により保持したプローブユニットを格子状支持体の開口部ごとに配置固定し、前記格子状支持体の前記回路基板と接続する側に複数の突起状の固定具を設け、前記回路基板の相当する穴に嵌合することにより前記格子状支持体を前記回路基板に固定している。
さらに、前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が前記回路基板の中心近傍においてはゼロ又は微小であり、前記中心近傍以外の位置においては前記中心近傍における差異より大きいこと、又は、前記中心近傍以外の位置における前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が、前記回路基板の外周に位置するに従って連続的又は断続的に大きくなることとしており、かつ、前記中心近傍以外の位置における前記固定具が、前記回路基板面方向(xy方向)に拘束されていないこととしている。
したがって、上記のような手段であるため、前記回路基板の中心部に内径及び外径の差異が小さい穴と支持材を組み合わせることにより、固定枠の固定位置の基準とすることができ、回路基板の接続パッドとの初期的な位置ずれを小さくすることが可能となる。
一方、バーンイン試験等のようにウエーハを加熱した状態においては、回路基板の熱膨張により中心部から離れるに従って端子パッドの位置が外周部に向って移動する。このとき内径及び外径の差異が大きい穴と支持材を組み合わせ、かつ、支持材に半導体ウエーハの熱膨張係数と近似である材料(例えばFe−36Ni合金)を用いることにより、固定枠が回路基板の熱膨張に追従することがないという効果が生じる。
したがって、固定枠に収納したプローブユニット及びそれに設置した樹脂フィルム型プローブも同様に回路基板の熱膨張に追従しないため、高温下においてもプローブとチップパッドとの位置ずれが小さく、接触不良が起こり難いという効果が生じる。
また、前記樹脂フィルム型プローブの前記出力端子が、前記格子状支持体を前記回路基板に固定した状態において前記出力端子が一定以上の押圧力にて前記回路基板端子と接触し、かつ前記回路基板面方向(xy方向)の動作に拘束されていないこととしているため、熱膨張による破断を生じることはないという効果が生じる。
さらには、プローブのパッドとの接触部近傍における断面形状より僅かに大きく、接触するパッドの少なくとも1方向のパッド幅と少なくとも同一若しくは該パッド幅よりも小さい形状のスリットを有するプローブ整列シートを設けていため、プローブを対応するパッドの位置に正確にかつ容易に整列させることができるという効果が生じる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
図1は本発明の実施形態に係る電気信号接続装置全体の概略構成図(斜視図)であり、部分的に拡大して示したものである。図1において、1は被検査半導体ウェーハ、2は回路基板、3は樹脂フィルム型プローブ、4はプローブユニット、40はプローブ保持具、5は固定枠を示す。
被検査半導体ウェーハ1のパッド(図示せず)に対応して配置した複数の樹脂フィルム型プローブ3を、プローブ保持具40の支持棒41によって支持固定することによりプローブユニット4を構成する。図示の例では4X4個の半導体チップに相当する1つのプローブユニットを示すものである。また、プローブ保持具40に複数の固定用の爪42を設けている。固定枠5はx方向を長手方向とする複数の支持材52とy方向を長手方向とする複数の支持材53を交互に交差させ複数の開口部54を設けると共に、回路基板2と接する各交点に突起状の固定具55が設置されている。一方、回路基板2は、カード基板(図示せず)へ接続する端子部21及び後述する樹脂フィルム型プローブ3の接続端子と接続する電気端子(図示せず)、固定枠5の固定具55と嵌合する穴22を設けている。
上述の構成において、1つのプローブユニット4を固定枠5の開口部54の1つに挿入し固定用爪42によって固定枠5と固定させる。さらに固定枠5の固定具55を相当する回路基板2の穴22に嵌合させることにより電気信号接続装置が構成される。
図2に組立後の電気信号接続装置における各構成要素の配置関係を表す断面図を示す。半導体チップの1つのパッド11aに対応する1つの樹脂フィルム型プローブ30aと、同様にパッド11b、11cに対応する樹脂フィルム型プローブ30b、30cを例示として示している。各々のプローブがプローブユニット4の支持棒41により支持され、さらに支持棒41が固定枠5の支持材53により支持されている。一方、固定枠5の固定具55を回路基板2に設けられた穴22を貫通させることにより固定枠5を回路基板2に固定させることができる。
この状態において、図3にて後述する樹脂フィルム型プローブの出力端子32が回路基板上のパッド23に接触した状態を保つように設置されている。一方において、樹脂フィルム型プローブのプローブ先端部31は、被検査ウェーハ1のパッド11a等を接触させることにより検査が可能となる。
図3以降において各構成要素について詳細に説明する。1つの樹脂フィルム型プローブ300の作製方法及び構成を図3にて詳細に説明する。図3(a)において、樹脂フィルム(例えばポリイミド樹脂)301上に銅箔(例えばベリリウム銅)を接着し、銅箔をエッチング加工することにより導体パターン302を形成する。導体パターン302の内、平行梁303−1〜303−n及びスリット304−1〜304−mにより本実施例では複数のリンク機構を形成し、切り欠き305等を設けることによりz方向のばね力によるプローブ動作が実施される。
平行ばねとは、複数の略同一形状の梁が複数本平行して配置されていて該複数の梁の両端が共通の変形しない支持体に固定され、一方の支持体を固定し、他方の支持体を移動したときある一定の範囲内でz方向に並進運動するものを指している。本実施例では、306を固定部とし307を垂直プローブとして−z方向にオーバードライブが作用するものである。
さらに垂直プローブ307の先端に回転変形部308を接続し、パッドが回転変形部のプローブ先端部310と接触を開始し、さらにある一定量だけ垂直方向に押し上げるオーバードライブが作用すると、回転変形部308はオーバードライブの進行に伴い、回転中心309を中心として時計方向に回転動作が開始し、スクラブ動作が開始される。
一方、固定部306の延長上に樹脂フィルム301より突出させた出力端子311を設け、アーム部312及び切り欠き305の構成によるばね力により、回路基板上の電気端子パッドに押し当てられる。
出力端子311の位置については、図3(b)に示すように、各対応する変換配線板上の電気端子位置に合わせて出力端子を例えばT1、T2値ずらし、各々個別に作製することにより可能となる。また、これらの異なる種類のプローブ構成を同一の樹脂フィルム上に一括してエッチングにより作製し、その後切断することにより、異なる種類のプローブ構成でも廉価に作製することが可能である。また、樹脂フィルム301上に絶縁性樹脂を印刷することにより適当な箇所に補強部313を設け、樹脂フィルム型プローブの必要な剛性を保持し、又は必要な電気的絶縁を設けることができる。さらに、プローブ保持具40の支持棒41のz方向長さとほぼ同一の長さを有する切欠き314を設け、支持棒41との整列固定を可能としている。
図3により説明した個々の樹脂フィルム型プローブを積層又は並列配置し、図4に示すようなプローブ組立を作製する。1つの被検査チップに対応するプローブ組立の構成を図4にて詳細に説明する。図4において、プローブ組立350は1つの被検査チップ101に対応するプローブ群の集合体であり、各チップパッドと回路基板の接続パッドとの関係を示す。本図ではプローブ等を保持するための構成要素は省略してある。図3に示した構成により作製した樹脂フィルム型プローブ300をそれぞれ対応するチップパッド111a及び111bの位置に従って整列固定させることにより、被検査チップ101に対応するプローブ群が構成される。
各々の樹脂フィルム型プローブの位置決めは、例えば図4における整列シート6を用いることによって実現可能である。整列シート6は、例えば樹脂フィルム601にパッド111a、111b等の対応する各パッドの位置に、パッド幅と同一又は僅かに小さい幅を有するスリット611a、611bを設け、該スリットに樹脂フィルム型プローブのプローブ先端部近傍を通過させ配置させることにより、パッドへの正確な位置決めが可能となる。一方、出力端子311は前述したように各々個別の位置に作製することが可能である。従って、回路基板2のパッド23のパターン設計に合わせて出力端子311の出力位置を決定することができる。
図5は、プローブ保持具40の構成を示す。図5(a)において401はプローブ300を保持する支持棒、402は各支持棒を整列固定する支持板である。複数の支持棒401を支持板402によって固定し、開放側よりプローブ300を挿入させてプローブを保持する。プローブ保持具40はまた、図5(b)に示すように爪403、404を設け、固定枠5との固定を可能としている。
図6は、固定枠5の構成とプローブユニット4との関係を示すものである。固定枠5はx方向を長手方向とする複数の支持材520とy方向を長手方向とする複数の支持材530を交互に交差させ複数の開口部540を設けると共に、回路基板2と接する各交点に突起状の固定具550が設置されている。この固定枠5の1つの開口部540に1つのプローブユニット4を独立して挿入し固定させる。また、支持材520は半導体ウエーハの熱膨張係数と近似である材料(例えばFe−36Ni合金)から形成することにより、熱膨張による伸縮の影響を排除することができる。
図7(a)に、固定枠5の固定具の構造を示す。本実施例においては、2種類の形状の固定具550A、550Bを例示している。図7(b)はそれぞれの固定具を回路基板2に挿入した状態を示すものである。図7(a)、図7(b)において、固定具550Aはスリット561を設け、x方向にばね力が生じる構造となっている。固定具550Aの先端部562の幅D1はばね力の加わらない状態において挿入する回路基板の穴(例えばスルーホール)201の内径よりも僅かに大きく、挿入部563の幅d1は回路基板の穴201の内径よりも僅かに小さく設定されている。固定具550Aが回路基板の穴201に挿入を開始するとスリット561のため先端部562が内側に縮小し、挿入が終り先端部562が穴201を通過するとばねの反発力により再び元の幅D1に戻る。このとき、先端の係止部564により固定される。一方、固定具550Bは同様にスリット571を設け、x方向にばね力が生じる構造となっている。固定具550Bの先端部572の幅D2はばね力の加わらない状態において穴201よりも内径の大きい穴202の内径よりも僅かに大きく、挿入部573の幅d2は固定具550Aの挿入部563の幅d1とほぼ同等の幅に設定されている。したがって、固定具550Bの挿入後の幅d2と穴202の内径との差は、固定具550Aの場合と比較し大きくなっている。
図8に、固定具を設置した支持材の構成を示す。図8(a)は固定具550Aと550Bが混在する構成である支持材521を示し、図8(b)は固定具550Bのみから構成される支持材522を示す。
図9は、回路基板2上における穴および接続用パッドの位置関係を示したものである。図9(a)は、図1の回路基板上の固定用穴22群をz方向より見た図である。図9(a)において、221〜227は固定用穴の行番号を示す。回路基板2の中心近傍を含む行223〜225の中心部の9個の穴(点線部)は、内径の小さい穴201で構成されており、その他の穴は内径の大きい穴202で構成されている。したがって、上記の固定用穴に対応させるための支持材の構成は、行223〜225に対応する支持材として図8の支持材521、その他の行に対応する支持材として支持材522が適用される。
図9(b)は、固定枠5の1つの開口部即ち1つのプローブユニットが専有するエリア250の詳細を示したものである。点線で示した1つの範囲110が被検査チップ1つに相当する。それぞれの範囲に並列配置された樹脂フィルム型プローブ300及び出力端子311に対応するパッド23の位置関係を示す。ただし、樹脂フィルム型プローブ300及びパッド23については説明のため縮尺を誇張して表現してある。
以上のような構成における電気信号接続装置についてその動作及び効果を適宜各図を用いて説明する。
図1のようにプローブユニット4を固定枠5に固定し、さらに固定枠5の支持材を図9(a)に示した穴に対応すべく行223〜225に対応する支持材として支持材521、その他の行に対応する支持材として支持材522を適用することにより以下のような動作及び効果が生じる。
図7(b)に示すように、回路基板2の中心部に内径の小さい穴201と支持材550Aを組み合わせることにより固定枠5の固定位置の基準とすることができ、回路基板の接続パッド23との初期的な位置ずれを小さくすることが可能となる。
一方、バーンイン試験等のようにウエーハを加熱した状態においては、回路基板の熱膨張により中心部から離れるに従って端子パッドの位置が外周部に向って移動する。このとき、回路基板2の中心部以外に内径の大さい穴202と支持材550Bを組み合わせ、かつ、支持材に半導体ウエーハの熱膨張係数と近似である材料(例えばFe−36Ni合金)を用いることにより、固定枠5が回路基板2の熱膨張に追従することがない。したがって、固定枠5に収納したプローブユニット4及びそれに設置した樹脂フィルム型プローブ3も同様に回路基板2の熱膨張に追従しないため、高温下においてもプローブとチップパッドとの位置ずれが小さく、接触不良が起こり難い。また、樹脂フィルム型プローブ300の出力端子32は回路基板の接続パッド23と押圧力により接触しておりxy平面方向においては拘束されないため、熱膨張による破断を生じることはない。
本実施例では、2種類の穴201、202について例示したが、回路基板の外周に向うにつれて連続して内径の異なる穴を用いてもよい。
本発明の電気信号接続装置によれば、狭ピッチ化に対応しつつ、バーイン試験のようにウエーハを加熱装置内において試験する場合や、多数のチップを同時に試験する場合においても温度上昇にともなうプローブとパッドとの相対的な位置ずれを小さくし、かつ位置ずれが発生してもプローブとパッド及びプローブと回路基板との接続不良を無くすことが可能であり、信頼性の高いプローブカードを提供することができる。
本発明の実施形態である電気信号接続装置の構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態である電気信号接続装置の構造を示す部分断面図である。 本発明の実施形態である樹脂フィルム型プローブの構造を示す正面図である。 本発明の実施形態である樹脂フィルム型プローブ組立の構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態であるプローブ保持具の構造を示す斜視図及び正面図である。 本発明の実施形態であるプローブユニットと固定枠との配置関係を示す斜視図である。 本発明の実施形態である固定枠の構成要素を示す正面図及び断面図である。 本発明の実施形態である固定枠の構成要素を示す正面図である。 本発明の実施形態である固定枠の取り付け位置を示す概略図である。 従来の実施形態であるプローブカードの概略構造を示す図である。
符号の説明
1、101、102、110 被検査半導体チップ
11a,11b、11c パッド
111a、111b パッド
2 回路基板
21 端子
22、201、202 穴
23 接続パッド
24 内層回路パターン
221〜227 穴配列の行数
250 範囲
3、30a、30b、30c 樹脂フィルム型プローブ
300、300−1〜300−3 樹脂フィルム型プローブ
301 樹脂フィルム
302 導体パターン
303−1〜303−n 平行梁
304−1〜304−m スリット
305 切り欠き
306 固定部
307 垂直プローブ
308 回転変形部
309 回転中心
31 プローブ先端部
310 プローブ先端部
311 出力端子
312 アーム部
313 補強部
314 切り欠き
32 出力端子
350 プローブ組立
4 プローブユニット
40 プローブ保持具
41、401 支持棒
42、403、404 固定用爪
402 支持板
5 固定枠
52、53、520、521、522、530 支持材
54、540 開口部
55、550、550A、550B 固定具
561、571 スリット
562、572 先端部
563、573 挿入部
564、574 係止部
6 整列シート
601 樹脂フィルム
611a、611b スリット
7 プローブカード
71 カード基板
72 端子
8 ウェーハ
81 被検査半導体チップ
82 パッド
91 プローブ
92 プローブ整列固定機能
93 変換基板
94 配線

Claims (3)

  1. 銅箔が接着された樹脂フィルムを使用し、前記銅箔をエッチング加工して樹脂フィルム上にプローブ機能を含む導電体から成る導電パターンを形成し、前記樹脂フィルムの一辺から突き出した導電体をプローブ先端部とし、前記プローブの反対側の辺から突き出した導電体をテスタに電気的に接続される回路基板への出力端子とした樹脂フィルム型プローブを使用したプローブにおいて、
    1つ又は複数の被検査半導体チップのパッドに対応する複数の前記樹脂フィルム型プローブを積層又は並列配置した状態で複数の支持棒により保持したプローブユニットと、
    複数の開口部を設けた格子状支持体であって前記開口部ごとに前記プローブユニットを独立に配置固定した前記格子状支持体から成り、
    前記格子状支持体の前記回路基板と接続する側に複数の突起状の固定具を設け、前記回路基板の相当する穴に嵌合することにより前記格子状支持体を前記回路基板に固定し、
    前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が前記回路基板の中心近傍においてはゼロ又は微小であり、前記中心近傍以外の位置においては前記中心近傍における差異より大きく、また、
    前記中心近傍以外の位置における前記固定具の挿入部外径と相当する前記回路基板の穴の内径との嵌合時における差異が、前記回路基板の外周に位置するに従って連続的又は断続的に大きくなることを特徴とする電気信号接続装置。
  2. 前記中心近傍以外の位置における前記固定具の作用が、前記回路基板面方向(xy方向)に拘束されず、
    前記樹脂フィルム型プローブの前記出力端子が、前記格子状支持体を前記回路基板に固定した状態において前記出力端子が一定以上の押圧力にて前記回路基板端子と接触し、かつ前記回路基板面方向(xy方向)に拘束されていないことを特徴とする請求項1記載の電気信号接続装置。
  3. 少なくとも前記格子状支持体の熱膨張係数が半導体ウエーハの熱膨張係数と近似である材料から形成され、
    プローブのパッドとの接触部近傍における断面形状より僅かに大きく、接触するパッドの少なくとも1方向のパッド幅と同一若しくは該パッド幅よりも小さい形状のスリットを有するプローブ整列シートを設け、前記プローブ整列シートのスリットを被検査半導体チップの各々のパッドの一部又は全てに対応する位置に複数配置したことを特徴とする請求項1記載の電気信号接続装置。
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