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여원 선
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 4, pp , 2010 미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 하석재 1, 김동우 1*, 신봉철 1, 조명우 2, 한청수 3 1 인하대학교기계공학과, 2 인하대학교기계공학부, 3 ( 주 ) 세디콘 Assessment of Design and Mechanical Characteristics of MEMS Probe Tip with Fine Pitch Seok-Jae Ha 1, Dong-Woo Kim 1*, Bong-Cheol Shin 1, Myeong-Woo Cho 2 and Chung-Soo Han 3 1 Department of Mechanical Engineering, Inha University 2 Division of Mechanical Engineering, Inha University 3 Sedicon Corporation 요약프로브카드는반도체제조공정전에반도체소자및필름의기능과성능을검사하기위한테스트장비이다. 반도체산업의급속한기술발전과반도체소자의고집적화로인하여반도체소자의패드간격과패드의수가증가하고있다. 따라서반도체소자의크기및배열의형태가계속축소됨에따라미세피치를갖고검사용핀의수가많은프로브카드가필요하다. 본논문에서는수직형프로브카드의적용을위하여 MEMS 기술을이용한프로브팁을개발하였다. 프로브팁의설계를위해서유한요소해석을이용하여프로브팁의구조및기계적특성에대한구조설계를수행하였다. 또한구조설계를적용한프로브팁을제작하여유한요소해석의결과와실제시험을통한접촉력의평가를수행하였다. 이에따라피치간격이약 50μm이하의프로브카드를제작하였다. Abstract 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 μm. Key Words : Probe Card, Finite Element Analysis, MEMS(Micro Electro Mechanical System), Contact force 1. 서론 반도체산업은최근 IT산업의발전으로인한컴퓨터, 휴대폰, 생활가전, 자동차등다양한산업에서큰수요를얻고있다. 그중반도체장치산업은반도체칩제조산업에있어중요한부분을차지하고있는데, 반도체가제품에장착되기전에본래의기능을제대로수행할것인지 에대한사전평가를하는장비는매우중요한부분이다. 반도체검사장치중프로브카드 (probe card) 는반도체웨이퍼 (wafer) 의완성후, 절단전반도체의기능과성능을검사하기위하여 PCB(Printed Circuit Board) 위에미세팁 (tip) 을고정시키고, 웨이퍼패드 (pad) 에접촉시킨후프로브스테이션 (probe station) 의전기적신호를받아반도체칩으로전해주는검사장치로반도체소자의정상유 본논문은산학협동재단 2008 학술연구비지원사업일환으로수행되었음. * 교신저자 : 김동우 (gemini25@lycos.co.kr) 접수일 10년 03월 17일수정일 (1차 10년 04월 02일, 2차 10년 04월 08일 ) 게재확정일 10년 04월 09일 1210

미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 무를확인하는테스트장비중의하나이다. 최근반도체소자및디스플레이의고집적화로인하여반도체칩의 I/O 패드간격 (pitch) 은계속축소되고있으며, 단일칩시스템 (System On Chip, SOC) 의개발진행에따라그복잡성을수용할수있는프로빙 (probing) 기술개발이요구되고있다.

일반적인프로브카드의구조는그림1에서와같이전기적인신호를패널및반도체소자패턴 (pattern) 상에인가하여주는프로브팁, 프로브카드 PCB, 스페이스트랜스포머 (space transformer), 인터포저 (interposer), 금속소자 (connector) 들로이루어져있다 [4].

2 미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 무를확인하는테스트장비중의하나이다. 최근반도체소자및디스플레이의고집적화로인하여반도체칩의 I/O 패드간격 (pitch) 은계속축소되고있으며, 단일칩시스템 (System On Chip, SOC) 의개발진행에따라그복잡성을수용할수있는프로빙 (probing) 기술개발이요구되고있다. 이에따라 Rucker와 Kolls가 1960년대제안한니들형 (needle type) 또는캔틸레버형 (cantilever type) 프로브팁에서버틸컬형 (vertical type) 또는 MEMS 기술을이용한프로브카드를개발하는연구들이진행되고있다 [1-3]. 일반적인프로브카드의구조는그림1에서와같이전기적인신호를패널및반도체소자패턴 (pattern) 상에인가하여주는프로브팁, 프로브카드 PCB, 스페이스트랜스포머 (space transformer), 인터포저 (interposer), 금속소자 (connector) 들로이루어져있다 [4]. 프로브카드의구성및기능은먼저, 프로브카드 PCB는신호분배역할을하고그아래인터포저는스프링타입으로프로브카드 PCB와스페이스트랜스포머를연결시켜준다. 세라믹재질로된스페이스트랜스포머는프로브팁의위치를유지해주고프로브카드 PCB에서분배된전기적신호를다시재분배하여프로브팁을통해웨이퍼패드및디스플레이패널과전기적인접촉 (contact) 역할을한다. 브팁의형상설계및제작 / 시험을통하여프로브팁의기계적특성을평가하였다. 2. MEMS Probe Tip의설계및제작 2.1 MEMS Probe Tip의구조설계 반도체소자검사용프로브팁은반도체소자에접촉하여전기적신호를전달하기위해몇가지기계적성능이요구된다. 가장중요한특성은반도체소자상단에있는자연산화막을침투하여완벽히접촉하기위한접촉력 (contact force) 과프로브팁의전체가동시에반도체소자와의접촉이가능하기위한접촉변위가필요하다. [ 그림 2] 수직형프로브팁의설계 [ 그림 1] 프로브카드의개략적구성도본논문에서는니켈-코발트합금 (nickel-cobalt alloy) 을사용하여신속하게제작이가능하고기존의제품보다작은미세피치 ( 약 50μm이하 ) 에대응할수있는초소형 MEMS 프로브팁과기존의스페이스트랜스포머와인터포저의기능을개선한프로브팁을지지하는새로운인터포저를제안하고, 다양한형상및설계요소를고려하여몇가지모델의 MEMS 프로브팁을설계및제작하여각설계모델에따른기계적특성을평가하였다. 이러한미세피치를갖는프로브팁을사용하여 COF(Chip On Film) 용프로브카드를제작하였다. MEMS 프로브팁의설계요소를선정하기위해 CAE(Computer Aided Engineering) 기술을활용하여 MEMS 프로브팁모델의변형및응력해석을통해주요설계요소를선정하였으며, 이를바탕으로 MEMS 프로 따라서본논문에서제안한 MEMS 프로브팁의 3차원기본모델은그림 2와같이수직형프로브팁이다. MEMS 프로브팁의전체적인형상은현재가장많이사용되고있는캔틸레버형의구조를가지고있으며, 프로브팁길이의하단부및안쪽모서리부는응력의집중현상을방지하기위하여라운드형상을유지하고있다. 이러한형상은반도체소자및디스플레이패널과접촉시팁끝단에가해지는수직방향하중에대한응력을분산시켜테스트패드와프로브팁간의단차에대응하기위한충분한구동변위 (Over Drive, O.D) 를얻기위한구조로설계하였다. 또한프로브팁하단에있는슬릿은세라믹소재로되어있는인터포저를이용하여지지와정렬을시켜주기위한부분이며, 팁의브릿지를이용하여팁과인터포저사이에연결을시켜주는부분이다. 이러한구조의프로브팁에서기계적특성에크게영향을미칠것으로생각되는프로브팁의두께 (thickness, t), 팁의길이 (length, l), 프로브팁의폭 (width, a) 을설계요소로선정하였다. 여기서유한요소해석을단순화하기위해프로브팁의두께 (t) 는 45μm로고정하였고, 설계요소에대하여다양한구동변위를인가하였을때프로브팁의변형과접촉력에대한설계요소가결과에미치는영향을분석하 1211

한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 였다. 표 1은설계요소를적용한프로브팁모델의설정치를나타낸다. [ 표 1] 프로브팁의설계인자 Type No. Length(mm) Width(mm) [1] 2.34 0.180 [2] 1.98 0.

MEMS 공정을이용하여수직형프로브팁의형상으로 45μm의두께를갖는시편을제작하였다. MEMS 프로브팁의주요제작공정은반도체웨이퍼리소그래피 (lithography), 금속증착 (metal deposition), 웨이퍼본딩 (wafer bonding) 과전기도금 (electro-plating) 공정등이다.

일반적인프로브카드의구조에서는프로브카드 PCB와스페이스트랜스포머의전기적신호를스프링타입의인터포저를통하여신호를전달하였지만, 본논문에서제안한 MEMS 프로브카드에서는전기적신호를스페이스트랜스포머를제거하고인터포저에서 PCB로인가하는구조를설계하였다.

3 한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 였다. 표 1은설계요소를적용한프로브팁모델의설정치를나타낸다. [ 표 1] 프로브팁의설계인자 Type No. Length(mm) Width(mm) [1] [2] [3] Over Drive( μm ) 논문에서는니켈-코발트합금을사용하여 MEMS 프로브팁의기계적, 전기적특성을분석하고프로브카드로서의활용가능성을검증하기위해시제품제작을수행하였다. MEMS 공정을이용하여수직형프로브팁의형상으로 45μm의두께를갖는시편을제작하였다. MEMS 프로브팁의주요제작공정은반도체웨이퍼리소그래피 (lithography), 금속증착 (metal deposition), 웨이퍼본딩 (wafer bonding) 과전기도금 (electro-plating) 공정등이다. 그림 4에서와같이 MEMS 프로브팁의개략적인제조공정도를나타낸다. [ 그림 3] MEMS 프로브카드의개략적구조도 그림 3은기존의스페이스트랜스포머와인터포저의기능을개선한새로운프로브카드의개략도를나타낸다. 일반적인프로브카드의구조에서는프로브카드 PCB와스페이스트랜스포머의전기적신호를스프링타입의인터포저를통하여신호를전달하였지만, 본논문에서제안한 MEMS 프로브카드에서는전기적신호를스페이스트랜스포머를제거하고인터포저에서 PCB로인가하는구조를설계하였다. 이러한구조는전기적신호를전달하는핀들의길이가감소되어, 핀들간의신호전달길이편차가감소하고고속테스트에유리하다. 또한프로브팁의교체및수리가용이하고, 팁과 PCB사이를연결해주는배선의수가감소하게되어공정및검사환경에유리하다는장점이있다. [ 그림 4] MEMS 프로브팁의제조공정도 2.2 MEMS 공정을통한 Probe Tip의제작프로브팁의재료인니켈-코발트합금은주로장식을목적으로전기도금하여사용되고있으며, 내마모성및내구성과같은높은기계적성질및전기전도성등과같은전기적성질이우수하여반도체소자및디스플레이패널검사용프로브팁으로주로사용되고있다. 따라서본 [ 그림 5] 제조된 MEMS 프로브팁의 SEM 이미지 1212

미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 먼저실리콘기판위에전기도금의전극으로사용될 seed-layer을증착하고, 실리콘웨이퍼를본딩한다. 그위에감광제등을사용하여프로브팁의형상을리소그래피를통해몰드 (mould) 형태를형성한다. 몰드의제작이끝난후염산 (HCI) 수용액을이용하여산화방지층을제거하고제작된몰드형태의패턴속을프로브팁의재료인니켈-코발트합금을증착한다.

는 210GPa, 항복응력은 1GPa로가정하였으며, 프로브팁부분에수직방향으로구동변위를주었다. 구동변위는표 1 에서와같이 25μm, 50μm, 75μm의강제변위를가하였을때, 프로브팁에발생하는응력분포와팁의접촉력을계산하였다. 그림 6은프로브팁에대한선형구조해석결과를나타낸다. 3. MEMS Probe Tip 의시험평가 3.

4 미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 먼저실리콘기판위에전기도금의전극으로사용될 seed-layer을증착하고, 실리콘웨이퍼를본딩한다. 그위에감광제등을사용하여프로브팁의형상을리소그래피를통해몰드 (mould) 형태를형성한다. 몰드의제작이끝난후염산 (HCI) 수용액을이용하여산화방지층을제거하고제작된몰드형태의패턴속을프로브팁의재료인니켈-코발트합금을증착한다. MEMS 공정의마지막공정으로적층된실리콘기판의평탄도를높이기위하여전기도금후 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을수행한다. 마지막으로암모니아수와과산화수소의혼합으로제조된수용액으로습식식각 (wet etching) 하여 MEMS 프로브팁을제작하였다. 그림 5는 MEMS 공정으로제작한프로브팁의 SEM 사진을나타낸다. 는 210GPa, 항복응력은 1GPa로가정하였으며, 프로브팁부분에수직방향으로구동변위를주었다. 구동변위는표 1 에서와같이 25μm, 50μm, 75μm의강제변위를가하였을때, 프로브팁에발생하는응력분포와팁의접촉력을계산하였다. 그림 6은프로브팁에대한선형구조해석결과를나타낸다. 3. MEMS Probe Tip 의시험평가 3.1 유한요소해석 (Finite Element Analysis) 반도체소자및디스플레이패널의고집적화가됨에따라미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의내구성및안정성의기계적성능을검증하기위한방법으로유한요소해석을수행하였다. 본논문에서는프로브팁의응력분포와접촉력을계산하기위하여유한요소해석에서의선형구조해석에서사용하는상용소프트웨어인엔시스워크벤치 (Ansys Workbench V11.0) 를사용하였으며, 설계요소에따른구조를나타내기위해다양한형상및치수에대한주요설계요소를선정하여각모델에대해나타내었다. MEMS 프로브팁의해석을위한경계조건으로는프로브팁의최하단부를완전구속하고팁의최상단부를캔틸레버빔으로가정하여테스트패드를접촉하였을때프로브팁의수직방향으로힘을가하여계산을수행하였다. [ 그림 7] 구동변위에따른프로브팁의구조해석결과구조해석결과프로브팁의최대응력은팁의꺽인부위안쪽모서리부에집중이된다는것을확인하였다. 따라서프로브팁의형상설계시모서리부위의라운딩처리도응력집중에영향을미칠수있다는것을알수있다. 그림 7은설계요소에따른프로브팁모델에대한접촉력을나타낸다. 프로브팁의형상에서프로브팁의길이 (l) 가짧고, 폭 (a) 이클때더욱큰강성을얻을수있다는것을알수있다. 각모델의구조해석결과탄성범위내의접촉력은약 2 10 인것으로계산되었다. 3.2 기계적특성평가 [ 그림 8] 프로브팁의접촉력실험장치 [ 그림 6] MEMS 프로브팁의선형구조해석 프로브팁재료인니켈 - 코발트합금재료의탄성계수 구조해석을통한프로브팁의모델에대한실제접촉력을측정하기위해설계요소를적용한프로브팁을제작하여접촉력시험을수행하였다. 접촉력을측정하기위 1213

한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 해시험기하단에프로브팁을설치하고, 상단에는포스게이지 (force gauge) 를설치하여구동변위에따른접촉력을측정하였다. 그림 8은 MEMS 프로브팁의접촉력을측정하기위한시험기를나타낸다. [ 그림 9] 구동변위에따른프로브팁의접촉력실험결과 그림 9는설계요소가적용된프로브팁모델의접촉력시험결과를나타낸다.

5 한국산학기술학회논문지제 11 권제 4 호, 2010 해시험기하단에프로브팁을설치하고, 상단에는포스게이지 (force gauge) 를설치하여구동변위에따른접촉력을측정하였다. 그림 8은 MEMS 프로브팁의접촉력을측정하기위한시험기를나타낸다. [ 그림 9] 구동변위에따른프로브팁의접촉력실험결과 그림 9는설계요소가적용된프로브팁모델의접촉력시험결과를나타낸다. 각모델의구동변위에따른접촉력변화는최대 1 8 을가질수있는것으로확인되었다. 제작된프로브팁의접촉력시험결과와유한요소해석을통한구조해석결과의오차는이상적인경계조건 (boundary condition) 에서선형구조해석과는달리실제시험에서는팁과테스트패드와의접촉에서발생하는좌굴 (buckling) 및비선형적거동 (non-linear behavior) 이발생했기때문이고, 프로브팁의재질로사용된니켈-코발트합금의기계적특성에서전기도금으로인해형성이될때재료내부에발생하는응력및팁제조공정에따른공정오차등이발생으로인해프로브팁의형상및치수오차에따른것으로판단된다. [ 그림 10] MEMS 프로브팁을이용하여제작한 COF 용프로브카드 4. 결론 반도체소자의고집적화로인해반도체검사장비의패드의소형화와기술변화에대응하기위해기존의프레스및식각공정이아닌반도체제조공정을응용한 MEMS 프로브팁에대해설계및제작을하였다. 본논문에서의연구내용을요약하면다음과같다. (1) 프로브팁의피치가약 50μm이하가되는수직형프로브카드에장착할수있는 MEMS 프로브팁을설계및제작하였다. (2) 프로브팁의구조설계에있어서다양한설계요소의적용, 선형구조해석과기계적특성시험을통하여초소형프로브팁에대한설계방안을모색하였다. (3) MEMS 프로브팁의다양한구동변위를통하여최대 1 10 의접촉력을얻어미세피치를갖는초소형수직형프로브카드로의활용가능성을확인하였다. (4) 검사제품의다양성을고려한프로브카드에대해서여러가지의재질과형상을갖는프로브팁에대한구조설계, 프로브팁의배열, 미세팁의피로및열적해석, 기계적및전기적특성에대한평가가요구된다. 참고문헌 [1] R. D. Bates, "The search for the universal probe card solution", International Test Conference, Nov, pp , [2] N. Sporck, "A New Probe Card Technology Using Compliant Microsprings", International Test Conference, Nov, pp , [3] D. Keezer, "Bare die testing and MCM probing techniques", Proc. IEEE MCM Conf, pp.20, [4] Lee, Y. H, "Probe Card", KR Patent : [5] 박종섭, 오정재, 순수휨하중을받는일축대칭양단스텝보의횡-비틀림좌굴강도, 산학기술학회논문지, Vol. 10, No. 5, pp , [6] 주영철, 신휘철, 강명구, 웨이퍼프로버척의저온온도균일도향상에관한연구, 산학기술학회논문지, Vol. 10, No. 10, pp , [7] Liu, D. S, Shih, M. K, "Experimental method and FE simulation model for evaluation of wafer probing parameters", Microelectronics Jouranl, 37, pp.871~883, [8] ANSYS, "ANSYS User's Manual Version 10.0", ANSYS Inc,

미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 하석재 (Seok-Jae Ha) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 서울산업대학교금형설계학과 ( 공학사 ) 2010 년 2 월 :

정회원 ] 1983 년 2 월 : 서울대학교기계설계과 ( 공학사 ) 1985 년 2 월 : 서울대학교기계설계과대학원 ( 공학석사 ) 1985 년 ~ 1989 년 :

~ 현재 : 인하대학교기계공학과교수 CAD/CAM/CAI, 마이크로생산시스템, 머신비전 김동우 (Dong-Woo Kim) [ 정회원 ] 마이크로절삭가공, 초정밀연마 2000 년 2 월 :

인하대학교기계공학과박사후연구원 한청수 (Chung-Soo Han) [ 정회원 ] 2003 년 2 월 : 인하대학교자동화공학과 ( 공학사 ) 2003 년 3 월 ~ 2005 년 12 월 :

세디콘연구소장 경영, 프로브카드, 프로브팁, 프로브스테이션 신봉철 (Bong-Cheol Shin) [ 정회원 ] 2000 년 2 월 : 호서대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2004 년 2 월

6 미세피치를갖는 MEMS 프로브팁의설계및기계적특성평가 하석재 (Seok-Jae Ha) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 서울산업대학교금형설계학과 ( 공학사 ) 2010 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과대학원박사과정 마이크로절삭모니터링, 마이크로생산시스템 조명우 (Myeong-Woo Cho) [ 정회원 ] 1983 년 2 월 : 서울대학교기계설계과 ( 공학사 ) 1985 년 2 월 : 서울대학교기계설계과대학원 ( 공학석사 ) 1985 년 ~ 1989 년 : 한국생산성본부자동화사업부전문위원 1992 년 2 월 : University of Illinois ( 공학박사 ) 1993 년 ~ 1997 년 : 대우전자시스템사업부부장 1997 년 2 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과교수 CAD/CAM/CAI, 마이크로생산시스템, 머신비전 김동우 (Dong-Woo Kim) [ 정회원 ] 마이크로절삭가공, 초정밀연마 2000 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2002 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 2007 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 2010 년 2 월 : 인하대학교기계공학과박사후연구원 한청수 (Chung-Soo Han) [ 정회원 ] 2003 년 2 월 : 인하대학교자동화공학과 ( 공학사 ) 2003 년 3 월 ~ 2005 년 12 월 : 인코닉스 Field Application Engineer 2006 년 1 월 ~ 2007 년 7 월 : Festo Sales Engineer 2007 년 8 월 ~ 현재 : ( 주 ) 세디콘연구소장 경영, 프로브카드, 프로브팁, 프로브스테이션 신봉철 (Bong-Cheol Shin) [ 정회원 ] 2000 년 2 월 : 호서대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2004 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학석사 ) 2010 년 2 월 : 인하대학교기계공학과대학원 ( 공학박사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 인하대학교기계공학과박사후연구원 마이크로절삭모니터링, 마이크로 EDM, 미세측정 1215

Vertical Probe Card Technology Pin Technology 1) Probe Pin Testable Pitch:03 (Matrix) Minimum Pin Length:2.67 High Speed Test Application:Test Socket

Vertical Probe Card for Wafer Test Vertical Probe Card Technology Pin Technology 1) Probe Pin Testable Pitch:03 (Matrix) Minimum Pin Length:2.67 High Speed Test Application:Test Socket Life Time: 500000