JP4791865B2 - 多層型プローブピンおよびプローブカード - Google Patents

Description

本発明は、多層型プローブピンおよびプローブカードに関するものである。より詳細には、本発明は、鉛フリーハンダによっても容易にかつ迅速、確実にハンダつけ処理が可能な多層型プローブピンおよびこれを用いてなるプローブカードに関するものである。

従来より、基板上に形成された半導体集積回路や液晶表示装置等の電気的特性の検査を行う際には、複数のプローブピンが配列したプローブカード（プローブピンの保持具）が用いられている。この検査は、通常、基板上に形成された検査対象物である半導集積回路素子や液晶表示装置等の複数の端子のそれぞれに、プローブピンを接触させることによって行われている。

このようなプローブピンには、信頼性の高い検査結果が得られるように、繰り返し検査に使用されても同様の検査結果が長期間安定して得られることが求められている。さらに、近年半導体装置等の高集積化に伴う端子の狭ピッチ化に対応するため、プローブピンの細線化および各プローブピンの設置間隔（ピンピッチ）を狭めることが求められている。

プローブピンは、検査対象と接触させる端部においては良好な導電性が求められる一方、プローブカードとの間、および隣接した他のプローブピンとの間には電気絶縁性が必要であることから、検査対象物との接触部では金属からなる中心部材が露出し、他の部分には絶縁性被覆が形成された多層型プローブピンが広く用いられている。このような多層型プローブピンでは、プローブピンとプローブカードとの固定をハンダ付けにて行えるようにするために、前記の絶縁層の外周面に導電性金属層を形成することが行われている。例えば、特開２００３−８０３６４号公報（特許文献１）など。
特開２００３−８０３６４号公報

昨今、環境問題から、プローブピンとプローブカードとの固着を行うハンダについても鉛フリー化に対応したハンダが使用される様になったが、このような鉛フリーハンダは従来の共晶ハンダと比較してハンダの濡れ性がよくないために接合強度が十分でなく、また予備ハンダ処理等が必要になる場合があって、ハンダ付け作業を効率的に行うことができなかった。ハンダ接合強度の更なる向上およびハンダ作業の効率化を図ることは、プローブピンの細線化および狭ピンピッチ化に対応するうえで益々重要になっている。

本発明は、多層型プローブピンにおいてハンダの濡れ性およびハンダ接合強度を向上させ、予備ハンダ工程、ハンダ付け工程でのリードタイムを短縮できる、鉛フリー化に対応した多層型プローブピンを提供するものである。

したがって、本発明による多層型プローブピンは、中心部材と、この中心部材を被覆する絶縁層と、この絶縁層の外周面に形成された導電性金属層とが組み合わされてなるプローブピンであって、前記の導電性金属層の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層の表面の少なくとも一部に導電性薄膜層が形成されていることを特徴とするもの、である。

このような本発明による多層型プローブピンは、好ましい態様として、前記の導電性薄膜層が、前記の多層型プローブピンをプローブカードに接合する際の接合部分に形成されているもの、を包含する。

このような本発明による多層型プローブピンは、好ましい態様として、前記の中心部材が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分と金属材料からなるもの、を包含する。

このような本発明による多層型プローブピンは、好ましい態様として、前記の導電性薄膜層が、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるもの、を包含する。また、導電性薄膜層はメッキ膜であることが好ましい。

このような本発明による多層型プローブピンは、好ましい態様として、前記の絶縁層と前記の導電性金属層とが、カシメ、エポキシ溶着、ヤキバメ、ろう接のいずれによって接合されているもの、を包含する。

このような本発明による多層型プローブピンは、好ましい態様として、前記の導電性薄膜層の層厚が０．１μｍ以上５０μｍ以下であるもの、を包含する。

そして、本発明によるプローブカードは、前記いずれかの多層型プローブピンが鉛フリーハンダによって接合されてなるもの、である。

本発明による多層型プローブピンは、中心部材と、この中心部材を被覆する絶縁層と、この絶縁層の外周面に形成された導電性金属層とが組み合わされてなるプローブピンであって、前記の導電性金属層の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層の表面の少なくとも一部に導電性薄膜層が形成されていることから、鉛フリーハンダのぬれ性が向上したものである。

よって、本発明によれば、プローブピンをプローブカードに接合に鉛フリーハンダを用いた場合であっても、十分なハンダ接合強度が得られるとともに、ハンダ付け作業を効率的にかつ確実に行うことができる。

＜多層型プローブピン＞
本発明による多層型プローブピンは、中心部材と、この中心部材を被覆する絶縁層と、この絶縁層の外周面に形成された導電性金属層とが組み合わされてなるプローブピンであって、前記の導電性金属層の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層の表面の少なくとも一部に導電性薄膜層が形成されていることを特徴とするもの、である。

図１は、本発明による多層型プローブピンの好ましい一具体例の概要を示す断面図である。

図１に示される本発明による多層型プローブピン１は、中心部材２と、この中心部材２を被覆する絶縁層３と、この絶縁層３の外周面に形成された導電性金属層４とが組み合わされてなるプローブピンであって、前記の導電性金属層３の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層３の表面の少なくとも一部に導電性薄膜層５が形成されているものである。

中心部材２の先端部２ａは、検査対象を電気的に検査する際に、検査対象と接触する部分であることから、中心部材２の少なくとも検査対象に接触させるその部分については、絶縁層３が被覆されておらず中心部材２が露出している必要がある。

中心部材２としては、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるものが好ましい。特に、高融点金属、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂの少なくとも１種を成分として、好ましくは５０重量％以上含む金属材料からなるものが好ましい。ここで、「主成分」とは、中心部材２を構成する金属材料の中で最も存在比率（重量比）が高い成分を意味する。中心部材２には、上記以外の成分、例えばＳｉ、Ｃ、Ｏ等が含有されていてもよい。

中心部材２の太さ、長さ、断面形状、その先端部２ａの形状、先端部２ａの露出部分の長さ、露出面積等は、例えばプローブピンの形態、大きさ、検査対象、具体的使用条件、製造条件、その他の条件等に応じて適宜定めることができる。本発明による好ましい多層型プローブピンの中心部材２について、その太さ、長さ等を示せば下記の通りになる。

太さ＝Φ０．４ｍｍ以下、長さ＝５０ｍｍ以下である。また、検出器として使用される中心部２の先端部２ａの太さはφ０．２ｍｍ以下、長さ２０ｍｍ以下が目安になる。

中心部材２の、検査の際に電気的接触が必要とされない部分、例えば中心部材２の先端部２ａ以外の表面、には、絶縁層３が被覆されている。なお、絶縁層３は、絶縁性が必要な部分、例えばプローブカードの基板６との接合部分、のみに形成されていてもよい。本発明の絶縁層３は、エポキシ樹脂、テフロン等のフッ素系樹脂、シリコーン樹脂などの絶縁性の高い樹脂を用いて形成することが好ましい。この中では特にテフロン４弗化樹脂が好ましい。

絶縁層３の厚さや形成位置等は任意であって、例えば、プローブピンの形態、大きさや、プローブピンが接合されるプローブカードの形状、大きさ、組み立て方法ならびに使用目的、使用条件等に応じて適宜定めることができる。特に、絶縁層３の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下が適当である。 １μｍ未満の場合には、プローブピンの屈曲や他のプローブピンとの接触によって被覆層が損傷して絶縁性が保てなくなる場合があり、一方、３０μｍを超過する場合は、挟ピッチのプローブピン装置への適用が困難になり、またプローブピンの柔軟性低下や重量増加によって、検査対象物との接触精度が低下する心配がある。

通常、プローブピンの先端部２ａは、検査に繰り返し使用されることによって次第に摩耗、変質ないし汚染する場合があるが、先端部形状や表面性状等の調整あるいは変質または汚染部位の除去のために研磨処理を行う場合には、それらの処理を考慮したうえで中心部材２および絶縁層３の被覆部分等を定めることができる。

本発明による多層型プローブピン１の絶縁層３の外周面には、導電性金属層４が形成されている。この導電性金属層４の形成目的は、主として多層型プローブピン１とプローブカードの基板６との固定をハンダ付けにて行えるようにすることにあるので、この導電性金属層４は少なくともハンダ付け部分には形成されている必要がある。

導電性金属層４としては、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるものが好ましい。特に、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるものが好ましい。ここで、「主成分」とは、導電性金属層４を構成する金属材料の中で最も存在比率（重量比）が高い成分を意味する。

導電性金属層４の層厚は、好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下である。絶縁層３と導電性金属層４との接合方法は任意であり、従来から多層型プローブピンにおいて用いられてきたものを本発明でも採用することができる。絶縁層３と導電性金属層４とは、好ましくは、カシメ、エポキシ溶着、ヤキバメ、ろう接のいずれによって接合することができる。

そして、本発明による多層型プローブピン１では、この導電性金属層４の表面の少なくとも一部に、導電性薄膜層５が形成される。この導電性薄膜層５は、本発明による多層型プローブピン１とプローブカードの基板６とを接合する際に、少なくとも鉛フリーハンダによって接合される部分の一部に形成されていることが必要である。なお、プローブカードの基板６と接合されない部分、あるいは鉛フリーハンダ以外の方法によって接合がなされる部分については、導電性薄膜層５は形成されていても形成されていなくてもよい。ここで、導電性金属層４の表面は、少なくとも導電性薄膜層５が形成される部分については、表面粗さがＲａ３０μｍ以下であることが重要である。ここでの表面粗さＲａは、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１によって規定されたものである。Ｒａは、好ましくは０．１μｍ以上３０μｍ以下、特に好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下、である。

導電性金属層４の表面粗さＲａを上記範囲内にする方法として、エミリー紙による研磨加工方法が特に好ましいが、例えば、ダイヤモンド刃物やセラミックス刃物による砥石による研磨、化学処理によるエッチング、ペーストによるバフ研磨も採用することもできる。

導電性薄膜層５としては、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるものが好ましい。ここで、「主成分」とは、導電性薄膜層５を構成する金属材料の中で最も存在比率が高い成分を意味する。導電性薄膜層５には、上記以外の成分、例えばＳｉ、Ｃ、Ｏ等が含有されていてもよい。

導電性薄膜層５の層厚は、好ましくは０．１μｍ以上５００μｍ以下、特に好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、である。導電性薄膜層の厚さが０．１μｍ未満である場合には界面での密着力が弱くなり、一方、５００μｍ超過の場合にはアセンブリし難いことから好ましくない。

導電性薄膜層５の形成方法は、上記の金属からなる層を上記厚さで効率よく形成できるのであれば任意の方法を用いることができる。好ましい方法としては、めっき法、ゾルゲル、機械的なはめあい方式等を挙げることができる。

本発明による多層型プローブピン１は直線状のものであっても、プローブピンの一箇所または複数箇所で屈曲ないし湾曲しているものであってもよい。本発明では、特に曲げ加工されて、図１に示されるように屈曲ないし湾曲しているものが好ましい。このような加工によって多層型プローブピンにばね性を持たせることができる。

このようにばね性を持たせることによって、プローブカードに組込んで検査に使用する際に、プローブピン先端部の摩耗が低減しかつプローブピン接触時の衝撃が低減して耐久性が向上すると共に、プローブピンと検査対象物との接触状態を安定させることができる。なお、プローブピンの屈曲角度あるいは湾曲の程度は、例えばプローブピンの長さ、太さ、先端部の形状、検査対象物との接触角、プローブピンの配置位置、ならびに検査対象物の大きさ、形状、その端子位置やピッチ等に応じて決定することができる。このように屈曲ないし湾曲しているプローブピンは、検査対象物との接触の際にたわみが生じて、特に狭ピッチのプローブカードの場合には、そのプローブピンと近傍の他のプローブピンとが干渉することがある。前記の絶縁層が形成された本発明による多層型プローブピンは、プローブピンが干渉し接触した場合にも各プローブピン間の電気的絶縁性が良好に維持されているものである。

上記の本発明による多層型プローブピンは、中心部材と、この中心部材を被覆する絶縁層と、この絶縁層の外周面に形成された導電性金属層とが組み合わされてなるプローブピンであって、前記の導電性金属層の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層の表面の少なくとも一部に導電性薄膜層が形成されているものであることから、鉛フリーハンダに対する濡れ性が良好であるので、多層型プローブピンを鉛フリーハンダを用いて効率的にかつ十分な強度で接合することができるものである。

本発明の効果が特に顕著に観察される鉛フリーハンダの具体例としては、例えばＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ等系、およびＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ等系等の鉛フリーハンダを例示することができる。

＜プローブカード＞
本発明によるプローブカードは、前記の多層型プローブピンが鉛フリーハンダによって接合されてなるもの、である。

図２および図３は、本発明によるプローブカードの好ましい具体例の概要を示すものである。

図２には、本発明による多層型プローブピン１を複数具備するプローブカード７が示されている。このプローブカード７において、各多層型プローブピン１は、その先端部が鋭角状に加工されかつその胴体部に絶縁層３を有するものであり、胴体部に曲げ加工による屈曲を有するものであって、それぞれ鉛フリーハンダによってプローブカードの基板６に接合されている。各多層型プローブピンの長さ、屈曲角度（屈曲の大きさ）、屈曲方向（屈曲の方向）は、同一であっても異なっていてもよく、それが接触する検査対象物１２の端子１３との対応関係（検査対象物８の端子９との対応関係は、図２において矢印で示されている）等に応じて適宜決定することができる。例えば多層型プローブピンが平行に配置され、かつ多層型プローブピンが狭ピッチで（即ち、プローブピン間距離が短く）配置されているプローブカードの場合には、プローブピン同士の干渉（接触）が避けられるように屈曲方向を同一にすることが好ましい。

本発明による多層型プローブピン１と端子９との接触は、通常、多層型プローブピン１が設置されたプローブカード７と、端子９を有する検査対象物８とを、両者間の平行状態を維持したまま接近させて行う。これらの各多層型プローブピン１の先端部と各端子９との接触によって、多層型プローブピン１の先端部と端子９とが電気的に接続されると共に多層型プローブピン１はたわみ、プローブピン１のばね特性によってプローブピン１の先端部が端子９に押圧されることになる。

図３は、ウエハ上に形成された検査対象物１０の検査に適したプローブカード１１の一つの具体例の概要を示す斜視図である。この図３の本発明によるプローブカード１１では、多層型プローブピン１は貫通孔１２の縁に平行に配置されている。

この図３に示されるプローブカード１１は、ウエハ上に形成された多数の集積回路のうち、一列の集積回路を同時に検査するものである。具体的には、このプローブカード１１を、先ずウエハ上の一列の複数の集積回路のそれぞれの端子にプローブピンを接触させてこれら一列の集積回路の検査を同時に行い、次いでプローブカード１１を横にずらして、先に検査を行った隣の一列の集積回路の検査を行うことからなる工程を繰り返すことによって、ウエハ上の全ての集積回路の検査を効率的に行うものである。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。

＜実施例１＞
鉛フリー化に対する濡れ性の向上を解決する為の多層型プローブピンを以下のように作製した。

まず、高融点金属からなる中心部材に３％Ｒｅ−Ｗを用いた。線径は０．１５ｍｍ、長さは５０．８ｍｍである。次に、中心部材に、テフロン４弗化樹脂からなる絶縁性被覆層を、直径０．２ｍｍのテフロンのパイプ形状を中心部材に被せることによって形成した。この絶縁層の厚さは直径方向で０．２ｍｍであった。ここで、絶縁層の絶縁抵抗を測定したところ、１×１０^１２Ωであった。

そして、この絶縁層の外周部に、黄銅を用いて厚さ０．４ｍｍの導電性金属層を設け、エポキシ溶着にて、中心部材と絶縁性被覆層と導電性金属層とを接合させた。その後、この黄銅表面をエメリー紙＃８００で研磨した。導電性金属層の表面粗さはＲａ＝１０μｍであった。

次に、この表面にＳｎ電解メッキを行なった。膜厚は、直径方向で３μｍである。

以上のようにして、本発明による多層型プローブピンを作製し、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーハンダとの濡れ性およびはんだ接合強度を、下記方法によって評価した。

はんだ濡れ性：はんだの濡れ広がる速度が速いものを◎、普通のものを○、遅いものを×とした。はんだの濡れ広がる速度が速いということは均一なはんだ膜を形成し易いので結果として強固な接合を形成できるものである。

はんだ接合強度：スコッチテープ法により測定した。具体的にははんだ面にテープを張り、それを剥がした際に残存するはんだ層の割合（残存したはんだ層の面積／テープを剥がす前のはんだ層の面積）×１００（％）で測定し、残存率が９０％以上を◎、７０％以上９０％未満を○、７０％未満を×として表示した。
結果は、表１に示される通りである。

＜実施例２〜５および比較例１〜４＞
中心部材、絶縁性被覆層、導電性金属層および導電性薄膜層を、それぞれ表１の通りに変更した以外は実施例１と同様にして多層型プローブピンを製造した。

結果は、表１に示される通りである。

表１に示したようにＲａ３０μｍ以下の導電性薄膜層（めっき層）を設けたものははんだ濡れ性、接合強度が良いことが分かった。特にＲａが３μｍ以下のものははんだ濡れ性のみならず接合強度も高いことが分かった。

本発明による多層型プローブピンの好ましい一具体例を示す断面図 本発明のプローブカードの上面図 本発明のプローブカードの斜視図

符号の説明

１ 多層型プローブピン
２ 中心部材
３ 絶縁層
４ 導電性金属層
５ 導電性薄膜層
６ プローブカードの基板

Claims (7)

1. 中心部材と、この中心部材を被覆する絶縁層と、この絶縁層の外周面に形成されたＣｕを主成分とする金属材料からなる導電性金属層とが組み合わされてなるプローブピンであって、
   前記の導電性金属層の厚さが０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、この導電性金属層の表面粗さがＲａ３０μｍ以下であり、かつこの導電性金属層の表面の少なくとも一部にＳｎを主成分とする金属材料からなる導電性薄膜層が形成されていることを特徴とする、多層型プローブピン。
2. 前記の導電性薄膜層が、前記の多層型プローブピンをプローブカードに接合する際の接合部分に形成されている、請求項１に記載の多層型プローブピン。
3. 前記の中心部材が、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの少なくとも１種を主成分とする金属材料からなるものである、請求項１または２に記載の多層型プローブピン。
4. 前記の絶縁層と前記の導電性金属層とが、カシメ、エポキシ溶着、ヤキバメ、ろう接のいずれかによって接合されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多層型プローブピン。
5. 前記の導電性薄膜層の層厚が０．１μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれれか１項に記載の多層型プローブピン。
6. 前記導電性薄膜層がメッキ膜である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多層型プローブピン。
7. 前記の請求項１〜６のいずれかに記載の多層型プローブピンが鉛フリーハンダによって接合されてなる、プローブカード。

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