[보고서]Fine pitch tapered MEMS probe card를 위한 bonding 기술 개발

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보고서 정보
주관연구기관	(주)윌테크놀러지
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2010-12
과제시작연도	2009
주관부처	중소기업청 Small and Medium Business Administration
등록번호	TRKO201200006347
과제고유번호	1425054617
사업명	중소기업기술혁신개발
DB 구축일자	2013-05-20
키워드	MEMS.Probe card.Fine pitch.Bonding.Probe array block.

초록 ▼

본 연구 과제의 수행을 통해 개발된 기술의 내용 및 범위는 다음과 같다.
- Fine pitch급의 probe 간격을 갖는 정밀 MEMS probe array 제작 기술 개발
→ 2D MEMS 기반의 probe array 및 probe array block
→ 3D MEMS 기반의 fine pitch probe array 및 probe array block
- Fine pitch bonding 기술 개발
→ Laser를 이용한 2D MEMS probe의 개별 접합
→ 2D MEMS probe array block의 3D MEMS tip array block과의 접합
→ Wafer bonding을 이용한 fine pitch MEMS probe array 접합
→ Flip chip bonding 기술을 이용한 3D MEMS probe array block 접합

목차 Contents

첨단장비활용 기술개발사업 최종보고서 ... 1
제출문 ... 2
과제 요약서(초록) ... 3
목차 ... 5
제 1장. 서론 ... 7
제 1절. 연구 개발 과제 개요 ... 7
1. 개발의 중요성 및 필요성 ... 7
2. 국내ㆍ외 관련기술 동향 ... 8
가. 프로브 카드 기술 ... 8
(1) 수평형 프로브 카드 ... 8
(2) 수직형 프로브 카드 ... 9
(3) MEMS 프로브 카드 ... 9
나. MEMS probe card 기술 동향 ... 10
다. MEMS probe card를 위한 접합 관련 기술 동향 ... 11
3. 개발 시 예상되는 파급효과 및 활용 방안 ... 11
가. 파급효과 ... 11
나. 활용방안 ... 12
제 2장. 연구 개발 목표 및 실적 ... 13
제 1절. 연구 개발 목표 ... 13
1. 연구 개발의 최종 목표 ... 13
2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 13
3. 연구 개발 세부 목표 및 기술의 특징 ... 14
4. 연구 개발 추진전략 및 체계 ... 15
가. 연구 개발 추진전략 ... 15
나. 연구 개발 추진체계 ... 15
다. 개발 팀 편성도 ... 16
라. 개발 추진 일정 ... 16
(1) 1차년도 ... 16
(2) 2차년도 ... 17
제 2절. 연구 개발 내용 및 실적 ... 18
1. MEMS probe 및 probe array 제작 기술 개발 ... 18
가. 2D MEMS probe array 제작 기술 ... 18
(1) 2D MEMS probe 제작 기술 ... 18
(2) Tapered MEMS probe tip 제작 기술 ... 20
나. 3D MEMS probe array 제작 기술 개발 ... 21
(1) Build up process by photo-lithography and electro-plating ... 22
(2) 3D silicon wafer mold based process ... 26
다. Bonding용 probe array block 제작 ... 28
(1) 2D MEMS probe array block ... 28
(2) 3D MEMS probe array block ... 31
라. Bonding용 base (bonding bump array) 기판 제작 ... 32
(1) Build up process by photolithography and electroplating ... 32
(2) 3D silicon wafer mold based high aspect ratio bump array ... 32
2. Probe bonding 기술 개발 ... 34
가. Laser를 이용한 2D MEMS probe의 개별 접합 ... 34
(1) Solder paste를 적용한 laser bonding 기술 개발 ... 35
(2) Solder paste를 적용하지 않는 laser bonding 기술 개발 ... 36
나. 2D MEMS probe array block과 3D MEMS probe tip의 접합 ... 39
다. 3D MEMS probe array의 wafer level 접합 ... 42
라. 3D MEMS probe array의 DUT 단위 접합 ... 45
3. Probe 접합 구조물의 특성 ... 48
가. Probe 접합 구조물의 전기/기계적 특성 ... 48
제 3장. 결론 ... 52
제 1절. 연구 개발 목표 대비 실적 수준 ... 52
제 2절. 개발 기술의 사업화 및 향후 연구 개발 ... 53

표/그림 (39)

표 수평형 프로브 카드의 구조 (a) A cross section of epoxy probe card comprized of cantilevered wires, (b) A bird's-eye view of alignment condition of cantilevered wire and parameters
표 수평형 프로브 카드의 구조 (VCPC, vertical-contact probe card)
표 MEMS 공정을 이용하여 제작되어지고 있는 전형적인 프로브 카드의 구조.
표 2D MEMS probe 제작 공정도; a) Si substrate, b) 좌:photoresist mold patterning 단면 도, 우:입체도 c) metal electroplating, d) 좌:metal CMP 단면도, 우: 입체도, e) 좌:photoresist removing & probe release 단면도, 우:입체도.
표 MEMS probe 제작 사진; (a) SEM image of MEMS probe, (b) ①, ② photoresist pattern cross section view (vertical slop - 50 μm hight & 10 μm width), ③, ④ vertical probe mold를 이용하여 제작된 MEMS probe 의 사각형 단면, (c) ① under cut 현상, ② negative slope, ③ under cut mold에 의한 probe 단면 notch 형상, ④ negative slop mold에 의한 사다리꼴 probe 단면.
표 Rh/Ni probe tip 제작 공정.
표 MEMS probe tip 제작 과정 및 결과; (a) Si wet etching window, (b) Si wet etching (top focus view), (c) Si wet etching (bottom focus view), (d) Probe tip body patterning, (e) enlarged view of probe tip pattern, (f) MEMS probe 제작 결과 ( Rh/Ni probe tip 단면 및 array 입체 SEM 사진).
표 Fine pitch 3D MEMS probe array 제작 연구를 위해 실제 특정 DDI 반도체소자의 크기 와 전극 pad위치를 고려하여 probe array를 배치한 모습 및 probe의 구조 해석; (a) 130 개 probe를 갖는 1DUT 구조, (b) probe를 좌,우로 분할하여 배치함으로써 공간변형이 용이하도록 배치한 구조, (c) probe의 modeling, (d) 구조 해석 결과.
표 3D fine pitch MEMS probe array 제작 공정.
표 3D MEMS probe array 제작 공정 단계별 사진; (a) silicon deep etching에 의한 probe tip mold 형성, (b) probe tip post mold patterning, (c) probe tip + tip post 동시 도금 및 CMP, (d) cantilever beam mold patterning, (e) cantilever beam 도금 및 CMP, (f) cantilever anchor 도 금 및 CMP.
표 Silicon 기판 위에 제작된 3D DDI MEMS probe array 형상 (접합 공정 전); (a) 1 parallel skip zigzag array, (b) non-skip fine pitch probe array.
표 Silicon 기판으로부터 분리된 3D DDI MEMS probe array; (a) overall view, (b) anchor 구조 확대, (c) probe tip 확대, (d) probe tip 입체 확대.
표 3D silicon wafer mold 기반의 probe array 제작 공정; (a) Wet oxidation, (b) cantilever beam deep etching 보호막 patterning 및 SiO2 etching, (c) cantilever tip patterning, (d) tip deep etching, (e) photoresist removing, (f) cantielver beam & tip deep etching, (g) oxide deposition & etching for tip wet etching, (h) tip wet etching, (i) oxide strip & Cu/Ti seed deposition, (j) NiCo electroplating & CMP, (k) Au bonding pad formation & wafer back side tip opening, (l) probe bonding & Si wet etching, (m) top view of self-aligned tip patterning ((a)~(c)), (n) top view of tip deep etching ((d)~(e)).
표 3D silicon wafer mold 기반의 3D MEMS probe array 제작 공정 단계 별 사진; (a) cross section view of probe tip & cantilever beam deep etching, (b) cross section view of wet etched probe mold, (c) 3D modeling of MEMS probe array, (d) Fabricated probe tip array (after back side tip opening).
표 Micro guide 제작 방법 및 제작 사진; (a) micro guide 구조 제작 개념도, (b) ceramic micro guide 구조의 광학 현미경 사진 (2D MEMS probe 삽입 test 사진).
표 2D MEMS probe body 측면 접합 공정용 bonding bump metal 형성; (a) 2D MEMS probe body 제작 및 photoresist strip, (b)~(c) bonding bump 도금용 photoresist mold 형성, (d) Ni 및 soft Au 도금, (e) photoresist 및 seed metal 제거, (f) probe release.
표 ZrO2 ceramic micro guide 및 2D MEMS probe body array; (a) ceramic micro guide, (b) ceramic micro guide에 2D MEMS probe body가 삽입되어 array 형태로 배열된 모습.
표 Fabricated 3D MEMS probe array block; (a) back side tip opening image and (b) probe array image after front side Si deep etching.
표 Fine pitch bonding bump array 제작; (a) 기판 표면 seed (Cu/Ti) 층 증착, (b) photoresist mold pattern 형성 및 NiCo electroplating, (c) Bump 표면 CMP 공정, (d) 접합용 Au층 형성, (e) photoresist removing, (f) 제작된 fine pitch bonding bump array (30um pitch).
표 3D silicon wafer mold 기반의 고 종횡비 bonding bump 제작; (a) Silicon deep etching patterning, (b) through hole deep etching, (c) through hole Si wafer와 MLC의 접합, (d) Ni electroplating, (e) CMP 및 Au electroplating, (f) Silicon & photoresist removing, (g) 제작된 고 종횡비 fine pitch bonding bump array.
표 MLC 기판상에 형성된 전극 pad line 표면에 solder paste를 printing한 후 laser를 이용하여 soldering test를 진행한 결과.
표 Solder paste를 적용하여 2D MEMS probe를 MLC 기판의 전극 pad line상에 접합한 결과; (a) laser 출력/시간: 13.38W/1sec, (b) 13.38W/2sec 적용 시 결과.
표 Laser를 이용한 fine pitch probe bonding (welding) 시험을 위한 시료; (a) 2D MEMS probe design, (b) Ni 재질로 제작되어 표면에 Au를 도금한 2D MEMS probe, (c) laser welding 시 험에 적용한 MLC 공간 변형기 전극 pad design, (d) 제작된 MLC 기판의 전극 pad 형상.
표 Laser를 이용한 fine pitch probe bonding (welding) 시험 결과; (a) micro gripper를 이용한 2D MEMS probe의 기판 표면에 정렬, (b), (c) Al2O3 재질의 일반 ceramic 기판 표면에 형성된 전극 pad상에 laser를 4 point 조사하여 probe를 접합한 모습, (d) MLC 공간 변형 기판 표면에 형성 된 전극 pad상에 laser를 line scan하여 probe를 접합한 모습, (e) 접합 부위의 확대 모습, (d) 접합된 probe를 물리적으로 제거한 후 전극 pad가 기판으로부터 분리된 모습.
표 3D MEMS probe array와 2D MEMS probe array block의 접합 공정 개략도.
표 접합 공정에 의해 형성되는 MEMS probe 형상 및 세부 설계 치수.
표 3D MEMS probe tip array 표면 solder paste printing 및 reflow 결과; (a) solder paste printing 전 3D probe tip array, (b) solder paste printing 후, (c) solder reflw 공정 진행 후, (d) bump 사이 short 발생 부위, (e) solder reflow 후 SEM image.
표 3D MEMS probe tip array와 2D MEMS probe body array의 접합 시험 결과; (a)ceramic guide에 fine pitch array 형태로 배열된 MEMS probe, (b) ~ (c) probe tip 이 접합된 probe의 SEM 확대 사진.
표 Fine pitch MEMS probe array bonding을 위한 시료; (a) bonding base 기판에 형성된 fine pitch bonding bump array (30um pitch), (b) fine pitch 3D MEMS cantilever probe array, (c) fine pitch MEMS probe array의 bonding 구조 개략도
표 Wafer bonder를 이용하여 fine pitch 3D MEMS probe array를 bonding base 기판에 접합한 결과; (a) 30um pitch의 bump array 와 probe array의 접합 결과, (b) bonding bump 부분 확 대 모습, (c) bonding bump 부분의 상 측면 모습, (d) 접합된 fine pitch 3D MEMS probe array.
표 Wafer bonder를 이용한 fine pitch 3D MEMS probe array bonding 결과; (a) melting된 Au/Sn 접합 물질의 bonding bump 표면 퍼짐 현상, (b) probe 접합 부위의 단면 가공 후 관찰 사 진, (c) 접합 부위의 단면 SEM 분석, (d) 접합 부위의 단면 성분 분석: intermetallic compound (IMC) layer의 분석.
표 Flip chip bonder를 이용한 3D MEMS probe array block의 접합.
표 Flip chip bonding 기술을 적용한 fine pitch 3D MEMS probe array block의 접합 결과; (a) KOH를 이용한 silicon mold 제거 후의 광학현미경 사진, (b) bonding bump의 접합 공정 후 확대 모습, (c) 3D MEMS probe의 SEM 사진, (d) probe array의 SEM 사진, (f) probe tip 확대 모습.
표 Fine pitch 3D MEMS probe의 pin force 측정 결과.
표 전기적 특성 분석을 위해 제작한 probe card 구조; (a) top stiffener side, (b) probe array side.
표 Build up process 기반의 fine pitch 3D MEMS probe array의 접합 후 tip alignment.
표 Si wafer mold 기반의 3D MEMS probe array의 접합 후 tip alignment.
표 목표 대비 개발 수준
표 과제 수행과 관련된 출원․등록 특허

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연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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