WO2022196399A1

WO2022196399A1 - プローブカード用プローブおよびその製造方法

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Publication number: WO2022196399A1
Application number: PCT/JP2022/009492
Authority: WO
Inventors: 和正大久保
Original assignee: 日本電子材料株式会社
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-09-22
Also published as: TW202300927A; KR20230042520A; JPWO2022196399A1; JP7470860B2; US20230258689A1; CN116171386A; TWI814277B

Abstract

半導体デバイスの電極ピッチに対応するようにプローブ（１）を薄くすると、機械的強度が不十分になる。薄い金属板で十分な機械的強度を得るための工夫が必要であった。　プローブカード用プローブ（１）の表面に、窪み形状または突出形状の複数の変形領域（８）と、隣り合う前記変形領域（８）の境界に設けられた骨組み領域（９）とを設け、前記変形領域（８）の応力を分散するようにした。

Description

プローブカード用プローブおよびその製造方法

　本願は、プローブカード用プローブおよびその製造方法に関するものである。

　プローブカードは、ウエハ上に形成された個々の半導体デバイスの動作テストを行うために、半導体デバイスの電極パッドにプローブを接触させて、電力の供給、信号の入出力、および接地を行うために使用される電気的な接続装置である。
　プローブは、プローブカードの表面に設けられ、所定の押圧力で先端が半導体デバイスの電極パッドに押し付けられるように構成されている。

　ウエハ上に形成される半導体デバイスの数量を増加させるためには、半導体デバイスのサイズを小さくすることが必要である。このため、半導体デバイスの電極パッドが小さく設計されるとともに、電極パッド間の距離（ピッチ）が小さく設計されている。
　半導体デバイスの微小化に応じて、プローブを微細にする必要がある。しかし、プローブを微細にすると、プローブの機械的強度が弱くなるという問題がある。

　このため、プローブは、半導体デバイスの電極パッドとの良好な電気的接触および機械的接触が保証されるために、例えば、特許文献１では、多層金属シートを使用する構成が提案されている。

特表２０１８－５０１４９０号公報

　特許文献１に示されているプローブは、コアに、高導電層と高硬度層とを設けた多層金属シートによる構造を、高い硬度の材料で完全に被覆されている。
　特許文献１に示されているように、良好な電気的接触および機械的接触を果たすためには、材質の異なる複数の層を重ね合わせた構成が好ましいが、プローブの断面の厚さを薄くするという要求に応えるには限度があり、さらなるブレークスルーが必要であった。

　プローブカード用のプローブは、半導体デバイスの電極パッドへの接触を確実にするため、プローブが電極パッドに接触した後に、さらにプローブカードを半導体ウエハに近づけること（オーバードライブ）によって、プローブを半導体デバイスの電極パッドに押し付けることが行われる。
　このため、プローブには、所定値以上の接触圧を加えても破壊されない強度が必要とされる。プローブが破壊されないために、プローブに局部的な応力集中が生じないようにする必要がある。そして、応力集中が生じないようにするため、できるだけ、表面が滑らかで、傷の無いプローブとすることが求められていた。

　しかし、金属表面を滑らかにするにも限度があり、プローブの断面の厚さが薄くなるほど外力に対して変形し易くなる（応力が小さくなる）という問題があった。

　本願は、上述の問題を解決する技術を開示するものであり、プローブを微細にしても、半導体デバイスの電極に適切な針圧で接触し、所定値以上の接触圧を加えても破壊されない強度を備えたプローブを提供することを目的とする。
　すなわち、本願のプローブカード用プローブは、応力集中が生じないようにするのではなく、応力集中を意図的に分散させる構造とすることによって応力の大きな（機械的強度の高い）構造を提供することを目的とする。

　本願に開示されるプローブカード用プローブは、窪み形状または突出形状の複数の変形領域と、隣り合う前記変形領域の境界に設けられた骨組み領域とを表面に有したことを特徴とする。

　本願に開示されるプローブカード用プローブによれば、板厚を薄くしたとしても所定値以上に応力を高くすることのできる構造体を提供することができる。

実施の形態１のプローブの概略的な構成を示す斜視図である。実施の形態１のプローブの針圧の特性図である。実施の形態１のプローブの応力の特性図である。実施の形態１のプローブの製造方法の説明図である。実施の形態１のプローブの製造方法の説明図である。実施の形態２のプローブの表面の斜視図である。実施の形態２のプローブの製造方法の説明図である。実施の形態３の面積拡張パターンを示す図である。実施の形態４のプローブの概略的な構成を示す図である。実施の形態５のプローブの概略的な構成を示す図である。実施の形態５のプローブの概略的な構成を示す図である。実施の形態６のプローブの表面の変形領域のパターンを示す図である。実施の形態７のプローブの概略的な構成を示す図である。実施の形態８のプローブの概略的な構成を示す図である。

実施の形態１
　以下、図面に従って実施の形態１を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当部分には同一の符号を付ける。
　図１は、この実施の形態１に係るプローブカード用のプローブの構成を示す斜視図である。

　この実施の形態１に示すプローブ１は、いわゆる垂直プローブと呼ばれるプローブであって、上側の第１のガイド板２と下側の第２のガイド板３によってほぼ垂直に保持されている。プローブ１の先端部分４は、半導体デバイスの電極パッド５に接触するように第２のガイド板３によって案内されている。プローブ１の後端部分６は、プローブカードの回路基板につながる電極（図示せず）に接続されるように第１のガイド板２によって案内されている。

　プローブ１は、導電部材の薄い金属板によって作られ、このプローブ１の中央部分７の表面には、複数の変形領域８と骨組み領域９とが形成されている。
　変形領域８とは、元の平面が変形された領域を示している。また骨組み領域９とは、複数の変形領域８の間を結合する領域を示している。また、変形領域８と骨組み領域９との間の稜線に相当するところは境界部分１０として表している。

　この実施の形態１では、変形領域８として、元の平面に四角柱の形の窪みを設けた例を示している。また、骨組み領域９は、変形領域８間の平面の部分が該当している。
　ここで、変形領域８を何も設けなかった構造のプローブと、変形領域８を表面側および裏面側に設けた構造のプローブとを比較すると、次の結果を得ることができた。すなわち、表面に変形領域８を設けなかったプローブの測定結果をＡとし、変形領域８を設けたプローブ１の特性の測定結果をＢとして表して、プローブ１の先端部分４が電極パッド５に接触した後に、さらに荷重を加えてプローブ１を電極パッド５に押し付ける状態（オーバードライブ状態）において、オーバードライブ量に対する針圧の関係は、図２に示すようになった。また、オーバードライブ量に対する応力の関係は、図３に示すようになった。

　図２に示すように、オーバードライブ量が７０μｍの時の針圧は、窪みの無いプローブでは１．７２ｇｆであったのに対して、窪みを設けたプローブ１では１．１９ｇｆであった。また、図３に示すように、オーバードライブ量が１１０μｍの時の最大応力は、窪みの無いプローブでは６７０ＭＰａであったのに対して、窪みを設けたプローブ１では８９１ＭＰａであって、プローブとしての機械的特性を満足できる状態であることが確認された。

　最大応力が大きくなった要因を検討したところ、構造上の特異点としては、プローブ１の表面積の相違が考えられる。
　すなわち、プローブ１の表面に四角柱の窪みの変形領域８を設けることによって表面積が増加している。四角い平面を陥没させた窪みの形状（すなわち、四角柱形の陥没形状を表している）の場合、四角柱形の頂部の表面積は、元の表面を押し下げただけであるので、面積に変化はない。これに対して、陥没によって生じた内壁面の部分の面積が増加している。

　この実施の形態１では、プローブの表裏に設けられた窪みの寸法は、一辺が２０μｍの四角形で、表面側の窪み深さを３．５μｍとし、裏面側の窪みの深さを２．５μｍとしている。このサイズの窪みを表面側および裏面側にそれぞれ、４２９個設けている。これによって、表面側では、１２０１２０μｍ^２の面積が増加し、裏面側では８５８００μｍ^２の面積が増加している。陥没による窪みの内壁面の面積の分について表面積が増加することになる。ここで、大きな窪みは、プローブ１の厚さに影響するため、表面積を大きくするには、小さな窪みを数多く設けることによって達成することが望ましい。この窪み形状の大きさおよび配置を設計することによって、表面積を任意に変化させることができる。

　さらに、変形領域８によって、どのような効果を得ることができるのかについて分析した。窪みの無い（表面が滑らかな形状）のプローブＡ、四角柱の形状の窪みをマトリクス状に配置したプローブＢ，四角柱の形状の窪みを千鳥配置したプローブＣ、円形の窪みを千鳥配置したプローブＤについて、有限要素法（ＦＥＭ）に基づいて、プローブの針圧および最大応力を求めた結果は、表１に表すとおりであった。

　この表１に示すとおり、プローブＡの場合には、オーバードライブが７０μｍの時には針圧が１．７２ｇｆであり、オーバードライブが１１０μｍの時には最大応力６７０ＭＰａであった。これに対して、同じ条件で、プローブＢでは、針圧が１．１９ｇｆ、最大応力が８９１Ｍｐａであり、プローブＣでは、針圧が１．１８ｇｆ、最大応力が８９９Ｍｐａであり、プローブＤでは、針圧が１．１８ｇｆ、最大応力が１１６４Ｍｐａであった。

　また、プローブＡ、プローブＢ、プローブＣおよびプローブＤについて、応力コンター図（コンター図とは、計算結果を等高線表示した図）を作成したところ、プローブＡでは、最大応力６７０ＭＰａでほぼ均一に分布している状態となっていた。プローブＢでは、変形領域８の底面の平面部において７４ＭＰａ、骨組み領域９において６６８ＭＰａとなり、最大応力は８９１Ｍｐａであった。プローブＣでは、変形領域８の底面の平面部において７４ＭＰａ、骨組み領域９において６７４ＭＰａとなり、最大応力は８９９Ｍｐａであった。プローブＤでは、変形領域８の底面の球面部において９７ＭＰａ、骨組み領域９において８７３ＭＰａとなり、最大応力は１１６４Ｍｐａであった。

　この結果から、プローブＡ、プローブＢ、プローブＣおよびプローブＤに、外部から力が加えられた場合、応力は、変形領域８と骨組み領域９との境界部分１０に集中していると推定される。また、変形領域８の底面を平面形状または球面形状とすることによって、変形領域８と骨組み領域９との境界部分１０に応力が集中することになる。
　このことは、変形領域８を多角柱の窪みで形成した場合には、多角形の各頂点に応力集中が生じることになることから、外力が加えられた場合には、応力が各頂点に分散することになることを表している。

　したがって、変形領域８を円錐形状または角錐形状の窪みによって形成すれば、外周の各頂点だけでなく、円錐あるいは角錐の頂点も含めて、応力を分散することができる。
　この場合には、変形領域８と骨組み領域９との境界部分１０に生じる応力集中を軽減できることになる。

　なお、境界部分１０が多角形の場合、各頂点に応力集中が生じるが、角数が多いほど各頂点の負担する応力集中は小さくなる。
　このことから、窪みの周縁が円形の場合、その周縁に応力が分散されることになるため、プローブＤとして説明したように、変形領域８として球形の窪み形状を設ける構造が、応力を最も分散する構造となって、応力の高い構造のプローブとなると推定される。

　次に、この図１に示したプローブ１の製造方法について説明する。
　プローブの製作方法としては、二通りの方法がある。まず第１の製作方法は、電鋳による方法であって、図４のＡに示すように、基板４１の表面に導電層４２による窪み形状に対応する突出形状８ａを形成し、その後、図４のＢに示すように、導電層４２の表面に、プローブの部材となる金属層４３を設けることによって、面積を拡張する変形領域８を形成するもので、この金属層４３の形成は、例えば電鋳によって行うことができる。その後、表面を平たんに加工し、マスクを設けて、エッチングを行い目標とするプローブを作成する。その後、導電層４２を取り除くことによって、基板４１からプローブ１を取り外す。

　第２の製作方法は、図５に示すように、窪み形状の面を有する第１の金型５１と第２の金型５２によって、金属板５３の表面に窪み形状を形成するものである。この場合は、電鋳によって金属層を形成することに比べて、製作時間を短縮することができるという効果がある。

　なお、実施の形態１において、変形領域８を窪み形状にした構造について説明したが、この形状を突出形状としても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２
　この実施の形態２は、実施の形態１における変形領域８の窪みの形状を四角柱による窪みの形状としていたものを、三角錐の窪みの形状に変更したものである。すなわち、プローブ１の表面の一部を切り出した斜視図を、図６に示すように、窪みを三角錐のパターン６１によって形成している。すなわち、この三角錐のパターン６１は、図７に示すように、複数の三角錐を並べた形状の雄型の金型７１と、三角錐の突出した形状に対応する受け側の形状の雌型の金型７２とによって、金属板７３を両側から挟み込んで圧力を加えることによって形成したものである。

　この雄型の金型７１と雌型の金型７２とによって、金属板７３を挟み込んで、金属板７３の表面および裏面に窪み形状または突出形状の三角錐のパターン６１を形成することができる。また、三角錐のパターン６１を形成する際に、金属板を打ち抜くことを同時に行うことによって、プローブ１の製作工程の効率を高めることができる。特に、プレスによって金属板７３の表面加工と打ち抜きとを１工程で行うことによって、表面に窪み形状または突出形状の三角錐のパターン６１を有するプローブ１を製作することができる。

　この実施の形態２の場合には、変形領域８の表面積の増加分は、三角錐の側面の表面積と底面の面積との差分となる。図１に示した四角柱のパターンと、図６に示した三角錐のパターン６１とを比較した場合、四角柱のパターンの場合には窪みの内壁面が必要であるため、四角柱のパターンを近づけるには限りがある。これに対して、三角錐のパターン６１では、隣り合う三角錐を限りなく接近できるという効果を得ることができる。

実施の形態３
　この実施の形態３のプローブでは、プローブ１の表面に、実施の形態１の四角柱のパターンと実施の形態２の三角錐のパターン６１とを組み合わせて形成している。この実施の形態３のプローブでは、表面積の増加を様々に実現することができる。

　図８に、プローブ１の表面のパターンを示す。図８に示すように、ここでは、四角柱のパターン８１と三角錐のパターン６１とを組み合わせた平面形状となっている。この形状では、四角柱のパターン８１と三角錐のパターン６１とを組み合わせて、四角柱のパターン８１の辺が接しないように配置し、四角柱のパターン８１の間を三角錐のパターン６１によって繋ぐようにしたものである。

　このように四角柱のパターン８１と三角錐のパターン６１との組み合わせによって平面全体を埋め尽くすことができる。
　さらに、矩形と三角との組み合わせ以外であっても面積を拡張することが可能である。例えば、波板形状のパターンであっても同様に面積を増加させることができる。

実施の形態４
　実施の形態４のプローブ１は、図９に示すように、図９Ａは平面のパターンを示し、図９Ｂは、図９Ａの直線Ａ９－Ａ９における断面を示している。この図９Ａ，Ｂに示すように、第１の径の球形の窪み形状の第１の変形領域９１と第２の径の球形の突出形状の第２の変形領域９２を表面に設けた構造となっている。
　このプローブ１の表面には、第１の変形領域９１が千鳥状に配列され、第１の変形領域９１の間の空間に第２の変形領域９２が配置されている。この第１の変形領域９１と第２の変形領域９２との配置によって応力が均一に分散され、応力の高い構造のプローブとなると推定される。

実施の形態５
　実施の形態１および２においては、垂直のプローブ１を対象に、窪み形状または突出形状のパターンを形成する事例を示したが、図１０に示すように、カンチレバー形状のプローブ１に変形領域として面積拡張パターン領域１０１を設けた場合、実施の形態１と同様の針圧および応力の特性を備えたプローブを得ることができる。
　また、図１１に示すように、プローブ１の一部に生じていた応力集中領域１０２の周辺に面積拡張パターン領域１０１を設けることによって、応力集中領域１０２の応力を分散させて緩和させることによって、必要とされる機械的強度を得ることができる。

実施の形態６
　変形領域８のパターンとして、多角柱の形状の窪み形状または突出形状である場合、多角形の具体的な事例としては、三角形、四角形、五角形、六角形およびさらに多角形の形状などが想定される。
　多角形の窪み形状または突出形状において、応力集中は、多角形の頂点に生じることになる。そして応力は、頂点の数に応じて、それぞれの頂点に分散される。すなわち、三角形の場合には、外力に対する応力は、各頂点に１／３の応力が生じると推定される。

　応力が多角形の頂点に集中し、頂点の数に応じて応力が分散されるとした場合、頂点の数を多くして円形とした場合、円形の周辺全体に応力が分散されることになる。しかし、応力の分散を把握して最適な状態にコントロールするためには、予め定めた頂点の数を予め定めた位置に配置することが望ましい。
　ここで、この実施の形態６においては、図１２に示すように、隣り合う第１の変形領域１２１の間に存在する骨組み領域９に平面が含まれている場合には、骨組み領域９の平面の部分にさらに、窪み形状または突出形状の複数の第２の変形領域１２２を含ませることができる。

　第２の変形領域１２２に第１の変形領域１２１と同様に多角形の角柱の窪み形状または突出形状を設定する場合、この第２の変形領域１２２を第１の変形領域１２１の周辺に隙間なく設けることが好ましく、第１の変形領域１２１の角柱の窪みとしては、図１２に示すように、１２角形の角柱とすることが好ましい。

　第１の変形領域１２１を１２角形の角柱の窪み形状とすることによって、その周囲は、三角形、四角形、六角形の窪み形状または突出形状によって隙間なく埋めることができることから、応力の分散のシミュレーションが行い易いという効果だけでなく、同じパターンを繰り返して配置できることから、応力の分散を均一にできるという効果を得ることができる。

実施の形態７
　図１３に、実施の形態７のプローブ１の部分的な断面形状を示す。図１３に示すように、図１３Ａは平面のパターンを示し、図１３Ｂは、図１３Ａの直線Ａ１３－Ａ１３における断面を示している。この図１３Ａ，Ｂに示すように、この実施の形態７では、実施の形態４において示したプローブ１の金属板の表面に異物が付着しないように被覆層１３を設けている。また、たとえ、異物が付着したとしても、容易に取り除くことができるように、金属板の表面を滑らかに覆っている。この構成は、実施の形態４のプローブに限られるものではなく、金属板の表面に窪み形状または突出形状の変形領域を有するプローブであれば、同様に被覆層を設けることによって異物の付着という問題を解決することができる。

　被覆層１３の材質としては、金属板の変形を妨げない樹脂層が望ましい。特に、実施の形態１から６においては、表面に窪み形状または突出形状の複数の変形領域８を設けているため、異物の付着が懸念されるので、その懸念を取り除くため、表面が滑らかにするための被覆層１３は、有効である。窪み形状または突出形状の複数の変形領域８と骨組み領域９とを導電体の表面に有し、表面に被覆層１３を設けることによって、機械強度が高く、異物の付着の無いプローブを得ることができる。

実施の形態８
　プローブが、低抵抗の第１の金属層１４１を、この第1の金属層１４１よりも硬い材質の第２の金属層１４２によって包み込む構造のプローブである場合には、図１４のように、表層の第２の金属層１４２の表面または裏面に、応力を分散させるように窪み形状または突出形状の変形領域８を設けることによって機械強度の高いプローブを提供することができる。
　なお、「窪み形状または突出形状」とは「窪み形状」だけを並べた場合、「突出形状」だけを並べた場合、および「窪み形状」と「突出形状」とを並べた場合を意味するものである。

　図１４Ａは、プローブの概略的な斜視図で、図１４Ｂは、図１４ＡのＡ１４－Ａ１４線における断面を示している。図に示すように、低抵抗の第１の金属層１４１を、高硬質の第２の金属層１４２が覆っている。そして第２の金属層１４２の表面に窪み形状の変形領域８を設けている。
　この窪み形状による変形領域８は、突出形状に変えた場合であっても、応力を分散させるという効果に変わりはない。
　また、窪み形状または突出形状の変形領域８の表面に、実施の形態７のように、被覆層１３を設けることによって、異物の付着を防ぐことができる。

　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

　１　プローブ、２　第１のガイド板、３　第２のガイド板、４　先端部分、５　電極パッド、６　後端部分、７　中央部分、８　変形領域、９　骨組み領域、１０　境界部分、１３　被覆層、４１　基板、４２　導電層、４３　金属層、５１　第１の金型、５２　第２の金型、５３　金属板、６１　三角錐のパターン、７１　雄型の金型、７２　雌型の金型、７３　金属板、８１　四角柱のパターン、９１　第１の変形領域、９２　第２の変形領域、１０１　面積拡張パターン領域、１０２　応力集中領域、１２１　第１の変形領域、１２２　第２の変形領域、１４１　第１の金属層、１４２　第２の金属層

Claims

　窪み形状または突出形状の複数の変形領域と、隣り合う前記変形領域の境界に設けられた骨組み領域とを表面に有したことを特徴とするプローブカード用プローブ。
　前記変形領域が多角柱形の窪み形状または突出形状であることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用プローブ。
　前記変形領域が多角錐形の窪み形状または突出形状であることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用プローブ。
　前記変形領域が球形の窪み形状または突出形状であることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用プローブ。
　前記変形領域が四角柱のパターンと三角錐のパターンとを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用プローブ。
　前記変形領域が１２角形の窪み形状または突出形状を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のプローブカード用プローブ。
　前記変形領域および前記骨組み領域が、被覆層によって覆われていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のプローブカード用プローブ。
　低抵抗の第１の金属層が、硬い材質の第２の金属層によって包み込まれ、前記第２の金属層の表面に前記変形領域を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブカード用プローブ。
　基板の表面に導電層を形成し、前記導電層の表面に窪み形状または突出形状の変形領域と前記変形領域の境界に設定された骨組み領域とを形成したことを特徴とするプローブカード用プローブの製造方法。
　表面に窪み形状または突出形状を有する第１の金型と、表面に突出形状または窪み形状を有する第２の金型とによって、金属板の表面に窪み形状または突出形状の変形領域と前記変形領域の境界に設定された骨組み領域とを形成したことを特徴とするプローブカード用プローブの製造方法。