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문제 정의
- 이를 위한 프로브의 종류로는 캔틸레버형과 수직형이 있다网 이 중 공간적 인 제 약으로 인해 수직 형 프로브가 주로 사용되지만, 기계적인 완충 작용을 위하여 수직형 프로브는 S자형 스프링 형태로 제작이 되기 때문에 긴 신호 전송 길이를 갖고 있으며, 이는 신호 전달 측면에서 악영향을 미치는 요인이 된다. 이러한 문제들로 인해 프로브의 형태에 대한 전자기적 필드 해석 (electromagnetic filed analysis)과 고주파 전달 특성에 관한 연구가 필요하다闵"功 이러흐:! 연구를 통해 본 논문에서는 기계적인 특성과 전기적인 특성이 향상된 수직형 프로브의 형태를 제안하였다. 제안된 수직형 프로브의 형태는 외부 압력에 의해 내부에 폐루프가 형성된다、제안된 수직형 프로브를 제작하였고, 측정과 시뮬레이션을 통해 폐 루프가 형성된 제안된 수직형 프로브의 기계적 /신호 전달 특성이 개선되는 것을 확인하였다.
- 하지만 기존의 S자형 수직형 프로브는 암페어의 법칙에 의해 스프링 내부에 자속이 집중적으로 발생되기 때문에 식(1) 에 따라 큰 인덕턴스를 갖는다. 이에 본 논문에서는 기존의 S자형 수직형 프로브 내부에서 평행하게 분기되어 프로브 내부에 폐 루프가 형성되는 새로운형태의 수직형 프로브를 제안하였다. 제안된 수직형프로브의 형태가 기존의 S자형 수직형 프로브보다 작은 자속이 발생시키는 것을 확인하기 위하여 길이가 1, 140넓이가 100 “m, 두께가 45 도체의 폭이 10 阳m, 재질이 금인 수직형 프로브를 3D 모델 링하였고, 3D full-wave 시뮬레이션을 통해 300 MHz의 신호가 인가되었을 때의 자속의 발생을 시뮬레이션을 통해 비교하였으며, 그 결과를 그림 9에 나타내 었다.
- 이에 본 논문에서는 프로브의 신호 전달 특성 개선을위한 수직형 프로브의 형태에 대해서 이 rh 시 앤 하였다.
제안 방법
- 그림 2의 (a)~(c)의 ZIF 커넥터, Interposer, Probe 는 3D 툴을 이용해서 신호 전달 특성인 S-parameter 를 추출하였고, PCB와 STF는 2.5D full-wave 시뮬레이터를 통해 신호 전달 특성을 추출하였다. 특히 PCB의 경우 수천 개 신호선들을 모두 포함한 시뮬레이션에서는 많은 시간이 필요하기 때문에 그림 2(e)와 깉, 이 power/ground plane과 채널의 return path 를 고려해서 W로 나누어진 부채꼴 모양으로 모델링하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 따라서 제작된 기존의 S자형 수직형 프로브와 제안된 수직형 프로브의 버클링 현상이 발생하는 힘의 크기와 그때의 오버드라이브 되는 크기를 probe test equipment를 사용하여 측정하였다. 그림 15에 기계적인 특성을 즉정하기 위한 probe test equipment의 "-시"厂 니.
- ATE에서 나온 신호는 프로브 카드 내의 모든 부품들을 거쳐 칩으로 전달되기 때문에 프로브 카드의 모든 부품들이 신호 전달에 영향을 미치게 된다. 따라서 프로브 카드의 신호 전달 특성을 분석하기 위해서 각 부분들의 특성을 분석하였고, 전체적인 신호 전달 특성은 각 부품들의 신호 전달 특성을 결합하여 추출하였다.
- 이를 그림 6에 나타내었다. 또한 신호가 인가되는 ZIF 커넥터를 Port 1, 테스트 신호가 나오는 반대면의 프로브를 Port 2 로 측정을 하기 위하여 그림 7(a)와 같이 프로브 카드 고정 장치를 제작하였다. 제작된 프로브 카드 고정 장치를 사용하여 프로브 카드를 수직으로 고정하여 신호 전달 특성을 측정하였고, 그림 8에 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
- 기존의 폐 루프만 형성 된 구조에서 갭을 추가함으로써 제안된 수직형 프로브에 외부 압력이 가해졌을 때 원활한 수죽이 발생되고 분기된 스프링에 의해 폐 루프가 형성된다. 실제 테스트에서 외부 압력에 의해 갭을 가지는 제안된 수직형 프로브에 폐 루프가 형성되는지 확인하기 위해 그림 8에서 모델링 된 수직형 프로브의 크기 와 동일한 크기를 갖는 수직 형 프로브를 nonlinear FEA code(MSC/MARC)로 시뮬레이션 하여 외부 압력에 따른 형상변화를 확인하였고, 이를 그림 12에 나타내 었다.
- 이와 같이 측정과 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 바탕으로 외부에서 압력이 가해진 실제 테스트 상황에서의 수직형 프로브의 전기적인 특성을 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 외부 압력이 프로브에 가해졌을 때 프로브 자체의 길이 변화는 60 “m가 최대로 전체 길이인 1, 140 “m에 비해 매우 미비하기 때문에 그림 9(b)와 같이 전체 길이의 변화를 고려하지 않고 갭 부분만을 도체로 채워서 폐 루프가 형성되도록 하여 시뮬레이션을 진행하였다. 또한 기존의 $자형 프로브에 외부 압력이 가해진 경우 프로브의 수축은 50 “m가 최대로 프로브 전체적으로 변형이 크지 않아 신호 전달 특성에 변화가 없을 것으로 판단되기 때문에 고려하지 않았다.
- 웨이퍼 상태의 메모리 테스트를 위한 프로브 카드의 신호 전달 특성 추출을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 각 부품들을 해석하기 위하여 구조적인특성과 재질에 대해서 모의해야 하며, 해석하는 시뮬레이터도 모델의 특성에 맞게 2.
- 측정과 시믈레이션 결과, 기존의 s-자형 수직형 프로브와 외부의압력이 없는 제안된 수직형 프로브는 0'10 GHz까지 거의 동일한 신호 전달 특성을 갖고 있으며, 측정결과와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 측정과 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 바탕으로 외부에서 압력이 가해진 실제 테스트 상황에서의 수직형 프로브의 전기적인 특성을 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 외부 압력이 프로브에 가해졌을 때 프로브 자체의 길이 변화는 60 “m가 최대로 전체 길이인 1, 140 “m에 비해 매우 미비하기 때문에 그림 9(b)와 같이 전체 길이의 변화를 고려하지 않고 갭 부분만을 도체로 채워서 폐 루프가 형성되도록 하여 시뮬레이션을 진행하였다.
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3-2 수직형 MEMS 프로브의 제작
제안된 수직형 프로브의 기계적 특성과 전기적인특성 향상을 증명하기 위하여 기존의 S자형 수직형 프로브와 제안된 구조의 수직형 프로브를 제작하였다. 제작된 프로브는 앞에서 시뮬레이션한 수직형 프로브와 동일하게 전체 길이가 1, 140 “m, 폭이 1侦) Am, 높이가 45 프로브의 선폭은 10 fJ-m, 갭은 5 “m로 설계되었다.
- 실제 테스트에서 사용도%기 위해서는 전기적인 특성뿐만 아니라 기계적인 특성까지 고려되어야 하기 때문에 제안된 수직형 프로브에 갭을 추가하여 실제 테스트에서 신호전달 특성 및 기계적인 특성이 모두 향상되도록 하였다. 제안된 수직형 프로브의 형태를 MEMS 공정을 통하여 제작하였으며, 기계적인 특성 및 전기적인 신호 전달 특성을 즉정하였다. 이를 통해 제안된 수직형 프로브는 기족의 S자형 수직형 프로브보다 버쿨링 현상이 발생하는 컨택 포스가 2.
- 이에 본 논문에서는 기존의 S자형 수직형 프로브 내부에서 평행하게 분기되어 프로브 내부에 폐 루프가 형성되는 새로운형태의 수직형 프로브를 제안하였다. 제안된 수직형프로브의 형태가 기존의 S자형 수직형 프로브보다 작은 자속이 발생시키는 것을 확인하기 위하여 길이가 1, 140넓이가 100 “m, 두께가 45 도체의 폭이 10 阳m, 재질이 금인 수직형 프로브를 3D 모델 링하였고, 3D full-wave 시뮬레이션을 통해 300 MHz의 신호가 인가되었을 때의 자속의 발생을 시뮬레이션을 통해 비교하였으며, 그 결과를 그림 9에 나타내 었다. 기존의 S자형 수직형 프로브는 내부 모서리에서 자속의 발생이 집중되는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 프로브 카드 시뮬레이션 모델의 신뢰성 확보를 위하여 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 프로브 카드의 신호 전달 특성을 측정하였다. 프로브 카드의 신호 전달 특성을 측정하기 위해서는 ATE와 바로 연결되는 ZIF 커넥터와 신호가 웨이퍼로 들어가는 프로브의 끝단을 프로브 팁(probe tip)을 이용하여 프로빙(probing)해야 한다.
- 본 논문에서 사용된 수직형 프로브는 선폭이 10 “m, 선의 두께가 45 “이의 니켈로발트도선에 전체적으로。~! “m의 금도금이 되어 있는 복잡한 구조이며, 따라서 효과적으로 시뮬레이션을 수행하기 위해서 두 도선 부분을 한 도선으로 취급하면서 전기적인 파라메터(전기전도도: (?', 투자율: £시를 등가의 파라메터(effective parameters)로 간략화할 필요가 있었다. 측정 주파수가 고주파인 것을 고려하여 전류가 프로브의 표면에 흐르는 표피 호과를 고려하여 3D 시뮬레이션에서 프로브의 전기 전도는 금과 동일한 41X10' siemens/tn으로 설정하였다. 또한 측정 결과와 시뮬레이션 결과와의 최적화를 통해 프로브의 비투자율을 7로 설정하였다.
- 5D full-wave 시뮬레이터를 통해 신호 전달 특성을 추출하였다. 특히 PCB의 경우 수천 개 신호선들을 모두 포함한 시뮬레이션에서는 많은 시간이 필요하기 때문에 그림 2(e)와 깉, 이 power/ground plane과 채널의 return path 를 고려해서 W로 나누어진 부채꼴 모양으로 모델링하여 시뮬레이션을 진행하였다. 또.
대상 데이터
- 제작된 프로브는 앞에서 시뮬레이션한 수직형 프로브와 동일하게 전체 길이가 1, 140 “m, 폭이 1侦) Am, 높이가 45 프로브의 선폭은 10 fJ-m, 갭은 5 “m로 설계되었다. 기계적인 수축을 위하여 탄성이 좋은 니켈.
- 기계적인 수축을 위하여 탄성이 좋은 니켈.코발트가 수직형 프로브의 재료로 사용되었으며, 제작을 위한 공정은 크게 포토리소그라피 (photolithography), 전기 도금(electroplating), CMP (Chemical Mechanical Planarization)으로 이루어진다. 프로브의 제작을 과정을 그림 13에 나타내었다.
데이터처리
- 또한 신호가 인가되는 ZIF 커넥터를 Port 1, 테스트 신호가 나오는 반대면의 프로브를 Port 2 로 측정을 하기 위하여 그림 7(a)와 같이 프로브 카드 고정 장치를 제작하였다. 제작된 프로브 카드 고정 장치를 사용하여 프로브 카드를 수직으로 고정하여 신호 전달 특성을 측정하였고, 그림 8에 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 0-2.
이론/모형
- 하지만 ZIF 커넥터의 측정을 위한 신호선과 접지면의 거리는 300 이고, 프로브는 90 fimS. 서로 다르기 때문에 ZIF 커넥터의 측정을 위한 800 “m의 프로브팁과 프로브의 측정을 위한 150 //m의 프로브 팁을동시에 광역으로 교정이 가능한 ISS(Impedance Standard Substrate, CASCADE MICROTECH INC. Model No lOMll)를 이용하여 SOLT(Short-Open丄oad-Th-rough) 방법으로 calibration하였고. 이를 그림 6에 나타내었다.
성능/효과
- 형 수직형 프로브는 컨택 포스가 최대 10 mN 이고, 이때 50 〃ni의 오버 드라이브(overdrive)가 발생되는 것을 확인하였고, 제안된 수직형 프로브는 컨택 포스가 최대 25 mN으로 2.S배 향상되며, 오버드라이브도 60 “m로 L2배 향상되는 것을 확인하였다. 이는 제안된 수직형 프로브의 경우 분기된 스프링 구조로 인해 외부 압력이 가해졌을 때 S자형 스프링과 분기된 스프링 접촉에 의해 기계적인 특성을 향상시키기 때문이디.
- 5 GHz까지 일치하는 것을 확인하였다: 제안된 시뮬레이션 모델을 통해 PCB오]■ 프로브가 프로브 카드의 신호 전달 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 기존의 S자형 수직형 프로브의 신호 전달 특성 향상을 위해 새로운 형태의 수직형 프로브를 제안하였다 제안된 수직형 프로브의 형태는 기존의 S자형 스프링 구조에서 분기된 스프링이 더해진 구조로 전자기적 해석을 통해 신호전달 특성이 향상됨을 확인하였다. 실제 테스트에서 사용도%기 위해서는 전기적인 특성뿐만 아니라 기계적인 특성까지 고려되어야 하기 때문에 제안된 수직형 프로브에 갭을 추가하여 실제 테스트에서 신호전달 특성 및 기계적인 특성이 모두 향상되도록 하였다.
- 5배 향상되고 오버드라이브는 L2배 향상되는 것을 확인하였다.또한 시뮬레이션을 통해 실제 테스트 환경과 같이 외부의 압력에 의한 수직형 프로브의 수축에 의해 형성되는 폐 루프는 프로브의 전기적인 신호 전달 특성을 0~10 GHz에서 최대 1.4 dB 개선시키는것을 확인하였다. 따라서 기계적인 특성 및 전기적인 특성이 개선된 갭을 가지는 제안된 형태의 수직형 프로브를 웨이퍼 단계의 반도체 테스트에 적용하면 프로브에 의한 프로브 카드의 기계적인 결함을 감소시키는 동시에 신호의 왜곡을 줄여 웨이퍼 상태의 반도체 테스트의 신뢰성 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.
- 본 논문에서는 웨이퍼 상태의 칩 테스트를 위해 사용되는 프로브 카드의 신호 전달 특성을 예측할 수 있는 시뮬레이션 모델을 제안하였고 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 실제 프로브 카드의 신호 전달 특성을 측정하였으며 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 0 -2.5 GHz까지 일치하는 것을 확인하였다: 제안된 시뮬레이션 모델을 통해 PCB오]■ 프로브가 프로브 카드의 신호 전달 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 기존의 S자형 수직형 프로브의 신호 전달 특성 향상을 위해 새로운 형태의 수직형 프로브를 제안하였다 제안된 수직형 프로브의 형태는 기존의 S자형 스프링 구조에서 분기된 스프링이 더해진 구조로 전자기적 해석을 통해 신호전달 특성이 향상됨을 확인하였다.
- 그림 4에 프로브 카드의 시뮬레이션 구성도를 나타내었으며, 이를 통해 추출된 프로브 카드 시뮬레이션 모델의 신호 전달 특성을 그림 5에 각 부품들의 신호 전달 특성과 함께 나타내었다. 시뮬레이션을 통해 프로브와 PCB의 삽입 손실이 다른 부품들의 삽입 손실보다 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서 프로브 카드의 신호 전달 특성을 개선시키기 위해서는 프로브와 PCB의 신호 전달 특성을 개선시키는것이 필요하다.
- 또한 기존의 S자형 수직형 프로브의 신호 전달 특성 향상을 위해 새로운 형태의 수직형 프로브를 제안하였다 제안된 수직형 프로브의 형태는 기존의 S자형 스프링 구조에서 분기된 스프링이 더해진 구조로 전자기적 해석을 통해 신호전달 특성이 향상됨을 확인하였다. 실제 테스트에서 사용도%기 위해서는 전기적인 특성뿐만 아니라 기계적인 특성까지 고려되어야 하기 때문에 제안된 수직형 프로브에 갭을 추가하여 실제 테스트에서 신호전달 특성 및 기계적인 특성이 모두 향상되도록 하였다. 제안된 수직형 프로브의 형태를 MEMS 공정을 통하여 제작하였으며, 기계적인 특성 및 전기적인 신호 전달 특성을 즉정하였다.
- 모든 신호선들을 함께 시뮬레이션하였을 때와 필요한 하나의 신호선만 시뮬레이션하였을 때의 신호 전달 특성이 그림 3에서 보는 것과 같이 거의 동일한 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 논문에서 사용된 PCB의 선들은 해당 주파수 대역에서 상대적으로 독립적이라는 것을 확인할 수 있다. 각 부분에 대한 신호 전달 특성을 측정 주파수인 300 MHz와 2 GHz에 대해 표 1에 정리하였다.
- 제안된 수직형 프로브의 형태를 MEMS 공정을 통하여 제작하였으며, 기계적인 특성 및 전기적인 신호 전달 특성을 즉정하였다. 이를 통해 제안된 수직형 프로브는 기족의 S자형 수직형 프로브보다 버쿨링 현상이 발생하는 컨택 포스가 2.5배 향상되고 오버드라이브는 L2배 향상되는 것을 확인하였다.또한 시뮬레이션을 통해 실제 테스트 환경과 같이 외부의 압력에 의한 수직형 프로브의 수축에 의해 형성되는 폐 루프는 프로브의 전기적인 신호 전달 특성을 0~10 GHz에서 최대 1.
- 폐 루프가 형성된 제안된 수직형 프로브의 시뮬레이션 결과를 그림 18에 나타내었다. 이를 통해 제안된 수직형 프로브는 외부에서 힘이 가해지지 않았을 경우 기존의 S-자형 수직 형프로브와 동일한 신호 전달 특성을 갖지만 외부에서 힘이 가해졌을 경우 폐 루프의 형성을 통해 신호 전달 특성이 0~ 10 GHz 전주파수 대역에서 최대 L4 (1B 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
- . 이를 통해 갭을 가지는 제안된 수직형 프로브는 실제 테스트 환경에서 기계적인 완충 특성이 향상되어 테스트의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 제안된 수직형 프로브에 외부 입.력이 가해졌을 때 원활하게 폐 루프를 형성시킬 것으로 판단된다.
- 이러한 문제들로 인해 프로브의 형태에 대한 전자기적 필드 해석 (electromagnetic filed analysis)과 고주파 전달 특성에 관한 연구가 필요하다闵"功 이러흐:! 연구를 통해 본 논문에서는 기계적인 특성과 전기적인 특성이 향상된 수직형 프로브의 형태를 제안하였다. 제안된 수직형 프로브의 형태는 외부 압력에 의해 내부에 폐루프가 형성된다、제안된 수직형 프로브를 제작하였고, 측정과 시뮬레이션을 통해 폐 루프가 형성된 제안된 수직형 프로브의 기계적 /신호 전달 특성이 개선되는 것을 확인하였다.
- 그림 14에 제안된 수직형 프로브를 측면에서 보았을 때의 수직형 프로브의 형상을 나타내었다. 측면에서 보았을때 2번의 공정을 통해 프로브가 제작되었다는 것을 확인할 수 있는 경계면을 확인할 수 있으며, 한 번의 패턴으로 프로브를 제작하는 것보다 프로브의 경계면에 경사가 심해지는 것을 방지할 수 있다. 마지막으로 제작된 프로브의 표면에 금(Au) 도금을 하였다.
- 제작된 프로브 카드 고정 장치를 사용하여 프로브 카드를 수직으로 고정하여 신호 전달 특성을 측정하였고, 그림 8에 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 0-2.5 GHz까지 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 제안된 프로카드 시뮬레이션 모델에 특정 부품의 신호 전달 특성이 변경되었을 때의 프로브 카드의 신호 전달 특성을 계산할 수 있다'
- 이와 같은 방법으로 시뮬레이션한 결과를 그림 18에 측정 결과와 함께 나타내었다. 측정과 시믈레이션 결과, 기존의 s-자형 수직형 프로브와 외부의압력이 없는 제안된 수직형 프로브는 0'10 GHz까지 거의 동일한 신호 전달 특성을 갖고 있으며, 측정결과와 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 측정과 시뮬레이션 결과가 일치하는 것을 바탕으로 외부에서 압력이 가해진 실제 테스트 상황에서의 수직형 프로브의 전기적인 특성을 시뮬레이션을 통해 계산하였다.
- 원가 절감을 위하여 패키징 이전 단계의 테스트가 중요하다川. 특히 웨이퍼 상태의 반도체 칩을테스트하기 위하여 웨이퍼 내의 칩의 수만큼 테스트신호(test signal)를 전달하고 수신하여 반도체의 특성을 검증하지만, 공정의 발전에 의해 웨이퍼 크기는 커지고 칩의 크기는 작아짐에 따라 동시에 측정해야하는 칩의 수가 급격하게 증가하였다. 또한 고속화에 따라 테스트 신호 또한 빠르게 증가하여, 기존에는 발생되지 않던 문제들이 발생되고 있다.
- 프로브 카드의 시뮬레이션을 통해 프로브 카드를 구성하는 부분 중 프로브와 PCB의 신호 전달 특성에 의한 신호의 왜곡이 가장 큰 것을 확인하였다. 이에 본 논문에서는 프로브의 신호 전달 특성 개선을위한 수직형 프로브의 형태에 대해서 이 rh 시 앤 하였다.
- 이를 통해서 기존의 s자.형 수직형 프로브는 컨택 포스가 최대 10 mN 이고, 이때 50 〃ni의 오버 드라이브(overdrive)가 발생되는 것을 확인하였고, 제안된 수직형 프로브는 컨택 포스가 최대 25 mN으로 2.S배 향상되며, 오버드라이브도 60 “m로 L2배 향상되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 4 dB 개선시키는것을 확인하였다. 따라서 기계적인 특성 및 전기적인 특성이 개선된 갭을 가지는 제안된 형태의 수직형 프로브를 웨이퍼 단계의 반도체 테스트에 적용하면 프로브에 의한 프로브 카드의 기계적인 결함을 감소시키는 동시에 신호의 왜곡을 줄여 웨이퍼 상태의 반도체 테스트의 신뢰성 향상에 도움이 될 것으로 사료된다.
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