JP5047322B2 - プローブカード及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカード及びその製造方法に関するものである。

半導体集積回路を有するＩＣデバイス等の電子部品を製造する場合、その製造歩留まりを向上させるために、通常、電子部品の段階（後工程）だけでなく、半導体ウエハの段階（前工程）でも集積回路の動作テストが行われる。

そのような試験には通常プローバが使用され、テストヘッドに電気的に接続された多数のプローブピンを備えたプローブカードと被試験半導体ウエハとを近接させて、プローブピンの先端部と半導体ウエハの外部端子とを電気的に接触させ、電気信号の授受を行うことにより、集積回路の動作テストを行っていた。

しかしながら、従来のプローブカード、特に垂直型のスプリングプローブピンを使用したプローブカードによって１回のコンタクトで試験することのきる半導体ウエハ中の集積回路の個数は限られており、したがって１枚の半導体ウエハ中における全ての集積回路を試験するには複数回のコンタクトを必要とし、試験に長時間を要していた。

また、携帯電話やＰＤＡなどのデジタル電子機器は低価格化が進んでおり、それに伴って、デジタル電子機器に組み込まれるフラッシュメモリ等のＩＣデバイスについても、低価格化の要求が高まっている。

試験の高スループット化及び低コスト化を図るために、半導体ウエハ中の全ての集積回路を一括して試験することが考えられる。しかし、近年の半導体ウエハは、８インチ、１２インチと大型化しており、しかも集積回路は高密度化しているため、そのような半導体ウエハに対応するプローブカードを製造する場合、半導体ウエハの外部端子又は基板の接続端子に対するプローブピンの針位置精度が問題となる。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、半導体ウエハの外部端子又は基板の接続端子に対するプローブピンの針位置精度を高く維持することのできるプローブカード及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１に本発明は、半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカードであって、一端側がウエハ側プローブ部、他端側が基板側プローブ部となっている複数のプローブピンと、前記複数のプローブピンが半導体ウエハの外部端子の配列に対応して配列されるとともに、前記プローブピンの少なくともウエハ側プローブ部が臨出するように、前記複数のプローブピンを支持するプローブガイドと、前記プローブガイドに支持された前記プローブピンの基板側プローブ部が接触する接続端子を有する基板とを備え、前記プローブガイドは、半導体ウエハの熱膨張係数（線熱膨張係数）と実質的に同じ熱膨張係数（線熱膨張係数）を有する材料から構成されていることを特徴とするプローブカードを提供する（発明１）。

半導体ウエハ試験装置では、様々な試験条件下において、プローブカードと半導体ウエハの外部端子との針先位置精度を確保することが必要である。特に、半導体ウエハの加熱試験などを行うときには、一例として８５℃程度の温度まで半導体ウエハが加熱され、プローブカードも同様に加熱される。したがって、半導体ウエハと、プローブピンを支持しているプローブガイドとの熱膨張係数が異なっている場合には、加熱時に半導体ウエハの外部端子とプローブピンとの間に相対的な位置ずれが発生する。この位置ずれは、プローブカードにおけるプローブエリアが大きいほど大きくなり、プローブピンと半導体ウエハの外部端子とのコンタクトミスが生じることとなる。

上記発明（発明１）のプローブカードでは、プローブガイドは半導体ウエハの熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されているため、加熱下でのテスト時にも、半導体ウエハの外部端子とプローブピンとは、半導体ウエハとプローブガイドとの熱膨張差によるウエハ平面方向での位置ずれが発生しない。

第２に本発明は、半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカードであって、両端部に、弾性体によりそれぞれ外方に付勢されたウエハ側プローブ部及び基板側プローブ部を有する複数のプローブピンと、前記複数のプローブピンが半導体ウエハの外部端子の配列に対応して配列されるとともに、前記プローブピンの少なくともウエハ側プローブ部が臨出するように、前記複数のプローブピンを支持するプローブガイドと、前記プローブガイドに支持された前記プローブピンの基板側プローブ部が接触する接続端子を有する基板とを備え、前記プローブガイドは、前記プローブピンの基板側プローブ部を前記基板側に付勢した状態で、前記プローブガイドの周縁部及び平面方向内部において前記基板に固定されていることを特徴とするプローブカードを提供する（発明２）。

上記発明（発明２）のプローブカードでは、プローブガイドはプローブピンの基板側プローブ部を基板側に付勢しているため、プローブピンの基板側プローブ部と基板の接続端子との電気的な接続を確実に行うことができる。ただし、そのような構成を採用することにより、プローブガイドには、プローブピンによって基板の反対方向にプリロードが印加され、プローブピンの本数が多いとそのプリロードが大きくなり、プローブガイドは基板から浮き上がろうとする。

上記発明（発明２）のプローブカードでは、プローブガイドは、その周縁部だけでなく、平面方向内部においても基板に固定されているため、プローブピンのプリロードに起因するプローブガイドの反りや歪みが防止され、半導体ウエハの外部端子に対するプローブピンの針位置精度を高く維持することができる。

上記発明（発明２）においては、前記基板における前記プローブガイドの反対側には補強部材が設けられており、前記プローブガイドは、前記基板及び前記補強部材に固定されているのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明３）によれば、プローブガイドの反りや歪みをより効果的に防止することができる。

上記発明（発明３）において、前記プローブガイドは、前記プローブガイドの平面方向内部において、前記補強部材側から挿入されるねじによって、前記基板及び前記補強部材に固定されているのが好ましい（発明４）。

上記発明（発明４）によれば、ねじは、その頭部ではなく軸部の断面積分のスペースだけしかプローブガイドを占有しないから、プローブガイドにおけるプローブピン相互間のスペースが狭い場合にも対応可能である。

第３に本発明は、半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカードであって、一端側がウエハ側プローブ部、他端側が基板側プローブ部となっている複数のプローブピンと、前記複数のプローブピンが半導体ウエハの外部端子の配列に対応して配列されるとともに、前記プローブピンの少なくともウエハ側プローブ部が臨出するように、前記複数のプローブピンを支持するプローブガイドと、前記プローブガイドに支持された前記プローブピンの基板側プローブ部が接触する接続端子を有する基板とを備え、前記プローブガイドは、前記プローブピンの基板側プローブ部が位置する基板側プローブガイドと、前記プローブピンのウエハ側プローブ部が位置するウエハ側プローブガイドとを積重してなることを特徴とするプローブカードを提供する（発明５）。

第４に本発明は、半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカードの製造方法であって、プローブピンの基板側プローブ部が接触する接続端子を有する基板に対し、プローブピンの基板側プローブ部を収納する（案内する場合を含む。）収納孔が形成されている基板側プローブガイドを、前記基板の接続端子と前記基板側プローブガイドのガイド孔との位置合わせをした上で固定し、次いで、プローブピンのウエハ側プローブ部を案内するガイド孔が形成されているウエハ側プローブガイドを、プローブピンのウエハ側プローブ部が前記ウエハ側プローブガイドのガイド孔に挿入され、プローブピンの基板側プローブ部が前記基板側プローブガイドの収納孔に挿入されるようにして、前記基板側プローブガイドに積重して固定し、もって前記基板側プローブガイドと前記ウエハ側プローブガイドとにより、前記複数のプローブピンを半導体ウエハの外部端子の配列に対応するように配列して支持することを特徴とするプローブカードの製造方法を提供する（発明６）。

一般的に、プローブガイドと比較して基板の加工精度は低く、基板に形成される孔の位置等が必ずしも正確ではない場合があるが、上記発明（発明５，発明６）によれば、基板側プローブガイドの収納孔と基板の接続端子との位置合わせを、プローブピンに邪魔されることなく目視により確認して行った上で、基板側プローブガイドを基板に固定することができるため、基板の接続端子に対するプローブピンの針位置精度を高く維持することができる。

本発明のプローブカードによれば、半導体ウエハの外部端子又は基板の接続端子に対するプローブピンの針位置精度を高く維持することができるため、半導体ウエハ中の複数の集積回路を一括して確実に試験することができ、試験の高スループット化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るプローブカードの平面図である。 図１に示すプローブカードの側面図である。 図１に示すプローブカードの裏面図である。 図１に示すプローブカードの各構成部材を示す分解斜視図である。 図１に示すプローブカードの基本構造を説明するための概略断面図である。 プローブピンの単体構造の一例を示す部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るプローブカードを図面に基づいて説明する。
本実施形態に係るプローブカード１は、図１〜図５に示すように、プリント基板１０と、プリント基板１０のテストヘッド側に設けられた補強部材（スティフナ）２０と、プリント基板１０のテストヘッドの反対側に設けられた上下２つのプローブガイド３０，４０と、プローブガイド３０，４０に支持された複数のプローブピン５０とを備えて構成されている。

プローブガイド３０は、プリント基板１０におけるテストヘッドの反対側の面（表面）上に直接配置されるものであって、基板側プローブガイドを構成している（以下「プローブガイド３０」を「基板側プローブガイド３０」という場合がある）。また、プローブガイド４０は、プローブガイド３０上に積重して固定されるものであり、ウエハ側プローブガイドを構成している（以下「プローブガイド４０」を「ウエハ側プローブガイド４０」という場合がある）。

プローブガイド３０，４０には、被試験半導体ウエハに対応するプローブエリア３１，４１が形成され、そのプローブエリア３１，４１に、半導体ウエハの外部端子の配列に対応するように複数のプローブピン５０が配列される。

基板側プローブガイド３０の周縁部には、ねじ６１が貫通する貫通孔３２及びねじ６２が貫通する貫通孔３３がそれぞれ交互に複数形成されており、基板側プローブガイド３０の中心部には、ねじ６３が貫通する貫通孔３４が１つ形成されている。また、ウエハ側プローブガイド４０の周縁部には、ねじ６１が貫通する貫通孔４２が複数形成されており、ウエハ側プローブガイド４０の中心部裏側には、ねじ６３が螺合するねじ穴４３が１つ形成されている。

２つのプローブガイド３０，４０は、例えば、セラミックス、シリコン、ガラス等の材料から構成され、本実施形態では、被試験半導体ウエハの熱膨張係数（線熱膨張係数）と実質的に同じ熱膨張係数（線熱膨張係数）を有する材料から構成されている。

本実施形態におけるプリント基板１０は、プローブガイド３０，４０より大きな径を有する薄い円板形状をなしている。このプリント基板１０の表面中央部には、接続端子としてのパッド１３が、半導体ウエハの外部端子の配列に対応するようにして複数形成されている。また、プリント基板１０の裏面外周部には、テストヘッドとの電気信号の授受を行うための接続端子１４が形成されている。

プリント基板１０におけるプローブガイド３０，４０の貫通孔３２，４２及びプローブガイド３０の貫通孔３３に対応する位置には、ねじ６１が貫通する貫通孔１１及びねじ６２が貫通する貫通孔１２がそれぞれ交互に複数形成されている。また、プリント基板１０の中心部には、ねじ６３が貫通する貫通孔１５が１つ形成されている。

補強部材２０は、プリント基板１０の裏面中央部に設けられており、本実施形態では、全体として略皿状の形状を有し、周縁部はフランジ部２３を形成している。このフランジ部２３におけるプローブガイド３０，４０のねじ孔３２，４２及びプローブガイド３０のねじ孔３３に対応する位置には、ねじ６１が螺合するねじ孔２５及びねじ６２が螺合するねじ孔２６がそれぞれ交互に複数形成されている。

また、補強部材２０の中心部には、ねじ６３の頭部を収容する凹部２１と、ねじ６３が貫通する貫通孔２２とが形成されている。

次に、２つのプローブガイド３０，４０に支持されているプローブピン５０について説明する。

本実施形態におけるプローブピン５０としては、図５及び図６に示すように、垂直型スプリングプローブ（ポゴピン）が使用される。

プローブピン５０は、円筒状のチューブ５３と、その中に収納された導電性のコイルスプリング５４と、コイルスプリング５４の弾撥力によって、ウエハ側に付勢されつつチューブ５３の上端部に係止する導電性のウエハ側プランジャ５１及び基板側に付勢されつつチューブ５３の下端部に係止する導電性の基板側プランジャ５２とから構成されている。

このような垂直型のプローブピン５０は、それ自体単体で取り扱うことができるため、メンテナンス性に優れている。

基板側プローブガイド３０には、プローブピン５０のチューブ５３を支持するとともに、基板側プランジャ５２を収納するための収納孔３０ａが、基板側プローブガイド３０を貫通するように形成されている。また、ウエハ側プローブガイド４０には、プローブピン５０のチューブ５３を支持する支持孔４０ａと、ウエハ側プランジャ５１を案内するためのガイド孔４０ｂとが、ウエハ側プローブガイド４０を貫通するように形成されている。

プローブピン５０のウエハ側プランジャ５１は、ウエハ側プローブガイド４０のガイド孔４０ｂから所定量臨出しており、コイルスプリング５４の弾撥力によって下方向に弾性的に後退可能となっている。一方、プローブピン５０の基板側プランジャ５２は、基板側プローブガイド３０の収納孔３０ａに収納された状態で、コイルスプリング５４の弾撥力によってプリント基板１０のパッド１３に所定の接圧で接触している。

この状態において、プローブピン５０のチューブ５３の上端部は、コイルスプリング５４の弾撥力によって付勢され、ウエハ側プローブガイド４０における支持孔４０ａの上端面に当接している。このように、ウエハ側プローブガイド４０には、プローブピン５０によって上方へのプリロードが印加されている。

上記のようなプローブカード１を製造するには、最初に、基板側プローブガイド３０をプリント基板１０の上面で位置決めする。このとき、基板側プローブガイド３０には、基板側プローブガイド３０を貫通する収納孔３０ａが形成されているため、プリント基板１０に形成された各パッド１３が基板側プローブガイド３０の収納孔３０ａから見えるようにして基板側プローブガイド３０を位置決めすればよい。

そして、ねじ６２を基板側プローブガイド３０の貫通孔３３及びプリント基板１０の貫通孔１２に挿入し、補強部材２０のねじ孔２６に螺合することにより、基板側プローブガイド３０をプリント基板１０及び補強部材２０に固定する。

次いで、プローブピン５０のウエハ側プランジャ５１をウエハ側プローブガイド４０のガイド孔４０ｂに挿入し、プローブピン５０のチューブ５３をウエハ側プローブガイド４０の支持孔４０ａに挿入するとともに、プローブピン５０の基板側プランジャ５２を基板側プローブガイド３０の収納孔３０ａに挿入するようにして、ウエハ側プローブガイド４０を基板側プローブガイド３０に積重する。そして、ねじ６１をウエハ側プローブガイド４０の貫通孔４２、基板側プローブガイド３０の貫通孔３２及びプリント基板１０の貫通孔１１に挿入し、補強部材２０のねじ孔２５に螺合するとともに、ねじ６３を補強部材２０の貫通孔２２、プリント基板１０の貫通孔１５、基板側プローブガイド３０の貫通孔３４に挿入し、ウエハ側プローブガイド４０のねじ穴４３に螺合することにより、ウエハ側プローブガイド４０を基板側プローブガイド３０、プリント基板１０及び補強部材２０に固定する。

一般的に、プローブガイド３０，４０と比較してプリント基板１０の加工精度は低く、プリント基板１０に形成される貫通孔３２の位置が必ずしも正確ではない場合があるが、以上のようなプローブカード１の製造方法によれば、基板側プローブガイド３０の収納孔３０ａとプリント基板１０のパッド１３との位置合わせを、プローブピン５０に邪魔されることなく目視により確認して行った上で、基板側プローブガイド３０をプリント基板１０に固定することができるため、プリント基板１０のパッド１３に対するプローブピン５０の針位置精度を高く維持することができる。

また、本実施形態のプローブカード１では、ウエハ側プローブガイド４０は、その周縁部だけでなく、平面方向内部である中心部において、ねじ６３によって基板側プローブガイド３０、プリント基板１０及び補強部材２０に固定されている。仮に、ウエハ側プローブガイド４０がその周縁部だけで基板側プローブガイド３０、プリント基板１０及び補強部材２０に固定された場合には、多数のプローブピン５０によるプリロードによって、ウエハ側プローブガイド４０の中央部が浮き上がるように反ってしまうおそれがあるが、上記のようにウエハ側プローブガイド４０の中心部においても基板側プローブガイド３０、プリント基板１０及び補強部材２０に固定されることにより、ウエハ側プローブガイド４０の中央部の浮き上がりが防止され、半導体ウエハの外部端子に対するプローブピン５０の針位置精度を高く維持することができる。かかるウエハ側プローブガイド４０の反り防止効果は、補強部材２０による補強によって、より顕著なものとなる。

なお、ウエハ側プローブガイド４０中心部に螺合されるねじ６３は、補強部材２０側からら挿入され、ねじ６３はその頭部ではなく軸部の断面積分のスペースだけしかプローブガイド３０，４０を占有しないから、プローブガイド３０，４０におけるプローブピン５０相互間のスペースが狭い場合にも対応可能である。

本実施形態のプローブカード１を使用して加熱下で試験を行った場合、被試験半導体ウエハ及びプローブガイド３０，４０はそれぞれ熱によって膨張するが、プローブガイド３０，４０は、半導体ウエハの熱膨張係数と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されているため、半導体ウエハの外部端子とプローブガイド３０，４０に支持されたプローブピン５０とは、ウエハ平面方向での位置ずれが発生せず、したがって両者を確実にコンタクトさせることが可能である。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、プローブカード１は、必ずしも補強部材２０を備えている必要はないし、プローブガイド３０，４０は、一体化されていてもよい。また、プローブガイド３０，４０をその平面方向内部でプリント基板１０に固定するねじ６３は、複数本設けられてもよいし、プローブガイド４０の表面側から設けられてもよいし、省略されてもよい。

このような本発明のプローブカードは、例えば、フラッシュメモリ等のＩＣデバイスの前工程試験として、半導体ウエハを１回のコンタクトで試験を行うのに有用である。

１…プローブカード
１０…プリント基板
１１，１２，１５…貫通孔
１３…パッド
１４…接続端子
２０…補強部材
２１…凹部
２２…貫通孔
２３…フランジ部
２５，２６…ねじ孔
３０，４０…プローブガイド
３０ａ…収納孔
４０ａ…支持孔
４０ｂ…ガイド孔
３１，４１…プローブエリア
３２，３３，３４，４２，…貫通孔
４３…ねじ穴
５０…プローブピン
５１…ウエハ側プランジャ
５２…基板側プランジャ
５３…チューブ
５４…コイルスプリング
６１，６２，６３…ねじ

Claims (1)

1. 半導体ウエハ試験装置のテストヘッドに電気的に接続されるとともに、半導体ウエハの外部端子に電気的に接触し、半導体ウエハの各集積回路を一括して試験に付すことのできるプローブカードであって、
   一端側がウエハ側プローブ部、他端側が基板側プローブ部となっている複数のプローブピンと、
   前記複数のプローブピンが半導体ウエハの外部端子の配列に対応して配列されるとともに、前記プローブピンの少なくともウエハ側プローブ部が臨出するように、前記複数のプローブピンを支持するプローブガイドと、
   前記プローブガイドに支持された前記プローブピンの基板側プローブ部が接触する接続端子を有する基板とを備え、
   前記プローブガイドは、前記プローブピンの基板側プローブ部が位置する基板側プローブガイドと、前記プローブピンのウエハ側プローブ部が位置するウエハ側プローブガイドとを積重してなり、
   前記基板側プローブガイドの周縁部には、第１のねじが貫通する第１の貫通孔と第２のねじが貫通する第２の貫通孔とがそれぞれ複数形成されており、
   前記ウエハ側プローブガイドの周縁部には、前記第１のねじが貫通する貫通孔が複数形成されており、
   前記基板には、前記第１のねじが貫通する第１の貫通孔と前記第２のねじが貫通する第２の貫通孔とがそれぞれ複数形成されており、
   前記第１のねじが前記基板側プローブガイドに形成された第１の貫通孔及び前記基板に形成された第１の貫通孔に挿入され、もって前記基板側プローブガイドと前記基板とが固定されており、
   前記第２のねじが前記基板側プローブガイドに形成された第２の貫通孔、前記ウエハ側プローブガイドに形成された貫通孔及び前記基板に形成された第２の貫通孔に挿入され、もって前記基板側プローブガイドと前記ウエハ側プローブガイドと前記基板とが固定されていることを特徴とするプローブカード。

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