본 논문에서는 외팔보 배열 구조를 가지는 MEMS테스트 소켓을 SOI웨이퍼를 이용하여 개발하였다. 외팔보는 연결부분의 기계적 취약점을 보완하기 위해 모서리가 둥근 형태를 가지고 있다. 측정에 사용 된 BGA IC 패키지는 볼 수 121개, 피치가 $650{\mu}m$, 볼 직경 $300{\mu}m$, 높이 $200{\mu}m$ 을 가지고 있다. 제작된 외팔보는 길이 $350{\mu}m$, 최대 폭 $200{\mu}m$, 최소 폭 $100{\mu}m$, 두께가 $10{\mu}m$인 곡선 형태의 외팔보이다. MEMS 테스트 소켓은 lift-off 기술과 Deep RIE 기술 등의 미세전기기계시스템(MEMS) 기술로 제작되었다. MEMS 테스트 소켓은 간단한 구조와 낮은 제작비, 미세 피치, 높은 핀 수와 빠른 프로토타입을 제작할 수 있다는 장점이 있다. MEMS 테스트의 특성을 평가하기 위해 deflection에 따른 접촉힘과 금속과 팁 사이의 저항과 접촉저항을 측정하였다. 제작된 외팔보는 $90{\mu}m$ deflection에 1.3 gf의 접촉힘을 나타내었다. 신호경로저항은 $17{\Omega}$ 이하였고 접촉저항은 평균 $0.73{\Omega}$ 정도였다. 제작된 테스트 소켓은 향 후 BGA IC 패키지 테스트에 적용 가능 할 것이다.
본 논문에서는 외팔보 배열 구조를 가지는 MEMS 테스트 소켓을 SOI 웨이퍼를 이용하여 개발하였다. 외팔보는 연결부분의 기계적 취약점을 보완하기 위해 모서리가 둥근 형태를 가지고 있다. 측정에 사용 된 BGA IC 패키지는 볼 수 121개, 피치가 $650{\mu}m$, 볼 직경 $300{\mu}m$, 높이 $200{\mu}m$ 을 가지고 있다. 제작된 외팔보는 길이 $350{\mu}m$, 최대 폭 $200{\mu}m$, 최소 폭 $100{\mu}m$, 두께가 $10{\mu}m$인 곡선 형태의 외팔보이다. MEMS 테스트 소켓은 lift-off 기술과 Deep RIE 기술 등의 미세전기기계시스템(MEMS) 기술로 제작되었다. MEMS 테스트 소켓은 간단한 구조와 낮은 제작비, 미세 피치, 높은 핀 수와 빠른 프로토타입을 제작할 수 있다는 장점이 있다. MEMS 테스트의 특성을 평가하기 위해 deflection에 따른 접촉힘과 금속과 팁 사이의 저항과 접촉저항을 측정하였다. 제작된 외팔보는 $90{\mu}m$ deflection에 1.3 gf의 접촉힘을 나타내었다. 신호경로저항은 $17{\Omega}$ 이하였고 접촉저항은 평균 $0.73{\Omega}$ 정도였다. 제작된 테스트 소켓은 향 후 BGA IC 패키지 테스트에 적용 가능 할 것이다.
We developed a novel micro-electro mechanical systems (MEMS) test socket using silicon on insulator (SOI) substrate with the cantilever array structure. We designed the round shaped cantilevers with the maximum length of $350{\mu}m$, the maximum width of $200{\mu}m$ and the thi...
We developed a novel micro-electro mechanical systems (MEMS) test socket using silicon on insulator (SOI) substrate with the cantilever array structure. We designed the round shaped cantilevers with the maximum length of $350{\mu}m$, the maximum width of $200{\mu}m$ and the thickness of $10{\mu}m$ for $650{\mu}m$ pitch for 8 mm x 8 mm area and 121 balls square ball grid array (BGA) packages. The MEMS test socket was fabricated by MEMS technology using metal lift off process and deep reactive ion etching (DRIE) silicon etcher and so on. The MEMS test socket has a simple structure, low production cost, fine pitch, high pin count and rapid prototyping. We verified the performances of the MEMS test sockets such as deflection as a function of the applied force, path resistance between the cantilever and the metal pad and the contact resistance. Fabricated cantilever has 1.3 gf (gram force) at $90{\mu}m$ deflection. Total path resistance was less than $17{\Omega}$. The contact resistance was approximately from 0.7 to $0.75{\Omega}$ for all cantilevers. Therefore the test socket is suitable for BGA integrated circuit (IC) packages tests.
We developed a novel micro-electro mechanical systems (MEMS) test socket using silicon on insulator (SOI) substrate with the cantilever array structure. We designed the round shaped cantilevers with the maximum length of $350{\mu}m$, the maximum width of $200{\mu}m$ and the thickness of $10{\mu}m$ for $650{\mu}m$ pitch for 8 mm x 8 mm area and 121 balls square ball grid array (BGA) packages. The MEMS test socket was fabricated by MEMS technology using metal lift off process and deep reactive ion etching (DRIE) silicon etcher and so on. The MEMS test socket has a simple structure, low production cost, fine pitch, high pin count and rapid prototyping. We verified the performances of the MEMS test sockets such as deflection as a function of the applied force, path resistance between the cantilever and the metal pad and the contact resistance. Fabricated cantilever has 1.3 gf (gram force) at $90{\mu}m$ deflection. Total path resistance was less than $17{\Omega}$. The contact resistance was approximately from 0.7 to $0.75{\Omega}$ for all cantilevers. Therefore the test socket is suitable for BGA integrated circuit (IC) packages tests.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 기존의 테스트 소켓이 가진 단점을 해결하기 위해 외팔보 제작 기술을 이용한 실리콘 기반의 외팔보가 배열 된 MEMS (Micro electro mechanical systems) 테스트 소켓을 제안하였다 (그림 1)[6～8]. 제안 된 MEMS 테스트 소켓은 구조가 간단하고, 일괄공정(Batch process) 으로 인한 비용 절감 효과가 크며, 피치가 작아지고 테스트 탐침의 개수가 많아져 소형화, 고밀도화 되고 있는 패키지의 테스트에 적합하며, 솔더 볼과의 안정적인 접촉 및 고속의 테스트가 가능하다[9].
본 연구에서는 기존의 테스트 소켓이 가진 문제점을 보완하기 위하여 새로운 형태의 MEMS 테스트 소켓을 개발하였다. 제안 된 테스트 소켓은 공정이 단순하고, 일괄 공정에 의해 비용 절감의 효과가 크며, 고객의 요구에 신속 대응 가능한 테스트 소켓의 제작이 가능하다.
본 연구에서는 외팔보 모양의 테스트 소켓을 제작하기 위하여 일반적인 외팔보의 기본 공식을 이용하여 외팔보의 길이와 두께, 폭을 설계하였고 ANSYS 시뮬레이터롤 이용하여 해석하였다[6～8]. 측정할 소자는 솔더볼의 직경이 300 μm 이고 볼과 볼 사이의 피치가 650μm 인 11×11 (121 balls) 배열의 BGA IC 패키지이고 이를 테스트 하기 위한 테스트 소켓을 제작하였다.
제안 방법
다이얼 게이지가 부착 된 칩 정렬 장비를 이용하여 완성 된 칩에 대한 전체 외팔보의 최대 변위를 측정하였다. 121개의 외팔보 자유단 끝 부분에 BGA package 의 솔더 볼을 정렬하여 수직 방향으로 패키지를 내렸을 때, 각 외팔보끝부분이 가지는 최대 deflection을 측정하였다. 측정 결과 70 μm에서 첫 번째 외팔보가 파괴되었으며, 200 μm에서 모든 외팔보가 파괴되었다.
DRIE 실리콘 식각 장비를 이용하여 위 쪽의 10 μm과 아래쪽의 500 μm의 실리콘 층을 차례대로 식각하였다 (그림 3
테스트 소켓의 전기적인 특성을 확인하기 위해서, 접촉저항 특성과 전기신호의 경로에 대한 저항을 측정하였다. HP 4156C probe station을 사용하여 금속 배선과 측정용 프로브 사이의 접촉저항을 측정하였다. 접촉저항 측정은 길이 1000 μm, 폭 150 μm, 니켈 1000 Å, 금 1200 Å 두께의 금속 테스트 패턴을 이용하였으며, 그 측정 방법을 그림 7.
금속 배선은 니켈(nickel) 1000Å, 금 (gold) 1200Å 을 순서대로 증착하였으며, 측정을 위한 금속 패드(pad)를 사방으로 뽑아내었다.
다이얼 게이지가 부착 된 칩 정렬 장비를 이용하여 완성 된 칩에 대한 전체 외팔보의 최대 변위를 측정하였다. 121개의 외팔보 자유단 끝 부분에 BGA package 의 솔더 볼을 정렬하여 수직 방향으로 패키지를 내렸을 때, 각 외팔보끝부분이 가지는 최대 deflection을 측정하였다.
그림 2는 이용 된 BGA IC 패키지의 사진이다. 외팔보 시작 부분의 기계적인 취약점을 보완하기 위하여 외팔보는 곡선 형태로 제작하였다.
접촉저항 측정은 길이 1000 μm, 폭 150 μm, 니켈 1000 Å, 금 1200 Å 두께의 금속 테스트 패턴을 이용하였으며, 그 측정 방법을 그림 7.에 나타내었다.
측정할 소자는 솔더볼의 직경이 300 μm 이고 볼과 볼 사이의 피치가 650μm 인 11×11 (121 balls) 배열의 BGA IC 패키지이고 이를 테스트 하기 위한 테스트 소켓을 제작하였다.
테스트 소켓의 전기적인 특성을 확인하기 위해서, 접촉저항 특성과 전기신호의 경로에 대한 저항을 측정하였다. HP 4156C probe station을 사용하여 금속 배선과 측정용 프로브 사이의 접촉저항을 측정하였다.
대상 데이터
MEMS 테스트 소켓은 총 3장의 마스크를 사용하였으며, 첫 번째 마스크는 전면 금속 Lift off 공정을 위한 마스크로, 두 번째 와 세 번째 마스크는 각각 전면과 후면의 실리콘 식각을 위한 마스크로 사용하였다. 금속 배선은 니켈(nickel) 1000Å, 금 (gold) 1200Å 을 순서대로 증착하였으며, 측정을 위한 금속 패드(pad)를 사방으로 뽑아내었다.
PR은 AZ 5214를 사용하였고, 노광 후 AZ MIF 300으로 현상하여 금속이 올려질 부분의 PR을 제거하였다 (그림 3
기판은 양쪽 면이 폴리싱 된 p-type의 SOI (Silicon on Insulator) 기판으로 베이스 층 두께 500 μm, 중간 산화막 (BOX-Buried oxide layer) 1 μm 및 10 μm의 실리콘 박막 층을 가진다.
이론/모형
Lift off 기법을 이용하여 금속 배선층을 형성하기 위해 PR (photoresist)을 이용하여 첫 번째 사진식각 공정을 하였다. PR은 AZ 5214를 사용하였고, 노광 후 AZ MIF 300으로 현상하여 금속이 올려질 부분의 PR을 제거하였다 (그림 3(c)).
완성 된 외팔보의 기계적인 특성은 접촉힘을 측정 할 수 있는 간이 측정 장비인 스트로크(STROKE, Will tech.)를 사용하였다. 그림 5.
성능/효과
제안 된 테스트 소켓은 공정이 단순하고, 일괄 공정에 의해 비용 절감의 효과가 크며, 고객의 요구에 신속 대응 가능한 테스트 소켓의 제작이 가능하다. 또한 접촉힘이 줄어들어 솔더 볼의 마모현상을 줄일 수 있으며, 실리콘을 기반으로 하여 구조의 변형이 적고, 우수한 선형성을 가진다. 접촉저항 및 신호경로저항은 도금 등을 이용하여 금속 배선을 할 경우 개선 될것으로 생각된다.
은 외팔보의 자유단 끝 부분의 변위(deflection)에 대해 받는 힘을 측정한 그래프이다. 외팔보의 기계적 특징을 확인 한 결과, 외팔보가 받는 힘이 변위에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었다. 외팔보의 최대 변위는 90 μm 이고, 그 때의 자유단 끝부분이 받는 최대 힘은 1.
. 제안 된 MEMS 테스트 소켓은 구조가 간단하고, 일괄공정(Batch process) 으로 인한 비용 절감 효과가 크며, 피치가 작아지고 테스트 탐침의 개수가 많아져 소형화, 고밀도화 되고 있는 패키지의 테스트에 적합하며, 솔더 볼과의 안정적인 접촉 및 고속의 테스트가 가능하다[9]. 또한 실리콘 물질의 사용으로 구조의 열화나 변형이 없다.
본 연구에서는 기존의 테스트 소켓이 가진 문제점을 보완하기 위하여 새로운 형태의 MEMS 테스트 소켓을 개발하였다. 제안 된 테스트 소켓은 공정이 단순하고, 일괄 공정에 의해 비용 절감의 효과가 크며, 고객의 요구에 신속 대응 가능한 테스트 소켓의 제작이 가능하다. 또한 접촉힘이 줄어들어 솔더 볼의 마모현상을 줄일 수 있으며, 실리콘을 기반으로 하여 구조의 변형이 적고, 우수한 선형성을 가진다.
측정 결과 70 μm에서 첫 번째 외팔보가 파괴되었으며, 200 μm에서 모든 외팔보가 파괴되었다.
켄틸레버 끝부분과 패드 사이의 경로 길이는 약 4 mm -8 mm 이며, 외팔보의 변위가 증가함에 따라 저항이 근소하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며 17 Ω 이하의 경로 저항을 가지는 것을 확인하였다.
후속연구
이러한 문제는 테스트 소켓을 고정할 수 있는 하우징 (housing) 을 통해 정확히 패키지가 테스트 소켓에 장착 되게 하므로 해결 할 수 있다. 또한 외팔보 끝부분에 금속 팁을 추가하여 정확히 원하는 지점에서 접촉이 되도록 한다면 이러한 문제를 더욱 개선 될 수 있을 것이다.
또한 실리콘 물질의 사용으로 구조의 열화나 변형이 없다. 제안된 MEMS 테스트 소켓은 높은 양산성을 기대할 수 있으며, 다양한 패키지로의 유연한 적용이 가능하여 고객의 요구에 즉각적으로 대응 가능한 테스트 소켓이 될 수 있을 것이다.
접촉저항 및 신호경로저항은 도금 등을 이용하여 금속 배선을 할 경우 개선 될것으로 생각된다. 향후 하우징(Housing) 및 패키지 등의 설계가 진행됨에 따라서 BGA 패키지 테스트에 실적용 가능한 테스트 소켓이 될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
테스트 소켓은 무엇인가?
테스트 소켓(Test socket)은 반도체 집적회로(Integrated circuit) 패키지(package)와 테스트 장비를 연결하는 소모성 부품이다. IC 패키지의 크기가 작아지고, 피치가 협소해지고, 종류가 다양해짐에 따라서, BGA(Ball Grid array) 패키지 역시 소형화, 고밀도화, 다양화 되고 있다[1].
BGA 패키지용 테스트 소켓은 무엇인가?
최근 가장 널리 사용되고 있는 BGA 패키지용 테스트 소켓은 각각의 포고핀(Pogo-pin)을 기판에 집속시킨 포고핀 형태의 테스트 소켓이다[2～3]. 포고핀 형태의 테스트 소켓은 내구성이 좋고, 핀과 솔더 볼(solder ball) 사이의 신뢰성 있는 접촉이 가능하다는 장점이 있으나, 각각의 포고 핀을 일일이 수작업으로 조립하여야 하는 번거로움, 조립된 포고핀의 비싼 단가, 포고핀을 기판에 집속시키는 과정의 어려움, 수가공 및 기계적인 가공에 의한 피치의 제한성, 솔더 볼의 마모현상 등의 문제를 야기하게 된다.
포고핀 형태 테스트 소켓의 어떠한 문제점을 해결하기 위해 실리콘 러버 콘넥터를 사용한 테스트 소켓이 개발되었는가?
최근 가장 널리 사용되고 있는 BGA 패키지용 테스트 소켓은 각각의 포고핀(Pogo-pin)을 기판에 집속시킨 포고핀 형태의 테스트 소켓이다[2～3]. 포고핀 형태의 테스트 소켓은 내구성이 좋고, 핀과 솔더 볼(solder ball) 사이의 신뢰성 있는 접촉이 가능하다는 장점이 있으나, 각각의 포고 핀을 일일이 수작업으로 조립하여야 하는 번거로움, 조립된 포고핀의 비싼 단가, 포고핀을 기판에 집속시키는 과정의 어려움, 수가공 및 기계적인 가공에 의한 피치의 제한성, 솔더 볼의 마모현상 등의 문제를 야기하게 된다.
참고문헌 (9)
Rinebold, K., Newberry, W. "Trends in BGA design methodologies.", Proceedings of 1998 IEEE Symposium on IC/Package Design Integration, 1998, pp.120-123.
Ming-Kun Chen and Cheng-Chi Tai, "Electrical characterization of BGA test socket for high-speed applications.", Proceedings of the 4th International Symposium on Electronic Materials and Packaging, 2002, pp.123-126.
LSI test socket for BGA, United States (US) Patent/NEC Corporation/US-0527538 (2006-09-27).
Da-Yuan Shih, Paul Lauro, Keith Fogel, Brian Beamanaj, Yun-Hsin Liao and James Hedrick., "New Ball Grid Array Module Test Sockets.", Proceedings of the Electronic Components & Technology Conference Vol. 46, No.1, pp.467-470.
Benson Chan, " BGA Sockets - A Dendritic Solution", Proceedings of the Electronic Components & Technology Conference, V. 46, No. 1, 1996, pp.460-466.
Bong-Hwan Kim, Jong-Bok Kim, and Jong-Hyun Kim. "A Highly Manufacturable Large Area Array MEMS Probe Card Using Electroplating and Flipchip Bonding.", IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 56 No. 4, 2009, pp.1079-1085.
Sangjun Park, Bonghwan Kim, Jongpal Kim, Seungjoon Paik, Byoung-Doo Choi, Ilwoo Jung, Kukjin Chun and Dong-il 'Dan' Cho, "A novel 3D process for single-crystal silicon micro-probe structures.", Journal of micromechanics and microengineering, Vol. 12 No. 5, 2002, pp650-654.
Bong-Hwan Kim and Jong-Bok Kim, "Design and fabrication of a highly manufacturable MEMS probe card for high speed testing.", Journal of micromechanics and microengineering, Vol. 18, No. 7, 2008, pp075031.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.