[논문]프로브 카드의 열변형 최적화

장용훈; 인정제

doi:10.5762/kais.2010.11.11.4121

프로브 카드의 열변형 최적화
Optimization of Thermal Deformation in Probe Card 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.11, 2010년, pp.4121 - 4128

초록
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프로브 카드는 웨이퍼의 칩 검사에 사용된다. 또한 반도체의 고집적화에 따른 미세피치 대응으로 높은 위치 정도가 요구된다. 그러나 실제 장비에서는 하부 척에서 높은 열이 프로브 카드로 전달되어, 프로브 카드의 열변형을 초래하게 된다. 프로브 카드의 수직방향 열변형은 핀의 접촉관련 문제를 야기할 것이고, 수평방향의 열변형은 x-y 방향으로의 위치 오차를 만들 것이다. 따라서 프로브 카드는 허용 범위내의 열변형이 이루어지도록 재질과 구조를 갖게 설계되어야 한다. 본 연구에서는 유한요소 해석프로그램인 ANSYS$^{TM}$를 이용하여 프로브 카드의 실제 부하 조건들을 적용한 열전달 해석을 수행하였다. 정상상태 온도 구배에 대해 열변형이 계산되었으며, 최종적으로 적절한 설계변수들을 조정하여 열변형이 최소화 될 수 있는 새로운 구조를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A probe card is used in testing semiconductor wafers. It must maintain a precise location tolerance for a fine pitch due to highly densified chips. However, high heat transferred from its lower chuck causes thermal deformations of the probe card. Vertical deformation due to the heat will bring contact problems to the pins in the probe card, while horizontal deformation will cause positional inaccuracies. Therefore, probe cards must be designed with proper materials and structures so that the thermal deformations are within allowable tolerances. In this paper, heat transfer analyses under realistic loading conditions are simulated using ANSYS$^{TM}$ finite element analysis program. Thermal deformations are calculated based on steady-state temperature gradients, and an optimal structure of the probe card is proposed by adjusting a set of relevant design parameters so that the deformations are minimized.

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1. Heat transfer analyses give transient and steady state temperature distributions in terms of time. It is found that the temperature gradient is steep at the center where heat dissipation is relatively low.
3. The number and the thickness of the columns are changed to minimize the thermal deformations. It can be shown that the thermal deformations are reduced significantly as the number of columns increases.

제안 방법

4. Assuming a uniform pressure is applied to the array of pins, deformation analyses due to the pressure are added to investigate their canceling effect on the Z-displacements of the probe pins due to the thermal deformations.
Based on the thermal deformations through the analyses of temperature distributions, an optimal structure of a probe card that minimizes the thermal deformations is proposed. Also, this paper reports useful data for correcting the thermal deformations by analyzing the deformations of the probe cards under the loads applied to the pins in addition to the thermal deformations.
Based on the analyses, the total load to all the pins in a probe card is calculated assuming there are 10,000 pins per probe card. Assuming a uniform pressure distribution to the array of pins on the sub-board, deformation analysis due to the pressure is added after the thermal analysis to study the canceling effect in the Z-displacements. The results are summarized in Table 5, showing that the canceling effect due to the load is not significant comparing with the thermal deformations.
Hence, it will cancel out the thermal displacements discussed in the previous sections. In this paper, deformation analyses of a pin under the load are performed to calculate the amounts of vertical loads corresponding to certain vertical deflections of the pin. Based on the analyses, the total load to all the pins in a probe card is calculated assuming there are 10,000 pins per probe card.
For designing an optimal structure to minimize thermal deformations of a probe card, various simulations such as heat transfer, thermal deformations, structural design alternatives, and deformation analysis due to pin loads are performed. The boundary conditions and the parameters for the analyses include thermal boundary conditions around the probe card, thickness of the stiffener, number of columns, and over-drive load conditions of pins. The conclusions of the analyses are as follows:
To minimize the deformations due to heat in the Z direction, heat transfer and thermal deformation analyses are performed on five alternative structural designs by modifying the number of columns and their sizes as summarized in Table 2. Fig.

참고문헌 (10)

C.H. Min and T.S. Kim, "Development and Characterization of Vertical Type Probe Card for High Density Probing Test", Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 19, No. 9, pp. 825-831, September 2006.

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J.T. Chiu, D.Y. Chang, "A new probe design combining finite element method and optimization used for vertical probe card in wafer probing", Precision Engineering, Volume 33, Issue 4, pp.395-401, 2009.

상세보기
C.H. Min and T.S. Kim, "Development of 121 pins/mm^2 High Density Probe Card using Micro-spring Architecture", Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 20, No. 9, pp. 749-755, September 2007.

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H.J. Lee, J.Y. Kim, S.J. Lee, H.J. Choi, K.S. Kim and J.H. Kim, "Reliability Design of MEMS based on the Physics of Failures by Stress & Surface Force", Proceedings of the KSME Conference, pp. 1730-1733, 2007.
S. Ha, D. Kim, B. Shin, M. Cho and C. Han, "Assessment of Design and Mechanical Characteristics of MEMS Probe Tip with Fine Pitch", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 11, No. 4, pp. 1210-1215, 2010.

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R. Schwartz, "Probe Card Metrology: High Temperature Testing of Probe Cards", IEEE Semiconductor Wafer Test Workshop, 2002.
S.S Lee, J.Y. Yun and M.K. Kim, "Surface Thermal Deformation of 12 inch hot-cold chuck", Proceedings of the Korean Society Of Semiconductor Equipment Technology, pp. 207-211, 2003.
Y. Joo, H. Shin and M.K. Kang, "A Study of Improvement of Low Temperature Uniformity of Wafer Prober Chuck", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 10, No. 10, pp. 2572-2576, 2009.

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H.S. Lee, "Thermophysical Properties of PWB for Microelectronic Packages with Solder Resist Coating Process", Journal of the Microelectronics & Packaging Society, Vol. 10, No. 3, pp. 73-82, 2003.
Gunther Boehm, "Prober Stability with Large Probing Area and High Pin count", 2006 SWTW (South West Test Workshop)

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