[논문]미세 피치를 갖는 MEMS 프로브 팁의 설계 및 기계적 특성 평가

하석재; 김동우; 신봉철; 조명우; 한청수

doi:10.5762/kais.2010.11.4.1210

미세 피치를 갖는 MEMS 프로브 팁의 설계 및 기계적 특성 평가
Assessment of Design and Mechanical Characteristics of MEMS Probe Tip with Fine Pitch 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.4, 2010년, pp.1210 - 1215

하석재 (인하대학교 기계공학과) , 김동우 (인하대학교 기계공학과) , 신봉철 (인하대학교 기계공학과) , 조명우 (인하대학교 기계공학부) , 한청수 ((주) 세디콘)

초록
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프로브 카드는 반도체 제조 공정 전에 반도체 소자 및 필름의 기능과 성능을 검사하기 위한 테스트 장비이다. 반도체 산업의 급속한 기술 발전과 반도체 소자의 고집적화로 인하여 반도체 소자의 패드 간격과 패드의 수가 증가하고 있다. 따라서 반도체 소자의 크기 및 배열의 형태가 계속 축소됨에 따라 미세 피치를 갖고 검사용 핀의 수가 많은 프로브 카드가 필요하다. 본 논문에서는 수직형 프로브 카드의 적용을 위하여 MEMS 기술을 이용한 프로브 팁을 개발하였다. 프로브 팁의 설계를 위해서 유한요소해석을 이용하여 프로브 팁의 구조 및 기계적 특성에 대한 구조설계를 수행하였다. 또한 구조 설계를 적용한 프로브 팁을 제작하여 유한요소해석의 결과와 실제 시험을 통한 접촉력의 평가를 수행하였다. 이에 따라 피치 간격이 약 $50{\mu}m$이하의 프로브 카드를 제작하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The probe card are test modules which are to classify the good semiconductor chips and thin film before the packaging process. In the rapid growth a technology of semiconductor, the number of pads per unit area is increasing and pad arrays are becoming irregular. Therefore, the technology of probe card needs narrow width and lots of probe tip. In this paper, the probe tip based on the MEMS(Micro Electro Mechanical System)technology was developed a new MEMS probe tip for vertical probe card applications. For the structural designs of probe tip were performed to mechanical characteristics and structural analysis using FEM(Finite Element Method). Also, the contact force of MEMS probe tip compared with FEM results and experimental results. Finally, the MEMS probe card was developed a fine pitch smaller than $50{\mu}m$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 니켈-코발트 합금을 사용하여 MEMS 프로브 팁의 기계적, 전기적 특성을 분석하고 프로브 카드로서의 활용 가능성을 검증하기 위해 시제품 제작을 수행하였다.
본 논문에서는 니켈-코발트 합금(nickel-cobalt alloy)을 사용하여 신속하게 제작이 가능하고 기존의 제품보다 작은 미세 피치(약 50㎛이하)에 대응할 수 있는 초소형 MEMS 프로브 팁과 기존의 스페이스 트랜스포머와 인터포저의 기능을 개선한 프로브 팁을 지지하는 새로운 인터포저를 제안하고, 다양한 형상 및 설계 요소를 고려하 여 몇 가지 모델의 MEMS 프로브 팁을 설계 및 제작하여 각 설계 모델에 따른 기계적 특성을 평가하였다.

가설 설정

0)를 사용하였으며, 설계 요소에 따른 구조를 나타내기 위해 다양한 형상 및 치수에 대한 주요 설계 요소를 선정하여 각 모델에 대해 나타내었다. MEMS 프로브 팁의 해석을 위한 경계조건으로는 프로브 팁의 최하단부를 완전 구속하고 팁의 최상단부를 캔틸레 버 빔으로 가정하여 테스트 패드를 접촉하였을 때 프로브 팁의 수직방향으로 힘을 가하여 계산을 수행하였다.
프로브 팁 재료인 니켈-코발트 합금 재료의 탄성계수는 210㎬, 항복응력은 1㎬로 가정하였으며, 프로브 팁 부 분에 수직방향으로 구동변위를 주었다. 구동변위는 표 1 에서와 같이 25㎛, 50㎛, 75㎛의 강제 변위를 가하였을 때, 프로브 팁에 발생하는 응력 분포와 팁의 접촉력을 계산하였다.

제안 방법

(1) 프로브 팁의 피치가 약 50㎛ 이하가 되는 수직형 프로브 카드에 장착할 수 있는 MEMS 프로브 팁을 설계 및 제작 하였다.
(2) 프로브 팁의 구조 설계에 있어서 다양한 설계 요소 의 적용, 선형 구조 해석과 기계적 특성 시험을 통하여 초소형 프로브 팁에 대한 설계 방안을 모색하였다.
몰드의 제작이 끝난 후 염산(HCI)수용액을 이용하여 산화 방지층을 제 거하고 제작 된 몰드 형태의 패턴 속을 프로브 팁의 재료 인 니켈-코발트 합금을 증착한다. MEMS 공정의 마지막 공정으로 적층된 실리콘 기판의 평탄도를 높이기 위하여 전기도금 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정을 수행한다. 마지막으로 암모니아수와 과산화수소의 혼합 으로 제조된 수용액으로 습식 식각(wet etching)하여 MEMS 프로브 팁을 제작 하였다.
이러한 미세 피치를 갖는 프로브 팁을 사용하여 COF(Chip On Film)용 프로브 카드를 제작하였다. MEMS 프로브 팁의 설계 요소를 선정하기 위해 CAE(Computer Aided Engineering)기술을 활용하여 MEMS 프로브 팁 모델의 변형 및 응력해석을 통해 주요 설계 요소를 선정하였으며, 이를 바탕으로 MEMS 프로브 팁의 형상 설계 및 제작/시험을 통하여 프로브 팁의 기계적 특성을 평가하였다.
프로브 팁 재료인 니켈-코발트 합금 재료의 탄성계수는 210㎬, 항복응력은 1㎬로 가정하였으며, 프로브 팁 부 분에 수직방향으로 구동변위를 주었다. 구동변위는 표 1 에서와 같이 25㎛, 50㎛, 75㎛의 강제 변위를 가하였을 때, 프로브 팁에 발생하는 응력 분포와 팁의 접촉력을 계산하였다. 그림 6은 프로브 팁에 대한 선형 구조해석 결 과를 나타낸다.
구조 해석을 통한 프로브 팁의 모델에 대한 실제 접촉 력을 측정하기 위해 설계 요소를 적용한 프로브 팁을 제 작하여 접촉력 시험을 수행하였다. 접촉력을 측정하기 위해 시험기 하단에 프로브 팁을 설치하고, 상단에는 포스 게이지(force gauge)를 설치하여 구동변위에 따른 접촉력을 측정하였다.
MEMS 공정의 마지막 공정으로 적층된 실리콘 기판의 평탄도를 높이기 위하여 전기도금 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing)공정을 수행한다. 마지막으로 암모니아수와 과산화수소의 혼합 으로 제조된 수용액으로 습식 식각(wet etching)하여 MEMS 프로브 팁을 제작 하였다. 그림 5는 MEMS 공정 으로 제작한 프로브 팁의 SEM 사진을 나타낸다.
반도체 소자 및 디스플레이 패널의 고집적화가 됨에 따 라 미세 피치를 갖는 MEMS 프로브 팁의 내구성 및 안정 성의 기계적 성능을 검증하기 위한 방법으로 유한요소해 석을 수행하였다. 본 논문에서는 프로브 팁의 응력분포와 접촉력을 계산하기 위하여 유한요소해석에서의 선형 구조 해석에서 사용하는 상용 소프트웨어인 엔시스 워크벤치 (Ansys Workbench V11.
반도체 소자의 고집적화로 인해 반도체 검사 장비의 패드의 소형화와 기술 변화에 대응하기 위해 기존의 프레스 및 식각 공정이 아닌 반도체 제조 공정을 응용한 MEMS 프로브 팁에 대해 설계 및 제작을 하였다. 본 논문에서의 연구내용을 요약하면 다음과 같다.
반도체 소자 및 디스플레이 패널의 고집적화가 됨에 따 라 미세 피치를 갖는 MEMS 프로브 팁의 내구성 및 안정 성의 기계적 성능을 검증하기 위한 방법으로 유한요소해 석을 수행하였다. 본 논문에서는 프로브 팁의 응력분포와 접촉력을 계산하기 위하여 유한요소해석에서의 선형 구조 해석에서 사용하는 상용 소프트웨어인 엔시스 워크벤치 (Ansys Workbench V11.0)를 사용하였으며, 설계 요소에 따른 구조를 나타내기 위해 다양한 형상 및 치수에 대한 주요 설계 요소를 선정하여 각 모델에 대해 나타내었다. MEMS 프로브 팁의 해석을 위한 경계조건으로는 프로브 팁의 최하단부를 완전 구속하고 팁의 최상단부를 캔틸레 버 빔으로 가정하여 테스트 패드를 접촉하였을 때 프로브 팁의 수직방향으로 힘을 가하여 계산을 수행하였다.
이러한 구조의 프로브 팁에서 기계적 특성에 크게 영향을 미칠 것으로 생각되는 프로브 팁의 두께(thickness, t), 팁의 길이 (length, l), 프로브 팁의 폭(width, a)을 설계 요소로 선정 하였다. 여기서 유한요소해석을 단순화하기 위해 프로브 팁의 두께(t)는 45㎛로 고정하였고, 설계 요소에 대하여 다양한 구동변위를 인가하였을 때 프로브 팁의 변형과 접촉력에 대한 설계요소가 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 표 1은 설계 요소를 적용한 프로브 팁 모델의 설정치를 나타낸다.
이러한 미세 피치를 갖는 프로브 팁을 사용하여 COF(Chip On Film)용 프로브 카드를 제작하였다. MEMS 프로브 팁의 설계 요소를 선정하기 위해 CAE(Computer Aided Engineering)기술을 활용하여 MEMS 프로브 팁 모델의 변형 및 응력해석을 통해 주요 설계 요소를 선정하였으며, 이를 바탕으로 MEMS 프로브 팁의 형상 설계 및 제작/시험을 통하여 프로브 팁의 기계적 특성을 평가하였다.
MEMS 프로브 팁의 전체적인 형상은 현재 가장 많이 사용되고 있는 캔틸레버형의 구조를 가지고 있으며, 프로브 팁 길이의 하단부 및 안쪽 모서리부는 응력의 집중현상을 방지하기 위하여 라운드 형상을 유지하고 있다. 이러한 형상은 반도체 소자 및 디스플레이 패널과 접촉 시 팁 끝단에 가해지는 수직방향 하중에 대한 응력을 분산시켜 테스트 패드와 프로브 팁 간의 단차에 대응하기 위한 충분한 구동변위(Over Drive, O.D)를 얻기 위한 구조로 설계하였다. 또한 프로브 팁 하단에 있는 슬릿은 세라믹 소재로 되어 있는 인터포저를 이용하여 지지와 정렬을 시켜주기 위한 부분이며, 팁의 브릿지를 이용하여 팁과 인터포저 사이에 연결을 시켜주는 부분이다.
그림 3은 기존의 스페이스 트랜스포머와 인터포저의 기능을 개선한 새로운 프로브 카드의 개략도를 나타낸다. 일반적인 프로브 카드의 구조에서는 프로브 카드 PCB와 스페이스 트랜스포머의 전기적 신호를 스프링 타입의 인 터포저를 통하여 신호를 전달하였지만, 본 논문에서 제안 한 MEMS 프로브 카드에서는 전기적 신호를 스페이스 트랜스포머를 제거하고 인터포저에서 PCB로 인가하는 구조를 설계 하였다. 이러한 구조는 전기적 신호를 전달 하는 핀들의 길이가 감소되어, 핀들 간의 신호 전달 길이 편차가 감소하고 고속 테스트에 유리하다.
구조 해석을 통한 프로브 팁의 모델에 대한 실제 접촉 력을 측정하기 위해 설계 요소를 적용한 프로브 팁을 제 작하여 접촉력 시험을 수행하였다. 접촉력을 측정하기 위해 시험기 하단에 프로브 팁을 설치하고, 상단에는 포스 게이지(force gauge)를 설치하여 구동변위에 따른 접촉력을 측정하였다. 그림 8은 MEMS 프로브 팁의 접촉력을 측정하기 위한 시험기를 나타낸다.

대상 데이터

따라서 본 논문에서는 니켈-코발트 합금을 사용하여 MEMS 프로브 팁의 기계적, 전기적 특성을 분석하고 프로브 카드로서의 활용 가능성을 검증하기 위해 시제품 제작을 수행하였다. MEMS 공정을 이용하여 수직형 프로브 팁의 형상으로 45㎛의 두께를 갖는 시편을 제작하였다. MEMS 프로브 팁의 주요 제작 공정은 반도체 웨이퍼 리소그래피 (lithography), 금속증착(metal deposition), 웨이퍼 본딩 (wafer bonding)과 전기도금(electro-plating)공정 등이다.
따라서 본 논문에서 제안한 MEMS 프로브 팁의 3차원 기본 모델은 그림 2와 같이 수직형 프로브 팁이다. MEMS 프로브 팁의 전체적인 형상은 현재 가장 많이 사용되고 있는 캔틸레버형의 구조를 가지고 있으며, 프로브 팁 길이의 하단부 및 안쪽 모서리부는 응력의 집중현상을 방지하기 위하여 라운드 형상을 유지하고 있다.
또한 프로브 팁 하단에 있는 슬릿은 세라믹 소재로 되어 있는 인터포저를 이용하여 지지와 정렬을 시켜주기 위한 부분이며, 팁의 브릿지를 이용하여 팁과 인터포저 사이에 연결을 시켜주는 부분이다. 이러한 구조의 프로브 팁에서 기계적 특성에 크게 영향을 미칠 것으로 생각되는 프로브 팁의 두께(thickness, t), 팁의 길이 (length, l), 프로브 팁의 폭(width, a)을 설계 요소로 선정 하였다. 여기서 유한요소해석을 단순화하기 위해 프로브 팁의 두께(t)는 45㎛로 고정하였고, 설계 요소에 대하여 다양한 구동변위를 인가하였을 때 프로브 팁의 변형과 접촉력에 대한 설계요소가 결과에 미치는 영향을 분석하였다.

성능/효과

(3) MEMS 프로브 팁의 다양한 구동변위를 통하여 최대 1∼10gf의 접촉력을 얻어 미세 피치를 갖는 초소형 수직형 프로브 카드로의 활용 가능성을 확인하였다.
각 모델의 구조 해석 결과 탄성범위 내의 접촉력은 약 2∼10gf인 것으로 계산 되었다.
구조 해석 결과 프로브 팁의 최대 응력은 팁의 꺽인 부위 안쪽 모서리부에 집중이 된다는 것을 확인하였다. 따라서 프로브 팁의 형상 설계 시 모서리 부위의 라운딩 처리도 응력집중에 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있 다.

후속연구

(4) 검사 제품의 다양성을 고려한 프로브 카드에 대해서 여러 가지의 재질과 형상을 갖는 프로브 팁에 대한 구조 설계, 프로브 팁의 배열, 미세 팁의 피로 및 열적 해석, 기계적 및 전기적 특성에 대한 평가가 요구된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인터포저의 역할은 무엇인가?	일반적인 프로브 카드의 구조는 그림1에서와 같이 전 기적인 신호를 패널 및 반도체 소자패턴(pattern)상에 인 가하여 주는 프로브 팁, 프로브 카드 PCB, 스페이스 트랜 스포머(space transformer), 인터포저(interposer), 금속소자(connector)들로 이루어져 있다[4]. 프로브 카드의 구성 및 기능은 먼저, 프로브 카드 PCB는 신호 분배역할을 하 고 그 아래 인터포저는 스프링 타입으로 프로브 카드 PCB와 스페이스 트랜스포머를 연결시켜 준다. 세라믹 재질로 된 스페이스 트랜스포머는 프로브 팁의 위치를 유 지해주고 프로브 카드 PCB에서 분배된 전기적 신호를 다시 재분배하여 프로브 팁을 통해 웨이퍼 패드 및 디스 플레이 패널과 전기적인 접촉(contact)역할을 한다.
	프로브 카드는 무엇으로 이루어져있는가?	일반적인 프로브 카드의 구조는 그림1에서와 같이 전 기적인 신호를 패널 및 반도체 소자패턴(pattern)상에 인 가하여 주는 프로브 팁, 프로브 카드 PCB, 스페이스 트랜 스포머(space transformer), 인터포저(interposer), 금속소자(connector)들로 이루어져 있다[4]. 프로브 카드의 구성 및 기능은 먼저, 프로브 카드 PCB는 신호 분배역할을 하 고 그 아래 인터포저는 스프링 타입으로 프로브 카드 PCB와 스페이스 트랜스포머를 연결시켜 준다.
	본 연구에서 제안한 MEMS 프로브 팁의 3차원 기본 모델이 수직형 프로브 팁인 이유는 무엇인가?	반도체 소자 검사용 프로브 팁은 반도체 소자에 접촉 하여 전기적 신호를 전달하기 위해 몇 가지 기계적 성능 이 요구된다. 가장 중요한 특성은 반도체 소자 상단에 있 는 자연 산화막을 침투하여 완벽히 접촉하기 위한 접촉 력(contact force)과 프로브 팁의 전체가 동시에 반도체 소 자와의 접촉이 가능하기 위한 접촉변위가 필요하다.

참고문헌 (8)

R. D. Bates, "The search for the universal probe card solution", International Test Conference, Nov, pp.533-538, 1997.
N. Sporck, "A New Probe Card Technology Using Compliant Microsprings", International Test Conference, Nov, pp.527-532, 1997.
D. Keezer, "Bare die testing and MCM probing techniques", Proc. IEEE MCM Conf, pp.20, 1992.
Lee, Y. H, "Probe Card", KR Patent : 10-1998-0044757.
박종섭, 오정재, "순수 휨하중을 받는 일축대칭 양단 스텝보의 횡-비틀림 좌굴 강도", 산학기술학회논문지, Vol. 10, No. 5, pp.1020-1025, 2009.
주영철, 신휘철, 강명구, "웨이퍼 프로버 척의 저온 온도균일도 향상에 관한 연구", 산학기술학회논문지, Vol. 10, No. 10, pp.2572-2576, 2009.

원문보기 상세보기
Liu, D. S, Shih, M. K, "Experimental method and FE simulation model for evaluation of wafer probing parameters", Microelectronics Jouranl, 37, pp.871-883, 2006.

상세보기
ANSYS, "ANSYS User's Manual Version 10.0", ANSYS Inc, 2005.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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