プローブカードとは？ ウェーハ上のチップ1個1個に、どう電気を通してテストする？

プローブカードは、ウェーハの上のチップをテストするための道具です。1枚の板にとても細い針がたくさん並び、その位置がチップの接点に合わせてあります。これを一度にウェーハの接点に当て、テスターの信号をチップに送り、結果を読み取ります。ウェーハを切り分ける前に、すべてのチップがこうして電気を通した試験を受けます。これがウェーハテスト（プロービング、CPとも）です。

ウェーハテスト全体で何をしているのか、パッケージ後のファイナルテストと何が違うのかは「チップはどうテストする？」で説明しています。この記事では針の部分だけを扱います。どう当てるのか、なぜ汚れるのか、なぜチップの種類ごとにカードが1枚要るのか、です。

プローブカードはどこにある？

チップの表面にある小さな金属の部分を接点といい、電気と信号はここから出入りします。接点はびっしり並び、間隔は数十マイクロメートルほど、髪の毛1本くらいしかありません。一方、テスター側の端子はずっと大きいものです。そのあいだに入るのがプローブカードで、変換アダプタのような役目をします。

• テスター：コンピュータ側です。テストプログラムどおりに信号を送り、結果を正しい答えと比べます。テストヘッドという大きな箱につながっていて、これがプローブカードのすぐ上にのります。
• プローブカード：本体は1枚の回路基板です。外周がテストヘッドにつながり、配線は中心に向かうほど細かく密になって、最後に針につながります。
• ウェーハ：プローバ（ウェーハプローバ）のチャックの上に置かれます。チャックは前後左右に動き、上にも押し上げます。

信号の通り道は、テスター → テストヘッド → プローブカード → 針先 → 接点。結果は同じ道をたどって戻ってきます。

一歩ずつ見る：プローブカードはウェーハ1枚をどう測る？

ステップ1：チップの接点に合わせて、専用のカードをつくる

• 何をする：その種類のチップの接点1つ1つの位置に合わせて針を並べ、どの針先もちょうど1つの接点に当たるようにします。
• なぜ：針はカードに固定されていて、自分では動けません。そして接点の並び方は、チップの種類ごとに違います。
• しないと：針が接点から外れたところに当たり、まったくつながらず、良品まで不良と測られます。

ステップ2：ウェーハをプローバに入れ、位置を合わせる

• 何をする：ロボットアームがウェーハをチャックにのせ、カメラがチップと針先のそれぞれの位置を見つけます。合わせ終わったら、最初のチップを針の真下へ動かします。
• なぜ：接点の大きさは数十マイクロメートルほどしかありません。ウェーハが少しずれるだけで、何百本もの針がいっしょにずれます。
• しないと：針が接点の端に当たり、接触したりしなかったりして、同じチップを2回測ると結果が変わります。

ステップ3：針を押し当て、少しすべらせる

• 何をする：チャックがウェーハを押し上げ、接点が針先に触れたら、さらに少しだけ押し上げます。針には弾力があるので少したわみ、針先が接点の上を少しすべって、小さな引っかき傷が残ります。これを針跡といいます。
• なぜ：多くのチップの接点はアルミニウムです。アルミニウムは空気に触れるとすぐ、表面に電気をほとんど通さないとても薄い酸化膜ができます。針先がそれを削り破り、下の金属に届いてはじめて電気が通ります。スクラッチくじの銀色の膜を削るのと同じです。
• しないと：押しが弱すぎると膜を破れず、抵抗が高く出て、数字がふらつきます。強すぎると針跡が深くなり、接点やその下の層を傷めて、あとでその接点にワイヤボンディングをしたときに、しっかりつかないことがあります。

ステップ4：1個終わったら次へ。または一度に何個も

• 何をする：テスターが1項目ずつ試験を終えると、チャックが下がって次の位置へ動き、また押し上げます。多くのカードは一度に何個かのチップに当たり、位置ごとにカードの別々の針の組を使います。
• なぜ：ウェーハ1枚には、数百個から数千個のチップがあることがよくあります。1個ずつでは時間がかかりすぎます。
• しないと：1個ずつでは、1枚にかかる時間が何倍にもなります。ただし何個も同時に測るときは、針の組の1つが汚れると、不良がずっと同じ位置に出続けます。

ステップ5：結果をウェーハマップにする

• 何をする：1個1個を結果ごとにビンに分け、位置どおりに描いてウェーハマップにします。
• なぜ：ウェーハを切り分けたあと、次の装置がマップに従って良品だけを拾い、パッケージに回します。不良がどんな形に並ぶかも、原因を探す手がかりになります。
• しないと：不良までパッケージに入り、組立の費用がむだになります。マップの読み方は「WATとは？」へ。

プローブカードの針には、どんな種類がある？

種類	どんな形か	なぜ使うか
カンチレバー型	針がカードから斜めに伸び、小さな釣りざおのように先が下へ曲がっている	早くつくれて比較的安く、今もよく使われる。接点がチップの四辺に並ぶチップ向き
垂直型	針がまっすぐ立って、上から下へ当たる	針を面いっぱいに並べられ、チップの中ほどにある接点にも届く
MEMS型	チップをつくるのと同じたぐいの方法（リソグラフィやめっきなど）で、針を「育てる」ようにつくる	より細く、より密に、より正確な位置に並べられ、接点がいちばん多く密なチップに使う。密で精細なカードほど、ふつうは高価

針はなぜこまめにクリーニングする？ ほかに何を測る？

針を当てるたびに、針先が酸化物や金属のくずをわずかに削り取り、その一部が針先にくっつきます。当てる回数が増えるほど、接触抵抗はじわじわ上がります。そこで一定の回数ごとに、プローバの横にあるクリーニング用のパッドに針を何回か当てて、くずを落とします。クリーニングでも針先が少しずつ削れるので、どのくらいの間隔で行うかはかね合いです。

クリーニングのほかに、定期的に測るものもあります。

• 平坦度：何百本、何千本もの針先が同じ高さにそろっている必要があります。短い針を接点に届かせるには強く押す必要があり、そのぶん長い針は押されすぎます。
• 位置合わせ：針先1本1本の前後左右の位置は、少しずつずれていきます。
• 接触抵抗：高くなりすぎたら、クリーニングの時期です。

針がすり減りすぎたら、針を修理するか、カードを交換します。

針が汚れると、なぜ工程の問題に見える？

針先が汚れると、抵抗が高く測られます。これは、ウェーハが本当にうまくつくれなかったときとよく似ています。抵抗が高いのは、工程がずれたせいかもしれないし、針がうまく触れていないだけかもしれません。こうして良品が不良と判定されることを、オーバーキル（誤判定）と呼ぶこともあります。

だから数字がおかしいときは、まず測定を疑い、次に工程を疑うことがよくあります。手がかりはいくつかあります。

• 不良がいつも同じ位置に出る：同時に測る位置のうち、どのロットでも同じ位置だけが低い。どのロットのウェーハも、たまたまその位置だけ不良になる、ということはまずありません。
• 針をクリーニングして測り直すと直る：数字が戻れば、原因はカードです。それでも不良なら、そこではじめて工程を調べます。

ただし、測り直しを何度も続けるわけにはいきません。合格ラインぎりぎりのチップは、何度も測ればいつか1回は通ってしまい、基準をゆるめたのと同じことになります。それに、当てるたびに接点の針跡が1つ増えます。ウェーハテストが答えるのは「今、良品かどうか」だけです。使い始めてすぐ壊れないかどうかは「バーンインとは？」へ。

なぜチップの種類ごとにカードが1枚要り、そんなに高いのか

接点の位置は、チップによって決まるからです。製品が変わったり、同じチップでも設計変更や縮小で接点が動いたりすると、たいてい新しいカードが必要になります。

カードをつくるのも簡単ではありません。針は多いものでは数千本以上あり、その1本1本を、数十マイクロメートルの接点に正確に当てなければなりません。針を1本ずつ手で取りつけるカードも多くあります。しかも1種類のチップに必要な枚数は多くないので、ふつうの部品のように大量生産して費用を分けることができません。いわゆる多品種少量です。だから1枚のカードを長く使い続けます。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「後工程工場」を押し（「OSATとは？」も参照）、左右にスワイプしてテストエンジニアを選びます。深夜シフト（シフトは端末の時刻で決まります）では、プローブカードが一度に4個に当たり、位置3がどのロットでも低く出ます。先にカードを何とかするか（針をクリーニングするか、予備のカードに替えるか）、それとも先に不良のチップを再測定するか。再測定は何回までにするか。

メインストーリー「チップの一生」の第3章「不良の形」では、開発ラインの9枚目の接触抵抗が規格より高く、もう一度プロービングするか、工程の問題として報告するかを決めます。第10章「待機電流」では、シニアテストエンジニアのジェンが不良を見て、最初に確かめるのもやはり「こっちの測り間違いじゃないか」です。

図鑑の「装置一覧」では、プローブカードとウェーハプローバのどちらも「分解して見る」ができ、プローブカードの「動きを見る」では、カードを取り出してから当て、針をクリーニングするまでを一歩ずつ見せてくれます。

ゲームの後工程工場、チップ、人物、数字は架空のもので、一度に4個に当たるのもゲームの設定です。プローブカードとは何か、どう使うのかは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。