[논문]응력 및 표면 고장물리를 고려한 MEMS 신뢰성 설계 기술

이학주; 김정엽; 이상주; 최현주; 김경식; 김장현

문제 정의

본 연구에서는 기존에 사용되는 외팔보 프로브와 기존에 사용되는 수직형 프로브를 개선하기 위하여 벨로우즈 형상을 가진 가변강성 수직형 프로브를 제안하였으며 이의 설계, 제작 및 기계적, 전기적 특성 측정을 수행하였다. 본 연구를 통하여 제안된 벨로우즈 형상을 가진 수직형 프로브가 응력 완화 효과가 있고 가변강성을 가져 전극패드의 높이 차 극복에 유리하게 작용할 수 있음을 확인 할 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 벨로우즈 형상의 가변강성 수직형 프로브를 설계하고, MEMS 공정을 통하여 제작하였으며[1][7], 기계적, 전기적 특성 및 내구성을 평가하였다.
수직형 프로브는 패드의 높이 차를 흡수 하여야 하며, 패드의 표면에 존재하는 자연 산화막을 제거 할 수 있도록 일정한 강성을 가져야 한다. 본 연구에서는 패드의 높이 차를 흡수하고 접촉력을 증가시키기 위해서 필요한 가변강성 구조물을 개발하였다. 벨로우즈 형상을 가진 가변강성 수직형 프로브의 설계목표는 100 um Pad Pitch, 20-50 um OD(Over Drive), 5 mN 접촉력 그리고 최소 2 x 10⁴ Cycle 까지 사용이 가능하여야 한다.

제안 방법

그림 1 의 타원 안에 나타난 스토퍼를 사용하면 가변강성 기능을 가지게 할 수 있으며 자동정렬 되는 특성을 가지게 되어 보다 작은 패드피치를 가진 전극패드의 배열을 가능하게 하며 좌굴 또한 방지할 수 있다. 그리고 그림 1 에 보이는 것과 같이 바이올린 형상을 닮은 벨로우즈 형상을 사용하여 응력 집중을 최대한 완화 하고자 하였다.
수직형 프로브는 실제 작동 중에 압축하중을 받고 있으므로 좌굴 현상을 모사할 수 있는 비선형 유한요소해석을 통하여 설계하였다. 그림 1 에 나타난 2 가지 설계 변수인 두께와 피치(pitch)를 정하여 이들 설계변수의 민감도 해석을 수행하였다. 두께의 값으로 5 um, 10 um 피치의 값은 10 um, 20 um 을 사용하였다.
수직형 프로브는 실제 작동 중에 압축하중을 받고 있으므로 좌굴 현상을 모사할 수 있는 비선형 유한요소해석을 통하여 설계하였다. 그림 1 에 나타난 2 가지 설계 변수인 두께와 피치(pitch)를 정하여 이들 설계변수의 민감도 해석을 수행하였다.
수직형 프로브의 기계적 특성과 전기적 특성을 측정하기 위하여 그림 6 에 보여주는 프로브 특성 시험기를 제작하였다. 시험기는 180 um 까지 구동할 수 있는 PZT Actuator, 1 N 로드셀, 2 개의 CCD 카메라와 전기적 특성 측정을 위한 Sourcemeter 로 구성되어 있다.
프로브에 사용된 Ni-Co 의 탄성계수와 항복응력을 측정하기 위해서 그림 5 와 같은 폭 2mm 의 시편을 제작하였으며 MTS 사의 Tytron 250 을 이용하여 인장시험을 수행하였다. 변형률은 laser extensometer 를 이용하여 측정하였으며 인장시험 결과를 그림 5 와 표 1 에 나타내었다.
프로브의 재료로 기계적, 전기적 특성이 좋은 Ni-Co 소재를 이용하였으며 Ni-Co 의 소재물성을 측정하기 위하여 나노압입시험기법과 마이크로인장시험을 수행하여 기계적 물성을 측정하였다. 측정된 Ni-Co 의 탄성계수는 210 GPa, 인장강도는 1.

대상 데이터

수직형 프로브의 제작을 위하여 MEMS 공정을 이용하였다. 주요 MEMS 공정은 그림 3 에 나타난 CMP, RIE, 전기도금이다.
수직형 프로브의 기계적 특성과 전기적 특성을 측정하기 위하여 그림 6 에 보여주는 프로브 특성 시험기를 제작하였다. 시험기는 180 um 까지 구동할 수 있는 PZT Actuator, 1 N 로드셀, 2 개의 CCD 카메라와 전기적 특성 측정을 위한 Sourcemeter 로 구성되어 있다. 직경 1.
수직형 프로브의 제작을 위하여 MEMS 공정을 이용하였다. 주요 MEMS 공정은 그림 3 에 나타난 CMP, RIE, 전기도금이다. 먼저 Glass Wafer 위에 Seed Layer 를 깔고 그 위에 Silicon Wafer 를 접합시킨 후 원하는 두께(50 um)를 만들기 위하여 CMP 공정을 이용한다.
시험기는 180 um 까지 구동할 수 있는 PZT Actuator, 1 N 로드셀, 2 개의 CCD 카메라와 전기적 특성 측정을 위한 Sourcemeter 로 구성되어 있다. 직경 1.5 mm 의 펀치가 PZT Actuator 의 끝에 장착되어 있으며 프로브의 정렬을 위하여 5 자유도 Micro Positioner 와 Goniometer가 사용되었다.

데이터처리

프로브에 사용된 Ni-Co 의 탄성계수와 항복응력을 측정하기 위해서 그림 5 와 같은 폭 2mm 의 시편을 제작하였으며 MTS 사의 Tytron 250 을 이용하여 인장시험을 수행하였다. 변형률은 laser extensometer 를 이용하여 측정하였으며 인장시험 결과를 그림 5 와 표 1 에 나타내었다. 결과를 보면 탄성계수는 문헌보다[5] 비교적 작게 나왔으며 이는 전기도금 공정조건의 차이에 기인한 것으로 판단된다.

성능/효과

변형률은 laser extensometer 를 이용하여 측정하였으며 인장시험 결과를 그림 5 와 표 1 에 나타내었다. 결과를 보면 탄성계수는 문헌보다[5] 비교적 작게 나왔으며 이는 전기도금 공정조건의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존에 사용되는 외팔보 프로브와 기존에 사용되는 수직형 프로브를 개선하기 위하여 벨로우즈 형상을 가진 가변강성 수직형 프로브를 제안하였으며 이의 설계, 제작 및 기계적, 전기적 특성 측정을 수행하였다. 본 연구를 통하여 제안된 벨로우즈 형상을 가진 수직형 프로브가 응력 완화 효과가 있고 가변강성을 가져 전극패드의 높이 차 극복에 유리하게 작용할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 해석결과와 실험결과 간 기계적 특성의 차이는 수직형 프로브 제작 시 MEMS 공정에서의 Loading Effect 로 인한 오차로 분석된다.
해석결과와 실험결과 간 기계적 특성의 차이는 수직형 프로브 제작 시 MEMS 공정에서의 Loading Effect 로 인한 오차로 분석된다. 전기적 특성 실험 결과를 보면 어느 정도 접촉력이 있어야 원하는 전기특성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 추후 연구에서 프로브의 내구성 평가를 수행 하여 프로브의 신뢰성 설계기술을 확보하고자 한다.
그림 9 과 그림 10 의 결과를 보면 Type D 와 E 의 경우 가변강성의 성질을 실험적으로 보여주고 있으며 전극패드의 높이 차를 극복하는데 유리하게 작용할 수 있음을 알 수 있다. 즉 높이 차를 흡수하는 구간인 변위가 25um 까지는 프로브의 강성이 284 N/m 이고, 그 이상에서는 프로브의 강성이 2,128 N/m 인 것으로 나타나서 자연 산화막을 제거하기에 적합한 힘을 부가할 수 있음을 알 수 있다.
그림 4 에 MEMS 공정을 이용하여 만들어진 수직형 프로브의 SEM 사진을 보여주고 있다. 최종적으로 만들어진 프로브의 치수는 공정 중에 Loading Effect 로 인하여 설계한 형상치수와 다소 차이가 발생하였다.
Type B, C 와 Type D, E 는 끝 단의 형상변화에 의한 효과를 보기 위하여 구분하였다. 해석 결과를 보면 응력값이 Case 1 의 경우 Type A 는 1.14 GPa 이며 Type B 는 855 MPa 로 나와 벨로우즈 형상에 의해 응력이 완화되는 것을 볼 수 있었다. 그림 2 의 해석 결과를 보면 두께가 피치보다 강성에 영향을 많이 주고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

전기적 특성 실험 결과를 보면 어느 정도 접촉력이 있어야 원하는 전기특성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 추후 연구에서 프로브의 내구성 평가를 수행 하여 프로브의 신뢰성 설계기술을 확보하고자 한다.

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