JP6961008B2 - プローブ案内部品、プローブカードおよびパッケージ検査用ソケット - Google Patents

Description

本発明は、プローブ案内部品、プローブカードおよびパッケージ検査用ソケットに関する。

電子部品等の精密機器を製造する工程においては、静電気放電による製造物へのダメージ、不良発生等を抑制するため、また、環境中に浮遊しているパーティクルの静電気吸着を防止するため、静電気対策を施した低帯電性材料が用いられている。

例えば、ＩＣチップの検査工程においては、プローブカードが用いられる。図１には、プローブカードの構成を例示した断面図を示し、図２には、プローブガイドの構成を例示した上面図を示す。図１に示すように、プローブカード１０は、針状のプローブ１１と、各プローブ１１を挿通させるための複数の貫通孔１２ａを有するプローブガイド（プローブ案内部品）１２を備える検査治具である。そして、ＩＣチップ１４の検査は、複数のプローブ１１をシリコンウエハ１３上に形成されたＩＣチップ１４に接触させることにより行われる。このとき、プローブガイド１２には、静電気対策を施した低帯電性材料が用いられている。

一般的な低帯電性材料としては、体積抵抗率で１０^６〜１０^１２Ω・ｃｍ程度の材料、例えば、導電性フィラーを添加した樹脂（特許文献１、２など）、導電性セラミックスを分散焼結させたセラミックス焼結体（特許文献３〜５など）などが広く用いられている。

特開２００５−２２６０３１号公報 国際公開第２００２／０８２５９２号 特開２０１３−１３６５０３号公報 特開２００８−０９４６８８号公報 特開２００６−１９９５８６号公報

近年のデバイスの微細化や高性能化に伴い、それを製造する装置に用いられる静電気対策材には、低帯電性だけでなく、快削性、耐熱性、機械特性、熱膨張率などの各種性能の向上が要求されている。

例えば、ＩＣチップの検査工程の検査効率は、ＩＣチップに同時に接触できるプローブの本数に依存する。このため、近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により、数万本の微小なプローブを高密度に立設したプローブカードが実用化されつつある。前掲の図２に示すように、プローブガイド１２には、プローブカード１０の各プローブ１１に対応する位置に貫通孔１２ａを設ける必要がある。プローブカード１０のプローブ１１の設置位置や形状などは、その検査装置の仕様によって様々であり、それに応じて、貫通孔１２ａの設置位置や形状なども様々である。例えば、プローブ１１がピン形状の場合は、貫通孔１２ａとしては円形の穴が採用される。穴の内径や穴のピッチもプローブ１１の種類や配置によるが、例えば、直径５０μｍの貫通孔を６０μｍピッチ（貫通孔間の壁厚は１０μｍ程度）で設ける場合がある。このような小さな貫通孔を数万個設ける必要があるため、快削性が必要となる。

プローブガイドには、検査を様々な温度環境で行なうために、耐熱性に優れることが求められる。プローブガイドには、シリコンウエハと同程度の熱膨張率であることも求められる。プローブガイドには、検査時の接触などに耐えるため、機械的特性に優れることも求められる。以上、主として、プローブガイドについて説明したが、優れた低帯電性と、快削性が要求される用途としては、パッケージ検査用ソケットなどの検査用ソケットがある。

ここで、特許文献１および２に記載される導電性フィラーを添加した樹脂の場合、剛性や耐熱性(使用温度)が低いことから、検査治具として用いる場合にプローブ数(耐荷重)や検査温度域が限られる。また、このような樹脂は、低熱伝導率で高熱膨張率であるため、加工中の熱により素材が膨張するので、加工後に所望の寸法精度が得られないことがある。

一方、Ａｌ_２Ｏ_３を主相とするセラミックス（特許文献３）、ＺｒＯ_２を主相とするセラミックス（特許文献４および５）の場合、低帯電性に優れているものの、硬度が高すぎるため、微細加工、特に、機械加工による切削が困難である。このため、例えば、これらの材料を用いてプローブガイドを製作する場合には、極端に製造時間が長期化するという問題がある。

本発明は、低帯電性（体積抵抗率で１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍ）および快削性に優れるセラミックス、そのセラミックスを用いたプローブ案内部品、プローブカードおよび検査用ソケットを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
（ａ）本発明者らは、まず、セラミックス焼結体の快削性を向上させるための主相について検討したところ、Ａｌ_２Ｏ_３を主相とするセラミックス、ＺｒＯ_２を主相とするセラミックスの場合、硬度が高すぎるため、微細加工が困難であるのに対して、ＢＮを主相とするセラミックス焼結体は、優れた快削性を有することが分かった。よって、セラミックスの主相はＢＮとするのがよい。
（ｂ）しかし、ＢＮは、体積抵抗率が１０^１５Ω・ｃｍオーダーと高すぎるため、検査工程で使用し続けた際に電荷が蓄積される。蓄積した電荷をゆっくりと放出することができないため、静電気放電を起こす。その結果、検査対象物に電流が瞬間的に流れてしまい、場合によっては検査対象物が破損するという問題がある。よって、セラミックス焼結体の体積抵抗率を１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍの範囲に制御して低帯電性を付与するためには、セラミックス焼結体の母材に１０^３Ω・ｃｍ以下程度の粒子を分散させるのが有効である。この分散粒子としては、特に、ＳｉＣ、ＷＣ、Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２などがある。しかし、ＷＣ、Ｃ、ＴｉＮ、ＴｉＯ_２の場合、ＳｉＣに比べて単体の体積抵抗率が低い。よって、ＢＮを主相とするセラミックスに適量のＳｉＣを分散させるのがよい。
（ｃ）ＢＮを主相とするセラミックスに適量のＳｉＣを分散させただけでは、機械特性に劣る場合があるので、ＳｉＣとともに、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４を分散させるのが有効である。
（ｄ）快削性と機械特性を両立させるには、緻密なセラミックス焼結体が望ましい。そのためには、加圧雰囲気下で焼成を行なう、ホットプレス焼成法を用いて作製するのがよい。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、下記の発明を要旨とする。

（１）質量％で、
ＢＮ：２０．０〜５５．０％、
ＳｉＣ：５．０〜４０．０％、
ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４：３．０〜６０．０％で構成されるセラミックス。

（２）−５０〜５００℃における熱膨張係数が１．０×１０^−６〜５．０×１０^−６／℃である、
上記（１）のセラミックス。

（３）体積抵抗率が、１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍである、
上記（１）または（２）のセラミックス。

（４）吸水率が、０．５％以下である、
上記（１）〜（３）のいずれかのセラミックス。

（５）プローブカードのプローブを案内するプローブ案内部品であって、
上記（１）〜（４）のいずれかのセラミックスを用いた板状の本体部と、
前記本体部に、前記プローブを挿通する複数の貫通孔および／またはスリットとを備える、
プローブ案内部品。

（６）複数のプローブと、
上記（５）のプローブ案内部品とを備える、
プローブカード。

（７）上記（１）〜（４）のいずれかのセラミックスを用いた、
パッケージ検査用ソケット。

本発明によれば、低帯電性（体積抵抗率で１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍ）および快削性に優れるセラミックスを得ることができるので、プローブ案内部品、プローブカードおよび検査用ソケットとして特に有用である。

図１は、プローブカードの構成を例示した断面図である。 図２は、プローブガイドの構成を例示した上面図である。 図３は、実施例１の微細化試験後の写真である。 図４は、比較例６の微細化試験後の写真である。

１．セラミックス
本発明に係るセラミックスは、質量％で、ＢＮ：２０．０〜５５．０％、ＳｉＣ：５．０〜４０．０％、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４：３．０〜６０．０％で構成される。以下、含有量についての「％」は「質量％」を意味する。

ＢＮ：２０．０〜５５．０％
本発明に係るセラミックスは、超硬工具で加工できる程度の快削性材料であることが求められるので、セラミックスに優れた快削性を付与するために、必須の成分として、２０．０％以上のＢＮを含有させる。しかし、ＢＮの含有量が５５．０％を超えると、材料強度が低下し、貫通孔の加工時に貫通孔間の壁が崩れるという問題が生じる。よって、ＢＮの含有量は、２０．０〜５５．０％とする。下限は２５．０％とするのが好ましく、３０．０％とするのがより好ましい。上限は、５０．０％とするのが好ましく、４５．０％とするのがより好ましい。

なお、ＢＮには、六方晶系ＢＮ（ｈ−ＢＮ）と、立方晶系ＢＮ（ｃ−ＢＮ）があるが、ｃ−ＢＮは、高硬度であるため、ｈ−ＢＮを用いるのがよい。ＢＮの粒径は、特に制約はないが、大きすぎると材料強度の低下を生じることがあるため、平均粒径で５μｍ未満であることが好ましい。

ＳｉＣ：５．０〜４０．０％
ＳｉＣは、セラミックスの体積抵抗率を１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍの範囲に制御するために必須の成分である。よって、ＳｉＣの含有量を５．０％以上とする。ただし、ＳｉＣの含有量が４０．０％を超えると、体積抵抗率が１０^６Ω・ｃｍを下回ってしまい低帯電性材料として好適な体積抵抗率ではなくなってしまうだけでなく、材料硬度が上昇しすぎて快削性が損なわれるという問題が生じる。よって、ＳｉＣの含有量は、５．０〜４０．０％とする。下限は１０．０％とするのが好ましく、１５．０％とするのがより好ましい。上限は、３５．０％とするのが好ましく、３０．０％とするのがより好ましい。

なお、ＳｉＣの粒径は、特に制約はないが、大きすぎると、体積抵抗率のバラツキが大きくなるため、平均粒径で２．０μｍ未満であることが好ましい。また、ＢＮを主体とするセラミックス中に分散状態で存在していることが好ましい。分散状態は、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectrometry）により、Ｓｉの元素分析を行なうことで確認することができる。

ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４：３．０〜６０．０％
ＺｒＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４は、いずれもセラミックスの機械的特性を向上させるために必須の成分である。よって、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の含有量を３．０％以上とする。ただし、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の含有量が６０．０％を超えると、硬度が上昇しすぎて、快削性が劣化し、高精度に微細穴を形成することができなくなる。よって、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の含有量は、３．０〜６０．０％とする。下限は５．０％とするのが好ましく、１０．０％とするのがより好ましい。上限は、５５．０％とするのが好ましく、５０．０％とするのがより好ましい。なお、ＺｒＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４の両方を含む場合には、合計の含有量を３．０〜６０．０％とする。

なお、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の粒径は、特に制約はないが、大きすぎると、機械的特性のバラツキが大きくなるため、平均粒径で２μｍ未満であることが好ましい。また、ＢＮを主体とするセラミックス中に分散状態で存在していることが好ましい。分散状態は、ＥＤＸによる元素分析により確認することができる。

本発明に係るセラミックスには、上記の各成分のほか、緻密なセラミックスを得るために必要な焼結助剤が含まれる。焼結助剤としては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ、Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（マグネシア、ＭｇＯ）、酸化イットリウム（イットリア、Ｙ_２Ｏ_３）、およびランタノイド金属の酸化物およびスピネルなどの複合酸化物から選択される１種以上が挙げられる。これらの中でも好ましいのは、アルミナとイットリアの混合物、またはさらにマグネシアを含有させた混合物である。

焼結助剤の含有量は、特に制約はないが、１．０〜１５．０％とすることが望ましい。配合量が少なすぎると焼結が不十分となり、焼結体であるセラミックスの強度が低下する。一方、配合量が多すぎると、強度の低いガラスや結晶などで構成される粒界相が増加し、やはりセラミックスの強度低下を招く。さらに、粒界相は体積抵抗率が高いことから、配合量が多すぎるとセラミックスの体積抵抗率の増加を招き、低帯電性に悪影響を及ぼす。焼結助剤の含有量は、３．０％以上とするのが好ましく、５．０％以上とするのがより好ましい。また、焼結助剤の含有量は、１２．０％以下とするのが好ましく、１０．０％以下とするのがより好ましい。

なお、各成分の含有量（質量％）は、ＩＣＰ発光分光分析法により測定することができる。

−５０〜５００℃における熱膨張係数：１．０×１０^−６〜５．０×１０^−６／℃
本発明に係るセラミックスをプローブガイドに用いる場合には、各ＩＣチップが搭載されるシリコンウエハの熱膨張係数と同程度であることが求められる。これは、検査時の温度が変化したときに、シリコンウエハの熱膨張に従ってＩＣチップの位置が変動する。このとき、プローブガイドが、シリコンウエハと同程度の熱膨張係数を有しておれば、シリコンウエハの膨張、収縮に同調して移動するので、高精度な検査を維持することができる。この点、本発明に係るセラミックスが検査用ソケットに用いられる場合も同様である。よって、−５０〜５００℃における熱膨張係数は、１．０×１０^−６〜５．０×１０^−６／℃であることを基準とする。

体積抵抗率：１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍ
本発明に係るセラミックスは、低帯電性を有することを特徴としており、体積抵抗率が１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍであることを基準とする。

吸水率：０．５％以下
本発明に係るセラミックスは、必要な機械的特性を得るために緻密であることを要する。気孔の残留が多いと十分な機械的特性が得られないことがあるので、吸水率が０．５％以下であることを基準とする。

曲げ強度：２００ＭＰａ以上
本発明に係るセラミックスは、プローブガイドに使用したときには、検査時にプローブなどとの接触や荷重に耐えうるように、十分な機械的特性を有していることが求められる。この点、本発明に係るセラミックスが検査用ソケットに用いられる場合も同様である。このため、曲げ強度は、２００ＭＰａ以上であることを基準とする。

快削性
快削性は、超硬マイクロドリルによる切削加工によって、直径５０μｍおよび直径１００μｍの貫通孔を６０μｍピッチで１０００個（８個×１２５列）設けたときの加工精度を、画像測定機（例えば（株）ミツトヨ製クイックビジョン）で観察することにより評価する。このとき、加工精度が±３．０μｍ以下である場合に快削性が良好であると判断する。

２．セラミックスの製造方法
以下、本発明に係るセラミックスの製造方法の例について説明する。

ＢＮ、ＳｉＣ、ならびに、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の粉末を焼結助剤とともに、ボールミルなどの公知の方法で混合する。すなわち、容器内で各粉末とともに、溶媒と、セラミックス製または鉄心入りの樹脂製ボールとともに混合してスラリー化する。この際、溶媒には水またはアルコールを用いることができる。さらには、必要に応じ分散剤やバインダーなどの添加物を用いてもよい。

得られたスラリーをスプレードライや減圧エバポレーターなどの公知の方法で造粒する。すなわちスプレードライヤーで噴霧乾燥して顆粒化あるいは、減圧エバポレーターで乾燥して粉末化する。

得られた粉末を高温高圧下で、例えばホットプレスまたはＨＩＰ（熱間等方圧加圧法）などの公知の方法で焼結して、セラミックス焼結体を得る。ホットプレスの場合、窒素雰囲気あるいは加圧窒素中で焼成してよい。また焼成温度は１４００〜１９００℃の範囲がよい。温度が低すぎると焼結が不十分になり、高すぎると酸化物成分の溶出などの問題が発生する。

加圧力は１５〜５０ＭＰａの範囲が適当である。また加圧力持続時間は温度や寸法によるが通常１〜４時間程度である。またＨＩＰの場合においても、温度や加圧力などの焼成条件を適宜設定すればよい。このほか、常圧焼成法や雰囲気加圧焼成法などの公知の焼成方法を採用してもよい。

本発明の効果を確認するべく、配合比を変化させた、ＢＮ（ｈ−ＢＮ）、ＳｉＣ、ならびに、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４の粉末を、焼結助剤（アルミナとイットリアの混合物、またはさらにマグネシアを含有させた混合物）とともに、水、分散剤、樹脂、セラミックス製のボールとともに混合し、得られたスラリーをスプレードライヤーで噴霧乾燥して顆粒状にした。得られた顆粒を黒鉛製のダイス（型）に充填し、窒素雰囲気中３０ＭＰａの圧力を加えながら１７００℃で２時間ホットプレス焼成を行って、縦１５０×横１５０×厚さ３０ｍｍの試験材を得た。

参考のため、市販の炭素繊維を添加した樹脂（比較例８）、市販のＡｌ_２Ｏ_３を主相とするセラミックス（比較例９）、市販のＺｒＯ_２を主相とするセラミックス（比較例１０）を試験材として用意した。

得られた試験材から試験片を採取して、各種の試験を行なった。

＜体積抵抗率＞
上記の試験材の体積抵抗率をＪＩＳ Ｃ２１４１に従って求めた。

＜熱膨張率＞
上記試験材の−５０〜５００℃における熱膨張係数をＪＩＳ Ｒ１６１８に従って求めた。

＜吸水率＞
上記の試験材の吸水率をＪＩＳ Ｃ２１４１に従って求めた。

＜曲げ強度＞
上記の試験材の三点曲げ強度をＪＩＳ Ｒ１６０１に従って求めた。

＜快削性＞
快削性は、超硬マイクロドリルによる切削加工によって、直径５０μｍおよび直径１００μｍの貫通孔を６０μｍピッチで１０００個（８個×１２５列）設けたときの加工精度（加工性精度が±３．０μｍ以下の場合を良好と判断する。）を目視観察により評価した。このとき、加工精度が±３．０μｍ以下である場合に快削性が良好であると判断し、「○」とし、加工精度が±３．０μｍ超の場合を「△」、ドリルが折れるなどして、穴開け加工そのものができない場合を「×」として、表１に記入した。

図３には、実施例１の微細化試験後の写真を示し、図４には、比較例６の微細化試験後の写真を示している。

表１に示すように、比較例１〜３は、ＢＮを主相とし、ＺｒＯ_２および／またはＳｉ_３Ｎ_４を含む例であるが、ＳｉＣが少ないか、含まれないため、体積抵抗率が高くなりすぎた。比較例４は、ＢＮが少なすぎるため、硬質なＳｉＣが多すぎるため、微細加工試験において、快削性が劣化していた。比較例５、６は、ＳｉＣではなく、Ｃを含ませたものであるが、比較例５では、体積抵抗率が高くなりすぎ、比較例６では、快削性が劣化していた。比較例７は、Ｓｉ_３Ｎ_４を主相とし、ＴｉＯ_２を含む例であるが、体積抵抗率が高すぎる上、快削性も劣化していた。比較例８〜１０は、いずれも快削性が劣化していた。

これに対して、実施例１〜１６は、体積抵抗率および快削性ともに良好であった。実施例１６は、求められる性能を満たしているものの、吸水率が０．８と高く、曲げ強度が若干劣っていた。また、図３および図４に示すように、比較例６では、切削加工時に貫通孔間の壁に崩れが生じたが、実施例１では、そのような崩れがなく、高精度に貫通孔を形成することができた。

本発明によれば、低帯電性（体積抵抗率で１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍ）および快削性に優れるセラミックスを得ることができるので、プローブ案内部品、プローブカードおよび検査用ソケットとして特に有用である。

Claims (9)

1. プローブカードのプローブを案内するプローブ案内部品であって、
   セラミックスを用いた板状の本体部と、
   前記本体部に、前記プローブを挿通する複数の貫通孔および／またはスリットとを備え、
   前記セラミックスが、質量％で、
   ＢＮ：２０．０〜５５．０％、
   ＳｉＣ：５．０〜４０．０％、
   ＺｒＯ_２、または、ＺｒＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４：３．０〜６０．０％を含み、
   残部は、１．０〜１５．０％の焼結助剤である、
   プローブ案内部品。
2. 前記セラミックスの−５０〜５００℃における熱膨張係数が１．０×１０^−６〜５．０×１０^−６／℃である、
   請求項１に記載のプローブ案内部品。
3. 前記セラミックスの体積抵抗率が、１０^６〜１０^１４Ω・ｃｍである、
   請求項１または２に記載のプローブ案内部品。
4. 前記セラミックスの吸水率が、０．５％以下である、
   請求項１から３までのいずれかに記載のプローブ案内部品。
5. 複数のプローブと、
   請求項１から４までのいずれかに記載のプローブ案内部品とを備える、
   プローブカード。
6. 質量％で、
   ＢＮ：２０．０〜５５．０％、
   ＳｉＣ：５．０〜４０．０％、
   ＺｒＯ _２ 、または、ＺｒＯ _２ およびＳｉ _３ Ｎ _４ ：３．０〜６０．０％を含み、
   残部は、１．０〜１５．０％の焼結助剤である、セラミックスを用いた、
   パッケージ検査用ソケット。
7. 前記セラミックスの−５０〜５００℃における熱膨張係数が１．０×１０ ^−６ 〜５．０×１０ ^−６ ／℃である、
   請求項６に記載のパッケージ検査用ソケット。
8. 前記セラミックスの体積抵抗率が、１０ ^６ 〜１０ ^１４ Ω・ｃｍである、
   請求項６または７に記載のパッケージ検査用ソケット。
9. 前記セラミックスの吸水率が、０．５％以下である、
   請求項６から８までのいずれかに記載のパッケージ検査用ソケット。
   

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