JP7798263B2 - プローブピン用合金材料 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ上の集積回路や液晶表示装置等の電気的特性を検査するためのプローブピン用合金材料(以下、「プローブ材」と略称する)に関する。

半導体ウェハ上に形成された集積回路や液晶表示装置等の電気的特性の検査には、複数のプローブが組み込まれたソケットやプローブカードが用いられている。この検査は、ソケットやプローブカードに組み込まれたプローブピンを、集積回路や液晶表示装置等の電極や端子、導電部に接触させることにより行われている。

このようなプローブピンは、低い接触抵抗と繰り返し接触に耐える硬さが必要となる。プローブ材としては、ベリリウム銅合金やタングステン、タングステン合金、白金合金、パラジウム合金等が使用されている。

特許文献1には、16％以上50％以下の銅、約35％から約59％のパラジウム、および4％以上の銀で構成されたパラジウム合金（以下、AgPdCu 合金）が開示されている。

米国特許第１９３５８９７号明細書

従来、塑性加工性に優れ、析出硬化するAgPdCu 合金は、その硬さに由来する形状安定性と低い比抵抗特性からプローブ材として使用されてきた。しかし、はんだ(例えば、Sn-Bi系はんだ)が使用されている回路接続部に関して使用される場合に、以下の課題が存在していた。すなわち、検査時にプローブピンとはんだが繰り返し接触し、通電することで、そのジュール熱等によって、Snなどのはんだ成分とプローブ材の成分が相互に拡散し、プローブピン先端の消耗が速くなる傾向にあった。そのような場合、突発的又は経時的に接触抵抗が変動し、検査不良が発生するため、接触する先端部のクリーニングや交換が必要になり、検査工程の稼働率を低下させてしまうことが問題であった。

そこで、はんだ成分の拡散を抑制する耐はんだ性を有するプローブ材の開発が強く求められている。

本発明の目的は、プローブ検査時に検査対象の回路接続部のはんだとプローブ材の成分が拡散することを抑制することができるプローブ材を提供することである。

Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 3mass%以上 20mass%未満、Ni 3mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 74mass%以下からなることを特徴とするプローブ材を見出し、本発明を完了するに至った。

また、Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 20mass%以上 35mass%以下、Ni 7mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 53mass%以下からなることを特徴とするプローブ材を見出し、本発明を完了するに至った。

上記において、Cuの一部に代え、In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種を合計で0.2mass%以上 2.0mass%以下含有してもよい。

本発明に従うと、検査時に検査対象の回路接続部のはんだとプローブ材の成分が拡散することを抑制したプローブ材を提供することができる。

本発明の第１の発明は、Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 3mass%以上 20mass%未満、Ni 3mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 74mass%以下からなることを特徴とするプローブ材である。

また、本発明の第２の発明は、Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 20mass%以上 35mass%以下、Ni 7mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 53mass%以下からなることを特徴とするプローブ材である。

上記において、Cuの一部に代え、In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種を合計で0.2mass%以上 2.0mass%以下含有してもよい。

Pdは 耐食性が優れているが、20mass%以下ではその耐食性が不十分になる。一方、Pdは60mass%を超えると、はんだとプローブ材の成分の拡散を十分抑制できないため適さない。

別の態様として、Pd含有量は22～55mass%であることができる。また、別の態様として、Pdの含有量は25～50mass%であることができる。

Niは、合金へ添加することで、合金の耐はんだ性を向上させる効果がある。実験によると、Ag含有量により必要な添加量が異なり、
第１の発明では、Ag添加量が20mass%未満と少ないので、Niが3mass%未満では、はんだとプローブ材の成分の拡散を十分抑制できなくなり、Niが50mass%を超えると冷間での圧延や伸線といった塑性加工が困難となる。
第２の発明では、Ag添加量が20mass%以上と多いので、Niが7mass%未満では、はんだとプローブ材の成分の拡散を十分抑制できなくなり、Niが50mass%を超えると冷間での圧延や伸線といった塑性加工が困難となる。

第１の発明の場合、別の態様として、Niの含有量は5～40mass%であることができる。また、別の態様として、Niの含有量は7mass%～35mass%であることができる。

第２の発明の場合、別の態様として、Niの含有量は8～40mass%であることができる。また、別の態様として、Niの含有量は10～35mass%であることができる。また、別の態様として、Niの含有量は11～35mass%であることができる。

Agは、PdとCuと組み合わせ添加することにより時効硬化を向上させるが、3mass%未満の場合、効果が十分でなく、35mass%を超えると、はんだとプローブ材の成分の拡散を十分抑制できないため適さない。

第１の発明の場合、別の態様として、Agが4mass%～18mass%であることができる。

第２の発明の場合、別の態様として、Agが21～33mass%であることができる。

Cuは比抵抗が低いことに加え、Pdと合金にすることで、硬さを向上させる効果がある。一方で、多量に添加すると耐食性が低下してしまう。そのため、3mass%未満では十分な硬さが得られなくなり、74mass%を超えると耐食性が低下してしまう。

第１の発明の場合、別の態様として、Cu含有量は5～70mass%であることができる。また別の態様として、Cu含有量は10～60mass%であることができる。さらに別の態様として、Cu含有量は15～50mass%であることができる。

第２の発明の場合、別の態様として、Cu含有量は5～47mass%であることができる。また別の態様として、Cu含有量は10～40mass%であることができる。

In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種の添加は、時効硬化をさらに向上させるが、0.2mass%未満は、無添加との差がほぼ無く、2mass%を超える添加は、冷間での圧延や伸線といった塑性加工が困難となる。

別の態様として、In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種の合計の含有量は0.3～1.5mass%であることができる。

本発明の合金は、はんだとプローブ材の成分の拡散により、プローブピン先端が消耗する現象を抑えることが重要であり、硬さは既存のAgPdCu合金ほど必要とはされないが、検査回数の増加に伴い、接触面が機械的に潰れることがあるので硬いことが望ましい。200HV以上で使用は可能だが、本発明の合金は、250HV以上の硬さが得られる。硬さは、加工による加工硬化に加え、時効による硬さの向上によるものでもよい。

本発明の合金において、はんだとプローブ材の成分の拡散が抑制されるのは以下の理由によると推定する。すなわち、プローブ材に添加されたNiが、はんだとプローブピンの接触した界面にSn-Ni等の薄く緻密な金属間化合物層を形成することで、はんだとプローブ材の成分の拡散を妨げる効果を発揮し、プローブピン先端を容易に消耗させることを抑制すると考えられる。

本発明の実施例について説明する。

先ず、Ag、Pd、Cu、Ni、In、Sn、Zn、Ga を表1の組成となるように配合した後、アルゴン雰囲気中でアーク溶解法にて溶解し、各合金インゴットを作製した。実施例及び比較例の合金の組成とそれぞれの特性を表1に示す。

上記の各合金インゴットを、圧延、熱処理を繰り返し、圧延率[＝((圧延前の厚さ－圧延後の厚さ)/圧延前の厚さ)×100]が75%の板材を作製し、硬さ及び耐はんだ性を評価するための試験片とした。

その際、加工性調査として圧延率75％の板材が作製できたものを○、作製できなかったものを×と評価した。圧延率75％の板材が作製できず加工性が×となった合金組成（比較例4、比較例9）に対しては、以後の試験を実施していない。

作製した各合金の試験片に関して、下記の評価を行い、その結果を表2に示す。

硬さは、試験片の断面の中心をマイクロビッカース硬さ試験機で、荷重200gf、保持時間10秒の条件で測定した。そのときの硬さを「加工材硬さ」という。また、300～400℃、1hで時効処理した試験片（時効材という）の断面の中心をマイクロビッカース硬さ試験機で、荷重200gf、保持時間10秒の条件で測定した。そのときの硬さを「時効材硬さ」という。

耐はんだ性は、Sn-Bi系はんだを試験片（10ｍｍ×10ｍｍ×厚さ0.5mm）の上に乗せ、N₂雰囲気中、250℃、1hの条件で熱処理し、試験片上ではんだを溶融させた。熱処理後、試験片を樹脂に埋め込んで断面を出し、EPMAにてはんだと試験片の界面を垂直方向に線分析を行った。はんだからSnが、合金からPdが相互に拡散することにより、SnおよびPdが共に存在する層を拡散層とし、その厚さを測定した。

測定した拡散層の厚さが薄いほど、耐はんだ性が高いと判断し、拡散層の厚さが100μm未満の合金を◎、100～200μmの合金を〇、200μm以上の合金を×と評価した。評価の結果を表2に示す。

比抵抗は、圧延率[＝((圧延前の厚さ－圧延後の厚さ)/圧延前の厚さ)×100]が90%まで加工した板材を試験片とした。比抵抗は、室温で各試料の電気抵抗を測定し、式1に従い算出した。
式1：比抵抗=(電気抵抗×断面積)／測定長

以上の結果から、本発明により作製した合金は、高い耐はんだ性を有しつつ、プローブ材に求められる硬さ、時効硬化能および比抵抗を併せ持つことが分かる。よって、本発明によって、耐はんだ性を有するプローブ材として好適な材料を提供することが可能となる。

Claims (4)

1. Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 3mass%以上 20mass%未満、Ni 3mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 74mass%以下からなることを特徴とするプローブピン用合金材料。
2. 請求項１において、Cuの一部に代え、In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種を0.2mass%以上 2.0mass%以下含有することを特徴とするプローブピン用合金材料。
3. Pd 20mass%超 60mass%以下、Ag 20mass%以上 35mass%以下、Ni 7mass%以上 50mass%以下、Cu 3mass%以上 53mass%以下からなることを特徴とするプローブピン用合金材料。
4. 請求項３において、Cuの一部に代え、In、Sn、Zn、Gaの少なくとも1種を0.2mass%以上 2.0mass%以下含有することを特徴とするプローブピン用合金材料。