特許 7372194 プローブおよび電気的接続装置

(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】2023-10-23

(45)【発行日】2023-10-31

(54)【発明の名称】プローブおよび電気的接続装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 1/067 20060101AFI20231024BHJP

   G01R 1/073 20060101ALI20231024BHJP

   G01R 31/26 20200101ALI20231024BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20231024BHJP

【ＦＩ】

G01R1/067 C

G01R1/073 E

G01R31/26 J

H01L21/66 B

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020068041

(22)【出願日】2020-04-06

(65)【公開番号】P2021165638

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2023-02-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000153018

【氏名又は名称】株式会社日本マイクロニクス

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100070024

【弁理士】

【氏名又は名称】松永 宣行

(72)【発明者】

【氏名】成田 寿男

(72)【発明者】

【氏名】原子 翔

(72)【発明者】

【氏名】葛西 祐樹

(72)【発明者】

【氏名】田中 慎二

【審査官】島田 保

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－１４２２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－９７４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３０２７１５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１８／１８１２７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－２５２７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－６１８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１６５５７４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第０４７０１７０２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ １／０６７

Ｇ０１Ｒ １／０７３

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸方向に沿って伸縮する引きバネを有する管形状のバレルと、
基端部が前記バレルの内部に位置し、前記バレルの一方の開口端から先端部が露出するプランジャーと
を備え、
前記引きバネの一方の端部が、前記プランジャーの基端部に固定され、
前記引きバネの他方の端部が、前記プランジャーの基端部よりも先端部に近い位置で前記バレルに固定された
ことを特徴とするプローブ。

【請求項2】

前記引きバネが、前記バレルの側面を貫通する螺旋状の切り込みを形成した領域であることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。

【請求項3】

前記引きバネを前記バレルの内部に配置したことを特徴とする請求項１に記載のプローブ。

【請求項4】

前記引きバネがコイル型引きバネであり、前記プランジャーが前記バレルの内部で前記引きバネの内側を通過することを特徴とする請求項３に記載のプローブ。

【請求項5】

前記バレルの他方の開口端から先端部が露出し、基端部が前記バレルの内部に位置する、中心軸方向に沿った長さが固定の固定プランジャーを更に備え、
前記プランジャーと前記固定プランジャーが、前記バレルの内部で電気的に接続することを特徴とする請求項３又は４に記載のプローブ。

【請求項6】

少なくともいずれかが請求項１又は２に記載のプローブである第１プローブおよび第２プローブと、
第１主面から前記第１主面に対向する第２主面まで貫通する貫通孔を有するプローブヘッドであって、前記第１主面に先端部を露出して前記第１プローブが前記貫通孔に挿入され、前記第２主面に先端部を露出して前記第２プローブが前記貫通孔に挿入されたプローブヘッドと
を備え、
前記プランジャーの先端部が露出する前記バレルの開口端が、前記プローブヘッドの前記貫通孔の開口部で固定され、
前記第１プローブと前記第２プローブが前記プローブヘッドの内部で電気的に接続する
ことを特徴とする電気的接続装置。

【請求項7】

前記プローブヘッドの前記貫通孔の壁面を導電膜が被覆し、前記導電膜を介して前記第１プローブと前記第２プローブが電気的に接続することを特徴とする請求項６に記載の電気的接続装置。

【請求項8】

前記プローブヘッドの前記貫通孔の内部に配置した導電性を有する接続部材を更に備え、
前記引きバネが伸長した状態において、前記接続部材を介して前記第１プローブの基端部と前記第２プローブの基端部が電気的に接続することを特徴とする請求項６に記載の電気的接続装置。

【請求項9】

前記接続部材が、前記貫通孔の内壁に沿って自在に移動可能な球状体であることを特徴とする請求項８に記載の電気的接続装置。

【請求項10】

前記接続部材が板バネであることを特徴とする請求項８に記載の電気的接続装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被検査体の電気的特性の測定に使用するプローブおよび電気的接続装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体集積回路などの被検査体の電気的特性をウェハから分離しない状態で測定するために、被検査体に接触するプローブを有する電気的接続装置を用いる。プローブを用いる測定では、被検査体とプローブの電気的な接続を確保する。例えば、中心軸方向に伸縮する押しバネを有するプローブを使用し、プローブを被検査体に押し付けるようにオーバードライブをかける（特許文献１参照。）。

【0003】

プローブは、被検査体の検査用パッドの位置に対応して配置する。したがって、半導体集積回路の微細化が進んで検査用パッドの配置間隔が狭くなると、プローブの配置間隔も狭くなる。検査用パッドの狭ピッチ化に伴い、プローブの細径化が進んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－５３９３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

押しバネを有するプローブが細径化すると、横方向の剛性が不足して収縮時に押しバネが蛇行する。このため、摺動時にプローブが周囲と擦れて、プローブが摩耗したり削れたりする。その結果、プローブの摺動不足やプローブの破損などが発生する。

【0006】

本発明は、摺動時のプローブの周囲との擦れを低減するプローブおよび電気的接続装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、中心軸方向に沿って伸縮する引きバネを有する管形状のバレルと、基端部がバレルの内部に位置し、バレルの一方の開口端から先端部が露出するプランジャーとを備えるプローブが提供される。引きバネの一方の端部がプランジャーの基端部に固定され、引きバネの他方の端部がプランジャーの基端部よりも先端部に近い位置でバレルに固定される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、摺動時のプローブの周囲との擦れを低減するプローブおよび電気的接続装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置の構成を示す模式図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る電気的接続装置のプローブが被検査体と接触した状態を示す模式図である。

【図3】比較例のプローブの構成を示す模式図である。

【図4】比較例のプローブのバネ部が圧縮された状態を示す模式図である。

【図5】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る電気的接続装置の構成を示す模式図である。

【図6】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る電気的接続装置のプローブが被検査体と接触した状態を示す模式図である。

【図7】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る電気的接続装置の他の構成を示す模式図である。

【図8】本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る電気的接続装置の構成を示す模式図である。

【図9】本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る電気的接続装置のプローブが被検査体と接触した状態を示す模式図である。

【図10】本発明の第２の実施形態に係るプローブの構成を示す模式図である。

【図11】本発明の第２の実施形態に係るプローブが被検査体と接触した状態を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部の厚みの比率などは現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。

【0011】

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係るプローブを第１プローブ１０１および第２プローブ１０２として使用する電気的接続装置１を示す。以下において、第１の実施形態に係るプローブを「プローブ１０」と称する。電気的接続装置１は、被検査体２の測定に使用する。

【0012】

プローブ１０は、図１に示すように、管形状のバレル１１と、基端部がバレル１１の内部に位置し、バレル１１の一方の開口端から先端部が露出するプランジャー１３を備える。バレル１１は、バレル１１の中心軸方向に沿って伸縮する引きバネ１２を有する。引きバネ１２の一方の端部は、プランジャー１３の基端部に固定されている。また、引きバネ１２の他方の端部は、プランジャー１３の基端部よりも先端部に近い位置でバレル１１に固定されている。図１では、引きバネ１２をプランジャー１３に固定した位置を固定点Ｐ１で示し、引きバネ１２をバレル１１に固定した位置を固定点Ｐ２で示している（以下において同様。）。

【0013】

図１に示すプローブ１０の引きバネ１２は、バレル１１の側面を貫通する螺旋状の切り込みを形成した領域である。この切り込みを形成した領域がバネ部となって、プローブ１０は中心軸方向に伸縮自在である。図１に示したプローブ１０において、固定点Ｐ２は、バレル１１の切り込みを形成し始める位置である。そして、バレル１１の切り込みのない領域に設定した固定点Ｐ１で、プランジャー１３の基端部とバレル１１が接合する。例えば、スポット溶接、かしめ、接着材などにより、プランジャー１３の基端部とバレル１１が接合する。

【0014】

電気的接続装置１は、図１に示すように、第１プローブ１０１および第２プローブ１０２を保持するプローブヘッド２０と、プローブヘッド２０が配置された配線基板３０を備える。

【0015】

プローブヘッド２０は、第１主面２１から第１主面２１に対向する第２主面２２まで貫通する貫通孔を有する。第１プローブ１０１は、第１主面２１に先端部を露出してプローブヘッド２０の貫通孔に挿入される。第２プローブ１０２は、第２主面２２に先端部を露出してプローブヘッド２０の貫通孔に挿入される。

【0016】

プランジャー１３の先端部が露出するバレル１１の開口端は、プローブヘッド２０の貫通孔の開口部で固定されている。なお、プランジャー１３の先端部が露出するバレル１１の開口端は、プローブヘッド２０から露出した部分で、プローブヘッド２０の貫通孔の開口部の内径よりも外径が太い鍔部を有する。この鍔部がプローブヘッド２０の貫通孔の開口部に引っ掛かることにより、バレル１１がプローブヘッド２０の貫通孔に押し込まれることを防止する。

【0017】

第１プローブ１０１のプローブヘッド２０から露出する先端部は、被検査体２に向いている。第２プローブ１０２のプローブヘッド２０から露出する先端部は、配線基板３０に配置したランド３１と接続する。ランド３１は金属材などの導電性材料からなり、テスタなどの検査装置（図示略）とランド３１は電気的に接続する。電気的接続装置１を介して、検査装置と被検査体２との間で電気信号が伝搬する。

【0018】

電気的接続装置１は垂直動作式プローブカードであり、被検査体２の測定時に第１プローブ１０１の先端部が被検査体２の検査用パッド（図示せず）と接触する。図１は、第１プローブ１０１が被検査体２に接触していない状態を示している。

【0019】

被検査体２の測定においては、プローブヘッド２０が被検査体２に対して相対的に移動し、図２に示すように、第１プローブ１０１の先端部が被検査体２に接触する。このとき、第２プローブ１０２の先端部はランド３１に当接しており、第１プローブ１０１のプランジャー１３および第２プローブ１０２のプランジャー１３は中心軸方向に移動する。このため、第１プローブ１０１の引きバネ１２および第２プローブ１０２の引きバネ１２が伸長する。これにより引きバネ１２が受ける引張荷重により、所定の押圧で第１プローブ１０１が被検査体２に押し付けられる。

【0020】

被検査体２の測定が終了して第１プローブ１０１と被検査体２が離れると、第１プローブ１０１の引きバネ１２および第２プローブ１０２の引きバネ１２が収縮する。このように、第１プローブ１０１や第２プローブ１０２は、被検査体２の測定時に、プローブヘッド２０の貫通孔の内部で摺動する。

【0021】

上記では、説明をわかりやすくするために、プローブヘッド２０が保持する第１プローブ１０１と第２プローブ１０２がそれぞれ１本である場合を示した。被検査体２の検査用パッドの個数に対応して、プローブヘッド２０は、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２のペアを複数保持する。

【0022】

以上に説明したプローブ１０の動作と比較して、図３に示すバネ部が押しバネ１２０である比較例のプローブ（以下、「比較プローブ１００」という。）の動作について検討する。比較プローブ１００は、バレル１１０の側面を貫通する螺旋状の切り込みを形成した領域がバネ部である。被検査体と接触する第１プランジャー１３１の先端部がバレル１１０の一方の開口端から露出し、第１プランジャー１３１の基端部をバレル１１０の内部に配置する。第１プランジャー１３１は、バレル１１０の開口端に近接する接合点Ｐ１０でバレル１１０と接合する。バレル１１０の他方の開口端から第２プランジャー１３２の先端部が露出し、第２プランジャー１３２の基端部をバレル１１０の内部に配置する。第２プランジャー１３２は、バレル１１０の開口端に近接する接合点Ｐ２０でバレル１１０に接合する。図示を省略するが、第２プランジャー１３２の先端部は、例えば配線基板３０のランド３１に接続する。

【0023】

被検査体の測定時に、被検査体に当接することによって第１プランジャー１３１が受ける押力Ｆにより、比較プローブ１００の押しバネ１２０が圧縮する。このとき、比較プローブ１００の径が細い場合に、比較プローブ１００の剛性が不足して、図４に示すように押しバネ１２０が蛇行する。その結果、比較プローブ１００の伸縮時に、比較プローブ１００とプローブヘッド２０が擦れる。

【0024】

比較プローブ１００とプローブヘッド２０が擦れると、被検査体の測定を繰り返すことにより、比較プローブ１００とプローブヘッド２０との接触部分で比較プローブ１００が徐々に削られる。このため、例えば、比較プローブ１００の側面がささくれてプローブヘッド２０に引っ掛かるなどして、比較プローブ１００とプローブヘッド２０の間に摩擦力が生じる。その結果、比較プローブ１００の伸縮が阻害されて比較プローブ１００の摺動不足が生じたり、比較プローブ１００が破損したりする。

【0025】

これに対し、バネ部が引きバネ１２であるプローブ１０では、被検査体２の測定時に、バネ部が圧縮するのではなく伸長する。このため、プローブ１０が細径化しても、測定時にバネ部が蛇行しない。したがって、バネ部の伸縮時にプローブ１０とプローブヘッド２０が擦れない。このように、プローブ１０によれば、プローブ１０の摺動不足やプローブ１０の破損が低減する。

【0026】

なお、ランド３１と被検査体２を電気的に接続するプローブ１０に、導電性の材料を使用する。例えば、バレル１１にニッケル（Ｎｉ）材などを使用し、プランジャー１３にＡｇＰｄＣｕ材などを使用する。また、プローブヘッド２０に非導電性の材料を使用する。例えば、セラミック材などをプローブヘッド２０に使用する。

【0027】

第１プローブ１０１と第２プローブ１０２は、プローブヘッド２０の内部で電気的に接続する。例えば図１に示すプローブヘッド２０では、貫通孔の壁面を導電膜１４が被覆している。バレル１１の側面が導電膜１４と接触して、導電膜１４を介して第１プローブ１０１と第２プローブ１０２が電気的に接続する。導電膜１４は、例えば、膜厚が２μｍ程度の銅（Ｃｕ）膜、膜厚が１μｍ程度のＮｉ膜、および金（Ａｕ）膜を積層した積層構造である。導電膜１４の膜厚は、一般的なホールメッキ厚である数μｍ程度である。

【0028】

以上に説明したように、第１の実施形態に係るプローブ１０では、伸長した引きバネ１２の受ける引張荷重により、プローブ１０の先端部が所定の押圧で被検査体２に接触する。そして、バネ部に引きバネ１２を使用するプローブ１０は、プローブ１０がプローブヘッド２０の貫通孔の内部で摺動する際のバネ部の蛇行を低減する。このため、プローブ１０によれば、プローブ１０とプローブヘッド２０が擦れることを防止する。したがって、プローブ１０は、プローブ１０の破損や測定時のプローブ１０の摺動不足を低減する。

【0029】

また、バネ部を押しバネにした場合には、密着高さよりもバネ部は圧縮しない。このため、バネ部が密着高さよりも長い状態でプローブが被検査体２に接触するように、プローブの長さに制約がある。一方、バネ部に引きバネ１２を使用した場合にはそのような制約はなく、設計自由度が高い。

【0030】

＜第１変形例＞
図１では、プローブヘッド２０の貫通孔の壁面に被覆した導電膜１４によって第１プローブ１０１と第２プローブ１０２が電気的に接続する例を示した。図１に示した方法以外にも、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２を電気的に接続するために種々の方法を採用可能である。

【0031】

例えば、プローブヘッド２０の貫通孔の内部に導電性を有する接続部材を配置してもよい。接続部材は、プローブ１０の引きバネ１２が伸長した状態において第１プローブ１０１の基端部と第２プローブ１０２の基端部により接続部材を挟むように配置する。これにより、接続部材を介して第１プローブ１０１と第２プローブ１０２が電気的に接続する。

【0032】

図５に、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２を電気的に接続する接続部材が金属球１５である例を示す。金属球１５は、貫通孔の内壁に沿って自在に移動可能な球状体である。被検査体２に当接することによってプランジャー１３が受ける押力Ｆにより引きバネ１２が伸長すると、図６に示すように、第１プローブ１０１の基端部と第２プローブ１０２の基端部の間に金属球１５が挟まる。これにより、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２が電気的に接続する。

【0033】

なお、接続部材の形状は球形状に限らない。例えば、金属球１５の代わりに、導電性を有する柱状の接続部材を使用してもよい。或いは、接続部材として、図７に示すように導電性を有する板バネ１６をプローブヘッド２０の内部に配置してよい。また、メッシュ状に加工するなどして弾力性を持たせた金属材を接続部材に使用してもよい。

【0034】

＜第２変形例＞
図１に示した電気的接続装置１では、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２のいずれもが引きバネ１２を有するプローブ１０である。しかし、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２のいずれか一方をプローブ１０にして、他方を中心軸方向に沿った長さが固定のプローブ（以下において「固定長プローブ」という。）にしてもよい。バネ部のない固定長プローブを第１プローブ１０１と第２プローブ１０２の一方に使用しても、他方のプローブ１０の引きバネ１２が伸長することにより、第１プローブ１０１が所定の押圧で被検査体に接触する。

【0035】

図８に、第１プローブ１０１にプローブ１０を使用し、第２プローブ１０２に固定長プローブ１０Ｂを使用した電気的接続装置１の例を示す。図８に示した電気的接続装置１を使用して被検査体２を測定している状態を、図９に示す。図９に示すように、被検査体２に当接することによって第１プローブ１０１のプランジャー１３が受ける押力により、第１プローブ１０１の引きバネ１２が伸長し、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２は金属球１５を介して電気的に接続する。

【0036】

第１プローブ１０１の引きバネ１２が伸長することにより、第１プローブ１０１が所定の押圧で被検査体２に接触する。このとき、第１プローブ１０１のバネ部が引きバネ１２であるため、バネ部は蛇行せず、第１プローブ１０１がプローブヘッド２０と擦れることを防止できる。

【0037】

第１プローブ１０１と第２プローブ１０２の一方を製造の容易な固定長プローブにすることにより、電気的接続装置１のコストを低減できる。なお、第２プローブ１０２がプローブ１０であり、第１プローブ１０１が固定長プローブであってもよい。また、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２の電気的な接続には、金属球１５以外の接続部材を使用してもよいし、図１に示すように導電膜１４を用いてもよい。

【0038】

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るプローブ１０ａは、図１０に示すように、引きバネ１２をバレル１１の内部に配置したポゴピン型である。プローブ１０ａでは、引きバネ１２の一方の端部は、固定点Ｐ１において、バレル１１の内部に配置したプランジャー１３の基端部に固定される。引きバネ１２の他方の端部は、プランジャー１３の基端部よりも先端部に近い固定点Ｐ２でバレル１１に固定される。

【0039】

また、プローブ１０ａは、バレル１１の他方の開口端から先端部が露出する固定プランジャー４０を更に備える。固定プランジャー４０は、バネ部を有さず、中心軸方向に沿った長さが固定である。固定プランジャー４０は、接合点Ｐ４０でバレル１１と接合する。プランジャー１３と固定プランジャー４０は、バレル１１の内部で電気的に接続する。例えば、導電性を有するバレル１１を介してプランジャー１３と固定プランジャー４０が電気的に接続する。固定プランジャー４０の先端部は、配線基板３０のランド３１に接続する。

【0040】

プローブ１０ａの引きバネ１２はコイル型引きバネである。プランジャー１３は、バレル１１の内部で引きバネ１２の内側を通過している。

【0041】

図１１に示すように、被検査体に先端部が当接することによってプランジャー１３が受ける押力Ｆにより、プランジャー１３がバレル１１の内部に押し込まれる。このとき、引きバネ１２が伸長し、所定の押圧でプランジャー１３の先端部が被検査体と接触する。

【0042】

引きバネ１２が伸縮するプローブ１０ａは、プランジャー１３がバレル１１の内部で摺動する際に、引きバネ１２が蛇行してバレル１１の内壁と擦れることを防止する。このため、プローブ１０ａの破損や摺動不足を低減できる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

【0043】

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0044】

例えば、第１の実施形態では、第１プローブ１０１と第２プローブ１０２のいずれもバネ部が引きバネ１２である例を説明したが、第１プローブ１０１のバネ部を引きバネ１２にし、第２プローブ１０２のバネ部を押しバネにしてもよい。被検査体２の測定においては、ランド３１に接触する第２プローブ１０２の基端部の位置が固定されるため、第２プローブ１０２のバネ部の伸縮する長さは短い。このため、第２プローブ１０２のバネ部に押しバネを使用しても、バネ部の蛇行が少なく、第２プローブ１０２とプローブヘッド２０の擦れは少ない。

【0045】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。

【符号の説明】

【0046】

１…電気的接続装置
２…被検査体
１０…プローブ
１１…バレル
１２…引きバネ
１３…プランジャー
１４…導電膜
１５…金属球
１６…板バネ
２０…プローブヘッド
３０…配線基板
４０…固定プランジャー
１００…比較プローブ
１０１…第１プローブ
１０２…第２プローブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】