(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-23
(45)【発行日】2023-07-03
(54)【発明の名称】垂直プローブアレイ用のキャリア構造上のプローブ
(51)【国際特許分類】
G01R 1/073 20060101AFI20230626BHJP
G01R 31/26 20200101ALI20230626BHJP
【ＦＩ】
G01R1/073 D
G01R31/26 J
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021562102
(86)(22)【出願日】2020-04-27
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-22
(86)【国際出願番号】 US2020030031
(87)【国際公開番号】W WO2020220012
(87)【国際公開日】2020-10-29
【審査請求日】2022-01-14
(31)【優先権主張番号】62/839,480
(32)【優先日】2019-04-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505377474
【氏名又は名称】フォームファクター， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001379
【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】セルヴァラージ、ムケシュ
(72)【発明者】
【氏名】キスター、ジャニュアリー
【審査官】公文代 康祐
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２３７０９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－０２４５５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０６６２５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－３２１１６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２８１５６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１０６９８０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ １／０６－１／０７３
Ｇ０１Ｒ ３１／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気デバイスを試験するためのプローブアレイであって、スペーストランスフォーマと、
前記スペーストランスフォーマ上、または前記スペーストランスフォーマに近接して配置された２以上のプローブキャリアプレートとを備え、
前記プローブキャリアプレートのそれぞれは、その上に配置された２以上の垂直プローブを有し、
前記垂直プローブのそれぞれは、前記スペーストランスフォーマに電気的に接触する第１の可撓性部材を有し、
前記垂直プローブのそれぞれは、試験中のデバイスに一時的に電気的に接触するように構成された第２の可撓性部材を有し、
前記垂直プローブのそれぞれは、２以上の前記プローブキャリアプレートのなかの対応する１つに取り付けられたプローブ本体を含み、
前記垂直プローブのそれぞれは、その垂直プローブの前記プローブ本体、前記第１の可撓性部材、及び前記第２の可撓性部材を一体的に有する１個部品であることを特徴とするプローブアレイ。
【請求項2】
前記スペーストランスフォーマに取り付けられた機械的補強部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。
【請求項3】
前記プローブキャリアプレートは前記スペーストランスフォーマ上に配置され、前記機械的補強部材は、前記スペーストランスフォーマの熱膨張と、前記スペーストランスフォーマの平坦度からの逸脱との両方を制限するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のプローブアレイ。
【請求項4】
前記機械的補強部材は、前記スペーストランスフォーマに接合部またはスタンドオフを介して取り付けられ、
前記プローブキャリアプレートは前記機械的補強部材上に配置され、
前記垂直プローブの前記第１の可撓性部材は、前記スペーストランスフォーマの熱膨張と、前記スペーストランスフォーマの平坦度からの逸脱との両方に適応するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のプローブアレイ。
【請求項5】
前記垂直プローブは２次元ＭＥＭＳプローブであることを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。
【請求項6】
前記スペーストランスフォーマはセラミック基板を含むことを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。
【請求項7】
前記スペーストランスフォーマはプリント基板を含むことを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。
【請求項8】
２以上の前記垂直プローブの先端部の位置のばらつきが、２５μｍ以下となる程度まで平坦であることを特徴とする請求項１に記載のプローブアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気デバイス及び回路を試験するためのプローブアレイに関する。
【背景技術】
【0002】
電気デバイス及び回路の試験は、多くの場合、試験対象デバイスに複数の一時的な電気接点を作成するプローブアレイを使用して実行される。デバイスのサイズ及び複雑さが増し、ウェハスケールの試験がより一般的になるにつれて、より大きなプローブアレイに対する需要が増加の一途をたどっている。プローブアレイの従来の構造は単純であり、スペーストランスフォーマは、プローブを取り付けるための機械的支持を提供し、プローブと残りの試験装置との間の電気的接続も提供する。
【0003】
しかしながら、この単純な構造は、数千以上のプローブを備えたプローブアレイについては問題になり得る。ロボットによるピック・アンド・プレース技術を使用した場合でも、多数のプローブを備えたスペーストランスフォーマの設置は、通常、非常に時間のかかるプロセスであるので、組み立て時間はそのような問題の１つである。もう１つの問題は、プローブアレイの先端部の平坦度に厳しい要件が存在し、これにより、スペーストランスフォーマの平坦度及びスペーストランスフォーマの熱膨張について、対応する要件が生じることである。結果的に生じるスペーストランスフォーマの設計制約条件は、解決が困難なものであり得る。したがって、これらの問題を軽減することは、当該技術分野における進歩であろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明では、複数のプローブが各プローブキャリアに配置され、プローブキャリアがスペーストランスフォーマ上またはスペーストランスフォーマに近接して取り付けられたプローブ・オン・キャリア構造が提供されまる。各プローブは、２つの可撓性部材を有する。第１の可撓性部材は、スペーストランスフォーマに電気的に接触します。第２の可撓性部材は、試験対象デバイスに一時的に電気的に接触する。
【0005】
好ましい実施形態では、機械的補強部材を使用して、スペーストランスフォーマの平坦性の欠如及び熱膨張の可能性に対処する。このような補強部材を使用する２つの例示的な方法を以下に詳細に説明する。第１のアプローチでは、機械的補強部材をスペーストランスフォーマに取り付けることにより、スペーストランスフォーマの平坦度及び熱膨張を仕様の範囲内に収め、プローブキャリアをスペーストランスフォーマ上に配置する。
【0006】
第２のアプローチでは、スペーストランスフォーマの平坦度及び熱膨張を仕様内に収めようとすることなく、機械的補強部材をスペーストランスフォーマに取り付け、プローブキャリアを補強部材上に配置する。ここで、垂直プローブの第１の可撓性部材は、スペーストランスフォーマの熱膨張と、スペーストランスフォーマの平坦度からの逸脱との両方に適用するように構成される。
【0007】
スペーストランスフォーマにプローブキャリアを設置するために必要な組み立て作業の数は、スペーストランスフォーマに個々のプローブを設置するために必要な組み立て作業の数よりもはるかに少ないので、組み立て時間が削減される。さらに、プローブキャリアにプローブを並行して配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1A】本発明の第１実施形態を示す図である。
【図1B】本発明の第１実施形態を示す図である。
【図2A】本発明の第２実施形態を示す図である。
【図2B】本発明の第２実施形態を示す図である。
【図3A】本発明の第３実施形態を示す図である。
【図3B】本発明の第３実施形態を示す図である。
【図4】本発明の実施形態で使用するための例示的な垂直プローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図１Ａ－Ｂは、本発明の第１の実施形態を示す。図１Ａは側面図であり、図１Ｂは概略的に対応する上面図である。この例のプローブアレイは、スペーストランスフォーマ１０２と、スペーストランスフォーマ上、またはスペーストランスフォーマに近接して配置された２以上のプローブキャリアプレート１０４とを備える。プローブキャリアプレート１０４のそれぞれは、その上に配置された２以上の垂直プローブ１０６を有する。
【0010】
垂直プローブのそれぞれは、スペーストランスフォーマに電気的に接触する第１の可撓性部材（例えば、第１の可撓性部材１０６ａ）と、試験対象デバイスに一時的に電気的に接触するように構成された第２の可撓性部材（例えば、第２の可撓性部材１０６ｂ）とを有する。図１Ａについての乱雑さを減じるために、これらの特徴はすべてのプローブについて示されているが、プローブのうち１つについてのみ参照している。プローブキャリアプレート１０４は、接合部１０８を介してスペーストランスフォーマ１０２に取り付けられている。
【0011】
このプローブアレイの全体的な構造は、図１Ｂを参照することによって最もよく理解できる。図１Ｂは、複数のプローブキャリアプレート１０４を示しており、それぞれのプローブキャリアプレート１０４はスペーストランスフォーマ１０２上に配置されている。プローブ（垂直プローブ１０６）は、プローブキャリアプレート１０４上に配置され（例えば、図示のように）、プローブの第１の可撓性部材は、スペーストランスフォーマ１０２と電気的に接触する。任意の数のプローブキャリアプレート１０４をスペーストランスフォーマ１０２上に配置することができる。本発明の実施は、スペーストランスフォーマ１０２上のプローブキャリアプレート１０４の横方向の配置に決定的には依存しない。この説明の実施例は、スペーストランスフォーマ１０２上のプローブキャリアプレート１０４の規則的な配列を示しているが、これは必須ではない。同様に、本発明の実施は、プローブキャリアプレート１０４上の垂直プローブ１０６の数または配置に決定的には依存しない。
【0012】
スペーストランスフォーマは、セラミック基板を含み得る。あるいは、スペーストランスフォーマは、プリント基板（printed circuit board substrate）を含み得る。好ましくは、垂直プローブの第２の可撓性部材の先端部は平坦であり、公差は２５μｍ以下である。
【0013】
上記のように、このレベルの平坦度を達成することは、実際には困難であり得る。図１Ａ－Ｂの実施例について、スペーストランスフォーマ１０２は、必要とされる平坦性を提供している。平坦性の提供は、機械的に安定したスペーストランスフォーマ（例えば、セラミック基板上の）を使用して行うことができる。しかしながら、様々な技術（例えば、プリント基板（ＰＣＢ）など）を使用してスペーストランスフォーマを作成することが望ましい場合が多く、通常、プローブの先端部の平坦性を提供するためには特別な対策が必要である。プリント基板の平坦度は、通常、３００ｍｍの範囲で０．５ｍｍ～１ｍｍである。ＰＣＢスペーストランスフォーマについて考慮すべきＣＴＥ（熱膨張係数）の問題も存在する。
【0014】
より具体的には、ＰＣＢは通常、約１０－５０層を有し、使用されるコア及び予備含浸材料は約４ｐｐｍ／ＣのＣＴＥを有する。従来のＰＣＢには、グランド、信号、及び電源面（電気経路／接続）用のＣｕの金属層もいくつか含まれているが、ＣｕのＣＴＥは約１６ｐｐｍ／Ｃである。ＰＣＢ層内のＣｕ及びその他の金属は、コア及び予備含浸材料を除くＣＴＥの積み重ね全体の約４０－６０％を占める。詳細な計算により、４ｐｐｍ／ＣというＰＣＢの複合的なＣＴＥを達成することは、これらの従来の材料では非常に困難であることが示されている。このようなＰＣＢの最終的な複合ＣＴＥは、通常、約６－８ｐｐｍ／Ｃであることがわかった。
【0015】
試験対象デバイス（ＤＵＴ）は通常シリコン（Ｓｉ）ウェハであり、ＳｉのＣＴＥは２．７ｐｐｍ／Ｃである。これは、ＤＵＴのＣＴＥと複合ＰＣＢのＣＴＥとの間のずれが大きく、高温負荷試験及び低温負荷試験中にプローブがデバイスパッドに適切に接触しないことを意味する。例えば、一般的な試験温度範囲は－４０°Ｃから１５０°Ｃの範囲であり得る。また、ＰＣＢは通常、平坦ではない。製造後のＰＣＢの平坦度は通常、約５００ｕｍ－１ｍｍである。上記のように、プローブの先端部は、試験対象デバイスの接触パッドに適切に接触するために、２５μｍの平坦度の範囲内であることが望ましい。
【0016】
このＣＴＥの問題を軽減するために、ＰＣＢ内の銅トレースを、ベリリウム、ロジウム、ニッケルベースの合金など、約４－５ｐｐｍ／ＣのＣＴＥを有する低ＣＴＥ金属に置き換えることができる。
【0017】
これらの理由を動機として、好ましい実施形態は、プローブアレイに、機械的補強部材を備える。このような機械的補強部材を使用することができる２つの方法が存在する。第１のアプローチでは（図２Ａ－Ｂ）、機械的補強部材がスペーストランスフォーマに取り付けられることにより、スペーストランスフォーマの平坦度及び熱膨張を仕様の範囲内に収め、プローブキャリアプレートがスペーストランスフォーマ上に配置される。第２のアプローチでは（図３Ａ－Ｂ）、スペーストランスフォーマの平坦度及び熱膨張を仕様の範囲内に収めようとすることなく、機械的補強材部材がスペーストランスフォーマに取り付けられ、プローブキャリアプレートが機械的補強部材上に配置される。
【0018】
図２Ａ－Ｂは、本発明の第２の実施形態を示す。図２Ａは側面図であり、図２Ｂは概略的に対応する上面図である。これは、機械的補強部材２０２が図示のようにプローブアレイに追加されていることを除いて、図１Ａ－Ｂの実施例と同様である。機械的補強部材２０２は、接合部２０４によってスペーストランスフォーマ１０２に取り付けられている。プローブキャリアプレート１０４は、スペーストランスフォーマ１０２上に配置されている。
【0019】
機械的補強部材２０２は、スペーストランスフォーマの熱膨張と、スペーストランスフォーマの平坦度からの逸脱との両方を制限するように構成される。機械的補強部材２０２は、ＣＴＥが４ｐｐｍ／Ｃ未満の低ＣＴＥ金属またはガラスまたはセラミック製の補強部材で作製することができる。適切な金属としては、これに限定しないが、インバー３６及びスーパーインバーが挙げられる。適切なセラミックとしては、これに限定しないが、Ｐｈｏｔｏｖｅｅｌ（登録商標）、窒化ケイ素、及びガラスムライトが挙げられる。適切なガラスとしては、これに限定しないが、ホウケイ酸塩、ボロフロート、石英、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）、及びＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）が挙げられる。
【0020】
機械的補強部材２０２は、非導電性接着剤、Ｍ２／Ｍ３ねじのような機械的特徴などによってスペーストランスフォーマ１０２に取り付けられ得る。本発明の実施は、この接合がどのように行われるかに、決定的には依存しない。
【0021】
上記のようにＰＣＢスペーストランスフォーマに補強部材を取り付けることにより、ＰＣＢの平坦度を５００ｕｍ－１ｍｍから５０ｕｍ－１００ｕｍに改善することができる（約１０倍の改善）。プローブキャリアプレート１０４をスペーストランスフォーマ１０２に接合するためのロボットによるピック・アンド・プレース技術を使用することにより、プローブ先端部の２５μｍ以下の平坦度を達成することができる。これは、ピック・アンド・プレースによる組み立て中に、プローブキャリアプレートの垂直位置を５μｍ未満の精度に調整することができるためである。
【0022】
図３Ａ－Ｂは、本発明の第３の実施形態を示す。図３Ａは側面図であり、図３Ｂは概略的に対応する上面図である。これは、機械的補強部材２０２が図示のようにプローブアレイに追加されていることを除いて、図１Ａ－Ｂの実施例と同様である。機械的補強部材２０２は、接合部３０４によってスペーストランスフォーマ１０２に取り付けられている。垂直方向のスタンドオフ３０２は、接合がなされていないが、垂直支持が依然として提供されている場合に使用することができる。プローブキャリアプレート１０４は、機械的補強部材２０２上に配置されている。
【0023】
垂直プローブの第１の可撓性部材は、スペーストランスフォーマの熱膨張とスペーストランスフォーマの平坦度からの逸脱との両方に適応するように構成される。本実施例における機械的補強部材２０２に適した材料は、上記の通りである。本実施例における機械的補強部材２０２のスペーストランスフォーマ１０２への接合は、上記と同様の接合技術を使用して行うことができるが、設計目標が異なる。より具体的には、設計目標は、機械的補強部材２０２に影響を与えることなく、ＣＴＥに起因してスペーストランスフォーマ１０２を動かすことであるので、本実施例において接合面積は最小化される。そのため、図３Ａは、接合部３０４と非接合型かつ垂直方向のスタンドオフ３０２との組み合わせを示す。
【0024】
対照的に、図２Ａ－Ｂの実施例の設計目標は、より望ましいＣＴＥ特性を有する均一に接合されたアセンブリを形成することによって、スペーストランスフォーマ１０２のＣＴＥによる動きを制限するための機械的補強部材２０２である。したがって、図２Ａ－Ｂの実施例では、非接合型かつ垂直方向のスタンドオフは設けられておらず、接合領域を最大化することにより、均一に接合されたアセンブリが形成される。
【0025】
上記のように、本発明の実施形態において使用するためのプローブは、垂直プローブである。図４は、本発明の実施形態において使用するための例示的な垂直プローブを示す。本実施例では、プローブ４０２は、第１の可撓性部材４０４及び第２の可撓性部材４０６を有する。第２の可撓性部材４０６の端部には、試験対象デバイスに一時的に接触するための先端部４１２が設けられている。第１の可撓性部材４０４は、スペーストランスフォーマへの機械的にコンプライアントな電気的接続を行う。本実施例のプローブはまた、プローブキャリアプレートに機械的に取り付けられるように構成されたプローブ本体部４０８を含む。任意選択で、例えば、接着剤などの保持を改善するために、取り付け機構４１０を含めることができる。ほとんどの場合、プローブは、同一のプローブキャリアプレートに取り付けられた複数のプローブの電気的独立性を維持するために、プローブキャリアプレートから電気的に絶縁されている。
【0026】
垂直プローブとは、試験対象デバイスをプロービングしている間に弾性変形したときの主要な動きが、プローブを垂直寸法に短縮させたものであるプローブを指す。垂直プローブは、垂直方向に、試験対象デバイス（ＤＵＴ）と接触する。これは、主要なプローブの動きが梁部材のたわみであり、プローブの寸法が実質的に短縮されず、かつＤＵＴとの接触が水平方向に行われるカンチレバープローブとは対照的であり得る。
【0027】
垂直プローブは、好ましくは２次元ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）プローブである。ＭＥＭＳプローブは、特にシリコンで、ＭＥＭＳ技術を使用して製造されたプローブとして定義される。この製造技術は、比較的複雑なプローブの形状（例えば、図４の実施例のように）を製造するための可撓性を提供するので、好ましい。
【0028】
垂直プローブは、垂直方向の大きな偏向（例えば、１５０μｍ）、試験対象デバイスに接触するときのプローブ先端部の予測可能なスクラブ動作（ＤＵＴ接触パッドのパンチスルーなし）、ＤＵＴサイズの小型化、試験対象デバイスの接触パッドのレイアウトにおける柔軟性の向上など、実施において大きな利点を提供することができる。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】