KR100415245B1 - 프로브 카드, 그에 사용되는 프로브 기판 및 스페이스 트랜스포머, 이들의 제조 방법 - Google Patents

프로브 카드, 그에 사용되는 프로브 기판 및 스페이스 트랜스포머, 이들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프로브 및 프로브 카드와 프로브의 제조 방법에 관한 것으로서, 다수 개의 프로브와 이들을 지지하는 지지 기판을 포함하는 프로브 기판, 한 개 이상의 프로브 기판을 실장하고 있는 PCB(Printed Circuit Board), 제 1 및 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면은 상기 프로브 기판과 접하고 있고, 상기 제 2 면은 상기 PCB 기판과 접하고 있으며, 상기 프로브 기판과 상기 PCB 기판 사이의 간격을 조절하는 스페이스 트랜스포머(Space Transformer)를 포함하며, 상기 프로브는, 제 1 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되고, 상기 제 2 단부는 압력을 가압, 해제함에 따라 그 위치가 상하로 탄성적으로 변형, 복원되는 탄성부, 상기 탄성부의 제 2 단부의 하부에 돌출되어 있는 접촉부, 상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 포함하는 프로브 카드가 제공된다. 이로 인해, 가공의 용이성, 프로브의 신뢰도 증가 및 보수 작업이 용이해진다.

Description

프로브 카드, 그에 사용되는 프로브 기판 및 스페이스 트랜스포머, 이들의 제조 방법{Probe Card, Probe substrate and Space Transformer using thereto, and Manufacturing Methods thereof}
본 발명은 반도체 웨이퍼에 형성된 반도체 집적회로 장치를 테스트(test)하기 위한 프로브(probe)와, 상기 프로브들이 다수 부착되어 있는 프로브 카드 및 프로브의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 집적회로 장치들은 제조 과정 중, 제조 후, 또는패키징(packaging)할 때 그 전체적인 또는 부분적인 전기적 특성이 설계와 일치되게 제조되었는지를 테스트(test)하게 된다.
이러한 테스트에 사용되는 장비가 시험장치 및 프로브 카드가 장착된 프로브 장비이며, 상기 프로브 카드는 시험장치 내의 각종 전기적 신호 발생부와 반도체 집적회로 장치내의 패드(pad)간, 또는 시험장치 내의 전기적 신호의 검출부와 반도체 집적회로 장치내의 패드(pad)간을 전기적으로 소통시키는 역할을 한다.
이하 첨부된 도 1a 내지 도 3을 참조하면서, 상기와 같은 특징을 갖는 종래의 프로브 및 프로브 카드에 대해 설명하기로 한다.
도 1a와 도 1b는 종래 기술에 따른 텅스텐 니들(needle) 프로브 카드를 도시한 것으로서, 도 1a에 보인 바와 같이, 텅스텐으로 만들어진 니들(11)은 어레이(array)로 정렬되고, 서로로부터 전기적으로 절연된다.
텅스텐 니들 지그(12)는 상기 텅스텐 니들(11)을 고밀도로 유지하고, 니들의 접촉부(13)는 상기 텅스텐 니들 지그(12)로부터 돌출된다. 텅스텐 니들(11)의 다른 단부(14)는 저 밀도로 텅스텐 니들 지지기(15)를 통과하고, 상기 텅스텐 니들 지지기(15)로부터 돌출된다. 결선(도시 않음)은 상기 다른 단부(14)에 연결되어 회로 기판(16)을 통해서 시험 장치(도시 않음)에 전기적으로 연결된다.
또한, 도 1b에 보인 바와 같이, 상기 텅스텐 니들 지그(12)가 텅스텐 니들의 접촉부(13)를 웨이퍼(17)에 형성된 반도체 집적회로 장치의 패드(18)에 접촉시킴으로써, 시험 장치(도시 않음)는 텅스텐 니들 프로브 카드를 통하여 집적회로 장치와 소통한다.
그러나, 위와 같은 구조를 특징으로 하는 기존의 텅스텐 니들 프로브 카드는 니들 접촉부(13)의 피치(pitch)를 감소시켜 프로브의 밀집도를 높이기가 어렵게 되는 문제점을 발생시킨다. 또한, 상기 니들(11)의 수가 많아질수록, 니들 접촉부(13)들을 동일한 높이로 정열하기 어렵게되는 문제점을 발생시키며, 이러한 니들(11) 개수 확장의 제한은 니들(11) 개수의 증가를 통해서 한꺼번에 많은 수의 반도체 장치를 동시에 검사함으로써, 검사 생산성을 높이고자 하는 반도체장치 제조업체들의 요구를 충분히 만족시켜 주지 못하게 된다. 또한, 상기 텅스텐 니들(11)은 분말 소결법 등의 방법으로 제조되는데, 제조방법의 특성상 날카롭게 가공된 접촉부에 공극과 같은 재료결함이 밀집하게 되고, 반복 사용 시, 상기 결함부에 반도체 집적회로 장치의 패드 재질인 알루미늄 등이 침전되어 접촉저항이 증대하는 등의 결함을 야기시킨다. 그리고, 니들(11)을 반도체 집적회로의 패드에 안정적으로 접촉시키기 위해서는 니들의 탄성이 필요한데, 상기 텅스텐 니들은 반복 사용 시 수평도가 틀어져서 탄성을 잃는 문제점이 있다. 또한, 반도체 집적회로 테스트는 상온뿐만 아니라 고온에서도 요구되어 지는데, 상기한 프로브 및 프로브 카드는 반도체 집적회로 웨이퍼와 열팽창 계수가 다를 뿐만 아니라, 온도 상승 시 팽창되는 방향도 일치하지 않으므로 프로브의 접촉부와 반도체 집적회로 패드간에는 미끄러짐 현상이 발생되고, 결국에는 접촉저항의 증가 내지는 소통불안을 야기시키게 된다. 또한, 고속 동작형 반도체 집적회로의 테스트에 사용할 경우, 니들의 길이가 길고 상호 인접해 있기 때문에 인접한 니들들 간에 전기적인 상호작용을 일으키게 되므로, 테스트의 정확도를 떨어뜨리게 된다.
다른 종래 기술에 따른 박막 프로브 카드에 대해 알아보면 다음과 같다. 도 2는 박막 프로브 카드로 불리우는 프로브 카드를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 박막 프로브 카드는 지지 판(21)을 포함하여 형성되며, 지지 막(22)은 엘라스토머 층(23)에 의하여 지지 판(21)에 고정된다. 도전성 범퍼(24)는 상기 지지 막(22)위에 정렬되어 정의되고, 결선(25)에 선택적으로 연결된다. 상기 도전성 범퍼(24)는 집적회로 장치의 패드(26)와 접촉하게 되고, 시험 장치(도시 않음)는 종래의 박막 카드를 통하여 집적회로 장치와 소통한다.
위와 같은 특징에 따른 기존의 박막 프로브 카드는 이것의 짧은 행정으로 인한 문제점을 발생시킨다. 보다 상세하게는, 도전성 범퍼(24)를 정밀한 피치(pitch)로 정렬시켜 밀집도를 높이는 것은 가능하지만, 도전성 범퍼의 높이는 항상 범퍼 저면부의 직경보다 더 짧게 된다는 문제점이 있다. 즉, 정밀한 피치로의 배열을 위해서 상기 도전성 범퍼의 크기를 최소로 할 때 높이는 감소하여 반도체 집적회로 장치의 패드(26) 높이의 분산을 충분히 수용할 수 없게 되고, 상기 도전성 범퍼(24)와 반도체 집적회로 패드(26)간의 접촉 불량을 야기하는 문제점이 있다.
또 다른 종래의 프로브 내지 프로브 카드 기술로는, 수직 동작형 프로브 어셈블리에 관한 것으로서, 미국 특허 제5,134,365호, 국내 특허 제10-0212169호 등이 있다. 상기 수직 동작형 프로브들은 밀집도는 높일 수 있으나, 상기한 텅스텐 프로브가 갖고 있는 다른 문제점들, 예를 들어, 반복사용에 따른 탄성저하, 니들 접촉부의 높이를 균일하게 유지하기 어렵게되는 문제점, 접촉부에 반도체 집적회로 패드 재료들이 침전되는 문제점 등은 여전히 수반된다. 또한, 모든 프로브들을 하나 하나씩 보조 판에 삽입해야 하므로, 생산성 저하 등의 문제점도 야기시킨다.
또 다른 종래의 프로브 내지 프로브 카드 기술로는, 국내 특허 공개 제특2000-0017761호가 있으며, 첨부된 도면 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참조하여 종래 기술에 따른 프로브 내지 프로브 카드를 설명하면, 다수의 미세 프로브(31)들이 글라스(glass) 기판(32) 전면에 정의되고, 상기 글라스 기판(32)은 보조 회로 기판(33)에 부착되며, 상기 보조 회로 기판(33)은 완충 패드부(34)를 통해서 주회로 기판(35)과 결합된다. 상기 프로브(31)의 단자는 상기 글라스 기판(32)에 뚫린 구멍을 통해서 와이어(36)로 상기 보조 기판(33)과 전기적으로 연결되며, 상기 보조 기판(33)은 미세한 도선들이 다수 포함된 완충 패드(34)부를 통해서 상기 주 회로기판(35)과 전기적으로 도통된다.
일반적으로, 반도체 집적회로는 종류 별로 집적회로의 패드 배치가 다른데, 상기한 종래의 프로브 및 프로브 카드를 사용할 경우, 종류가 다른 상기 반도체 집적회로들을 테스트하기 위해서는 호환성 있는 프로브 카드의 주 회로 기판만을 제외하고는 프로브(31)부와 글라스 기판(32)부, 보조 회로 기판(33) 모두를 다시 제조해야만 하는 단점이 있다. 또한, 프로브(31) 외에 와이어(36) 본딩을 위한 공간(37)이 필요하여 집적도가 떨어질 뿐만 아니라, 제조 과정에 있어 실리콘 웨이퍼와 글라스 웨이퍼를 본딩한 후 프로브를 가공하게 되므로, 많은 수의 프로브를 탑재하기 위해서는 대구경의 웨이퍼를 사용해야 하며, 이 경우, 제조원가가 비싸지는 문제점과 식각 균일도가 상대적으로 불량하게 되어 개별 프로브간의 특성 차이가 발생하여 전체 프로브 카드의 품질을 떨어뜨리게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반도체 집적회로 패드 높이의 분산을 수용할 수 있을 정도로 프로브의 높이가 충분히 높으며, 또한 니들 접촉부의 높이가 동일하고 반복 사용 후에도 상기 프로브의 탄성 변화가 거의 발생하지 않으며, 또한 프로브의 접촉부에 공극과 같은 재료결함을 수반하지 않는 프로브들이 미세한 피치로 밀집하여 정의된 프로브 카드를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 프로브 카드를 구성하는 부품들 중에서 테스트 하고자 하는 반도체 집적회로의 크기나 모양에 따라 그 크기, 모양, 배치 등을 달리하여 제조되어야 하는 글라스 기판 등의 사용이 배제되어 부품의 호환성과 완제품의 생산성이 향상된 프로브 및 프로브 카드를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 집적도는 높으면서도 개별 프로브들 간의 품질특성의 차이는 적은 고품질의 프로브 카드를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상온에서뿐만 아니라, 고온에서도 접촉저항의 변화 없이 테스트 할 수 있는 프로브, 프로브 카드를 제공하며, 고속 동작형 반도체 집적회로 테스트에도 프로브간의 상호 간섭을 최소한으로 줄여 테스트 결과의 신뢰도를 높일 수 있는 프로브 및 프로브 카드를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 프로브 및 프로브 기판 사용 시, 약간의 변형 또는 추가적인 부수 장치의 대체만으로도, 반도체 장치 웨이퍼 검사용 프로브 카드 뿐만 아니라, LCD 또는 반도체 장치 고온 검사(Burn-In Test)용 소켓 등으로 사용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 텅스텐 니들 프로브 카드의 평면도,
도 1b는 종래 기술에 따른 텅스텐 니들 프로브 카드 사용 시, 텅스텐 니들과 반도체 집적회로의 패드가 접촉된 상태를 도시한 상태도,
도 2는 종래 기술에 박막 프로브 카드의 동작 상태를 도시한 상태도,
도 3은 종래 기술에 따른 미세 프로브 및 프로브 카드의 단면도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 프로브 카드의 단면도,
도 5a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 평면도,
도 5b는 상기 도 5a의 1-1'선에 대한 단면도,
도 5c는 상기 도 5a의 2-2'선에 대한 단면도,
도 5d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 동작 상태를 도시한 상태도,
도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프로브의 평면도,
도 6b는 상기 도 6a의 1-1'선에 대한 단면도,
도 6c는 상기 도 6a의 2-2'선에 대한 단면도,
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 9는 종래 기술에 따른 일반적인 스페이스 트랜스포머를 포함하는 프로브 카드의 단면도,
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 구조도,
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 13은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 구조도,
도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 카드에 포함되는 마이크로 솔더볼의 제조 과정에 따른 공정도이다.
※ 도면의 세부 사항에 대한 부호의 설명 ※
11 : 텅스텐 니들(needle)
12 : 텅스텐 니들 지그
13 : 텅스텐 니들의 접촉부
14 : 텅스텐 니들의 다른 단부
15 : 텅스텐 니들 지지기
16 : 프로브 카드의 회로 기판
17, 27 : 반도체 집적회로가 정의된 웨이퍼
18, 26, : 반도체 집적회로 장치의 패드
19, 28: 프로브 장비의 스테이지(stage)
21 : 지지 판
22 : 지지 막
23 : 엘라스토머 층
24 : 도전성 범퍼
25 : 결선
31 : 미세 프로브
32 : 글라스 기판
34 : 완충 패드
35 : 주 회로 기판
36 : 와이어
41, 51 : 프로브
42, 52 : 프로브와 프로브 기판의 연결부
43, 53 : 프로브 기판
44, 54, 65, 68 : 프로브의 접촉부
45, 56 : 절연막
46, 57 : 프로브 패드
47, 58, 69 : 도전성 금속 내지는 합금
48, 59 : 반도체 집적회로
49, 60 : 반도체 집적회로의 패드
55 : 관통 홀
61 : 실리콘 웨이퍼
62 : 실리콘 식각용 보호막
63 : 프로브 외곽 모형부
64 : 잔여 실리콘 막
66 : 표면 절연 막
70, 87, 95 : UMB(Under Bumper Metallurgy)
71, 120 : 주기판
72, 101, 113 : 스페이스 트랜스포머(space transformer)
73 : 프로브
74, 75 : 메탈 하우징
76 : 메탈 나사
81, 91, 91' : 세라믹 기판
82, 92, 92' : 관통홀
83, 93 : 도금막
84 : 상부 도전 패턴
85 : 패턴 보호용 레지스트 막
86, 93 : 솔더볼 접합용 패드
88 : 하부 도전 패턴
89 : 레지스트 패턴
96, 97 : 접합용 도전 패드
98 : 이방성 도전 필름
99 : 도전성 볼
102, 111 : 마이크로 솔더볼
103, 112 : 실리콘 프로브 기판
114, 115 : 도전패드
116 : 이방성 도전 탄성체
117, 118 : 하우징
119 : 체결 나사
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
다수 개의 프로브와 이들을 지지하는 지지 기판을 포함하는 프로브 기판,
한 개 이상의 상기 프로브 기판을 실장하고 있는 PCB(Printed Circuit Board),
제 1 및 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면은 상기 프로브 기판과 접하고 있고, 상기 제 2 면은 상기 PCB 기판과 접하고 있으며, 상기 프로브 기판과 상기 PCB 기판 사이의 간격을 조절하는 스페이스 트랜스포머(Space Transformer)를 포함하며,
상기 프로브는, 제 1 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되고, 상기 제 2 단부는 압력을 가압, 해제함에 따라 그 위치가 상하로 탄성적으로 변형, 복원되는 탄성부,
상기 탄성부의 제 2 단부의 하부에 돌출되어 있는 접촉부,
상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 카드가 제공된다.
양호하게는, 지지 기판, 제 1 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되어 있고, 상기 제 2 단부는 압력을 가압, 해제함에 따라 그 위치가 상하로 탄성적으로 변형, 복원되는 탄성부,
상기 탄성부의 제2 단부의 하부에 돌출되어 있는 접촉부,
상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 기판이 제공된다.
양호하게는, 소정의 크기와 두께로 면가공된 후, 소정의 위치에 소정의 크기로 뚫려 있는 관통홀을 포함하는 세라믹 기판,
상기 관통홀 내부에 형성되어 있는 관통홀 도전부,
상기 세라믹 기판 양쪽 표면에 각각 형성되어 있으며, 상기 관통홀 도전부에 의하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
상기 제 1 도전 패턴의 일부를 덮어 보호하는 패턴 보호용 감광성 레지스트 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머가 제공된다.
양호하게는, 다수의 제 1 관통홀을 가지는 제 1 세라믹 기판,
상기 제 1 관통홀 내부에 형성되어 있는 제 1 관통홀 도전부,
상기 제 1 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 1 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
다수의 제 2 관통홀을 가지는 제 2 세라믹 기판,
상기 제 2 관통홀 내부에 형성되어 있는 제 2 관통홀 도전부,
상기 제 2 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 2 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 3 및 제 4 도전 패턴,
상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판 사이에 형성되어 있으며 상기 제 2 도전 패턴과 상기 제3 도전 패턴을 물리적, 전기적으로 연결하는 이방성 도전 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머가 제공된다.
양호하게는, 실리콘 웨이퍼의 상부를 사진 식각하여 소정의 두께를 갖는 프로브 탄성부와 지지 기판을 정의하는 제 1 단계;
상기 실리콘 웨이퍼의 하부를 사진 식각하여 프로브 접촉부를 정의하는 제 2 단계;
상기 프로브 및 지지 기판을 포함하여 노출된 모든 실리콘 표면에 절연막을 형성하는 제 3 단계 및;
상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 형성하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 기판의 제조 방법이 제공된다.
양호하게는, 소정의 크기와 소정의 두께로 면 가공된 세라믹 기판에 관통홀을 형성하는 제 1 단계;
상기 관통홀 내부에만 도금막을 형성하는 제 2 단계;
상기 세라믹 기판의 양면에 도전 패턴을 형성하는 제 3 단계;
상기 도전 패턴의 일부를 덮는 패턴 보호용 감광성 레지스트 패턴을 형성하는 제 4 단계 및;
노출되어 있는 상기 도전 패턴에 UBM(Under Bumper Metallurgy)을 형성하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머의 제조 방법이 제공된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 프로브 및 프로브 카드와 프로브의 제조 방법에 대해 알아본다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프로브 카드의 단면도이다. 도 4를 보면, 다수 개의 프로브와 이들을 지지하는 지지 기판을 포함하는 프로브 기판(112), 한 개 이상의 프로브 기판(112)을 실장하고 있는 PCB(Printed Circuit Board, 120), 제 1 및 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면은 상기 프로브 기판(112)과 접하고 있고, 상기 제 2 면은 상기 PCB 기판(120)과 접하고 있으며, 상기 프로브 기판(112)과 상기 PCB 기판(112) 사이의 간격을 조절하는 스페이스 트랜스포머(Space Transformer, 113)를 포함하며,
상기 프로브는, 제 1 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되고, 상기 제 2 단부는 압력을 가압, 해제함에 따라 그 위치가 상하로 탄성적으로 변형, 복원되는 탄성부, 상기 탄성부의 제 2 단부의 하부에 돌출되어 있는 접촉부, 상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 포함한다.
또한, 상기 스페이스 트랜스포머(113)의 외곽부와 PCB(120)의 상단부에 걸쳐 형성되어 있는 금속 재질의 하우징(Housing, 117, 118)과 체결나사(119)를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서, 도 4에 따른 프로브 카드의 여러 구성 요소들과 그의 제조 방법에 대해 순차적으로 알아본다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브에 대해 알아보면 다음과 같다.도 5a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 평면도, 도 5b는 상기 도 5a의 1-1'선에 대한 단면도, 도 5c는 상기 도 5a의 2-2'선에 대한 단면도, 도 5d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 동작 상태를 도시한 상태도이다.
상기한 이들 도면에 도시된 바와 같이, 프로브(41)는 단결정 또는 다결정 실리콘(silicon) 웨이퍼의 일부를 선택적으로 식각하여 형성되며, 상기 프로브(41)들은 하나 또는 다수의 연결부(42)를 제외하고는 주변 프로브 기판(43)과 분리된 형상을 한다. 접촉부(44)는 기타의 주변부들보다 돌출되게 형성된다. 이들 상기한 프로브 및 프로브 기판 모두는 표면이 절연 막(45)으로 형성된다. 또한, 돌출된 접촉부(44)를 포함한 프로브(41) 하단의 일부와 프로브(41) 상단을 덮는 프로브 금속(47) 및 프로브 기판(43) 상단에 외부 PCB(printed circuit Board, 도시 않음)와 연결시키기 위해 형성한 프로브 패드(46)를 단일 금속 내지는 합금을 도금하여 서로 연결되게 형성함으로서, 접촉부(44)와 상기 연결용 패드(46)는 전기적으로 도통하게 된다.
도 5d는 상기 프로브(41)에 규정된 압력을 인가하여 반도체 집적회로 장치(48)의 패드(49)부에 접촉한 상태를 도시한 상태도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 프로브에 대해 알아보면 다음과 같다. 도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프로브의 평면도, 도 6b는 상기 도 6a의 1-1'선에 대한 단면도, 도 6c는 상기 도 6a의 2-2'선에 대한 단면도이다.
상기한 이들 도면에 도시된 바와 같이, 프로브(51)는 단결정 또는 다결정 실리콘(silicon) 웨이퍼의 일부를 선택적으로 식각하여 형성시키며 프로브(51)들은하나 또는 다수의 연결부(52)를 제외하고는 주변 프로브 기판(53)과 분리된 형상을 하고 접촉부(54)는 기타의 주변부들보다 돌출되게 형성되며, 웨이퍼 기판에는 상 하단을 관통하는 원형 또는 다각형의 홈(55)이 형성된다. 홈(55)의 크기는 수 마이크로(micro meter)에서 수백 마이크로가 적절하며, 후속 도금단계를 고려하면 수십 마이크로 미터가 적당하다.
상기한 이들 프로브, 프로브 기판 및 관통 홈까지 포함하여 모든 실리콘 표면은 절연 막(56)으로 형성된다. 또한, 돌출된 접촉부를 포함하여 프로브 하단부와 이에 연장하여 관통 홈을 포함하는 부분 및 관통 홈 내부 측벽을 덮는 프로브 금속(58)과 프로브 기판 상단에 외부 PCB(도시 않음)와 연결하기 위해 형성하는 패드부(57)를 금속 내지는 합금으로 도금하여 서로 연결되도록 형성함으로써, 접촉부(54)와 상기 연결용 패드(57)는 전기적으로 도통하게 된다.
단결정 또는 다결정 실리콘은 고 탄성 물질로서 소성변형이 거의 발생하지 않으며, 마이크로(micro) 단위의 미세 구조물일 때의 충분한 강도는, 예를 들어 인장강도는 스텐레스 강보다 높음이 이미 알려져 있다. 또한, 본 발명의 프로브는 상기한 결정 실리콘으로 만들어져서 수만 번의 반복적인 접촉과정을 거쳐도 휨이나 뒤틀림 같은 소성변형이 없어 원형을 유지하게 된다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프로브의 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
제 1 단계는 프로브의 두께 조절 및 상부 공간을 확보하기 위한 단계로서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 먼저 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(61)의 상단 면에 질화 실리콘 막 내지는 산화 실리콘 막, 또는 이들의 혼합 막 등의 박막을 실리콘 식각을 위한 보호막(62)으로 형성한 후 여기에 사진 공정으로 감광막 패턴을 형성한다. 이후, 적절한 식각 방법, 예를 들어 질화 막의 경우에는 인산을 사용하는 습식 식각이나 CCl2F3가스를 사용하는 건식 식각을 사용하고, 산화 막의 경우에는 불산 등의 습식 식각이나 CCl2F3, CF4, C2F6, C3F8등의 가스를 적절히 사용하는 건식 식각을 통해 상기 보호막(62)에 소정의 패턴을 형성시킨다.
이후, 도 7b에 도시된 바와 같이, 보호막(62)을 사용하여 하부의 실리콘을 소정의 깊이로 식각한 후 상기 보호막을 벗겨 낸다.
위와 같은 실리콘 식각은 단결정 웨이퍼를 사용하는 경우에는 KOH, EDP(Ethylene Diamine Pyrocathechol), TMAH(TetraMethyl Ammonium Hydroxide) 등이 실리콘의 (111) 결정 방향에 따른 식각 속도가 다른 결정방향의 식각 속도보다 수천 배정도 느리다는 성질을 이용하여 이방성 습식 식각이나 Cl2, CCl4, BCl3, CHCl3, CHF3, CF4등의 가스들을 적절히 사용한 이방성 건식 식각으로 실행시키며, 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용할 경우에는 상기한 건식 식각을 사용한 이방성 식각을 실행시킨다. 이때, 식각될 웨이퍼의 깊이는 상기 웨이퍼의 두께와 만들고자 하는 프로브의 두께, 프로브의 접합 니들부의 높이에 따라 적절히 선택된다. 이 중, 프로브의 두께는 매우 중요하여 프로브의 폭, 길이와 더불어 접합을 위한 압력인가시, 프로브의 탄성 및 강도를 결정하는 변수이므로 제작하고자 하는 프로브의 사용 환경에 따라 정확히 계산된 두께를 형성해야 하며, 상기한 사용환경이 매우 다양할 수 있으므로 본 발명에서는 구체적인 두께는 언급하지 않기로 한다.
다음, 프로브의 외형을 형성하기 위한 단계로서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 먼저 프로브의 외곽 모형부(63)를 앞서 언급한 이방성 식각을 통해 식각함으로서, 하단부까지 관통시키거나 또는 약간의 실리콘 막(64)이 남도록 식각한다. 이때, 후속 공정 단계에서 진공 흡착 설비 등을 사용할 경우, 약간의 실리콘 막(64)을 남기는 것이 후속 공정 단계에서 편리하다. 또한, 잔여 실리콘의 두께는 후속 단계에서 형성될 프로브 접촉부의 높이보다 얇게 함으로써, 프로브의 접촉부 형성 시 잔여 막이 제거되어 프로브의 외형이 완성되도록 한다.
다음, 프로브의 접촉부를 형성하기 위한 단계로서, 도 7d에 도시된 바와 같이, 먼저 감광막 패턴 형성 시 사용한 사진 공정 및 식각 공정을 통해, 프로브 기판 하단에 접촉부(65)만을 제외한 여타 부분들을 접촉부의 높이 만큼 제거한다. 이를 통해 접촉부를 포함한 프로브의 형태가 완성된다.
이때, 접촉부(65)의 끝을 도시된 바와 같이 피라미드 모양 또는 이와 유사한 뽀족한 형태로 가공하기 위해서는 XeF2개스 등을 사용하는 등방성 건식식각이나 등방성 습식식각을 사용하기도 하며, 단결정 웨이퍼를 사용할 경우에는 결정 방향을 적절히 배치시킨 후 이방성 습식식각 등의 방법으로 쉽게 형성하기도 한다.
다음, 절연하기 위한 단계로서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 완성된 프로브들을 서로 전기적으로 절연시키는 단계이다. 먼저, 사진 공정 및 식각 공정을 통해 프로브 기판 하단에 완성된 프로브 및 기판의 모든 표면에 절연 막(66), 예를 들어 질화 실리콘 막이나 산화 실리콘 막 등을 절연에 충분할 정도의 두께로 형성시킨다.
상기 박막형성 방법으로는 물리 기상 증착법이나, 화학 기상 증착법 등이 모두 가능하며, 원가 측면이나 막질 등을 모두 고려하면 전기로 등을 이용한 열 산화 막 형성이 가장 적절한 방법이다. 또한, 이때 형성시키는 절연 박막의 두께는 대략 수백에서 수만 옹스트롱(angstrom) 정도면 적절하다.
다음, 외부의 PCB(printed circuit board)와 연결되는 패드부(67)와 프로브의 접촉부(68)를 전기적으로 도통시키기 위한 단계로서, 도 7f에 도시된 바와 같이, 먼저 접촉부(68)를 포함하여 프로브의 하단면 일부를 니켈이나, 텅스텐, 크롬 등과 같이 전도성이 좋고 내 산화성이 강하며, 경도가 상대적으로 높은 금속 내지는 합금(69)을 사진 및 박막 형성 공정을 통해 선택적으로 도금하고, 프로브의 상단부와 이와 연결된 프로브 기판 상부에도 수십에서 수백 마이크로 크기의 패드 모양으로 상기한 금속 및 합금(69)을 사진 및 박막형성 방법으로 선택적으로 도금한다. 이를 통해, 프로브의 접촉부(68)와 프로브의 패드부(67)를 전기적으로 도통시키면 실리콘 프로브 및 프로브 기판 형성이 완료된다.
프로브의 패드(67)부는 이후 언급될 마이크로 솔더볼 접합단계에서 마이크로 솔더볼이 직접 접합되는 부분으로서, 이 부분에는 안정적인 솔더볼 접합을 위하여 UBM(Under Bumper Metallurgy, 70)을 형성시켜 주는 것이 좋다.
상기 UBM은 니켈 등과 같이 솔더의 확산을 방지할 수 있는 확산 방지층 및 금 또는 구리 등과 같이 솔더의 젖음성을 좋게 하기 위한 젖음층을 사진 공정 및 통상의 전해 또는 무전해 도금 방법을 통해서 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
다음, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 과정에 대해 순차적으로 알아보면 다음과 같다.
도 8a 내지 도 8h는 제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 과정을 순차적으로 도시한 공정도이다.
제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 과정은 제 1 실시예의 프로브 제조 방법과 동일하며, 단지 프로브의 외곽부 형성단계에서 관통홀을 동시에 가공하며, 접촉부와 프로브의 패드간의 전기적 연결을 위한 금속 배선이 프로브의 아래쪽으로 형성되는 점이 다르다는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 제 2 실시예에 따른 프로브의 제조 과정에 대해 알아본다.
첫 번째 제조 단계는 도 8a에 도시된 바와 같이, 프로브의 두께 조절 및 상부 프로브의 굽힘 공간을 확보한다. 먼저, 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(1001)의 상단 면에 질화 실리콘 막 내지 산화 실리콘 막, 또는 이들의 혼합 막 등의 박막을 실리콘 식각을 위한 보호막(1002)으로 형성한다. 이후, 형성된 보호막(1002) 위에 사진 공정으로 감광막 패턴을 형성시킨 다음, 적절한 식각 방법,예를 들어, 질화 막의 경우에는 인산을 사용하는 습식 식각이나 CCl2F3가스를 사용하는 건식 식각을 사용하고, 산화 막의 경우에는 불산 등의 습식 식각이나 CCl2F3, CF4, C2F6, C3F8등의 가스를 적절히 사용하는 건식 식각의 방법으로 상기 보호막 (1002)에 소정의 패턴을 형성한다.
다음, 도 8b에 도시된 바와 같이, 이들 보호막을 사용하여 하부의 실리콘을 소정의 깊이로 식각한 후 보호막(1002)을 벗겨 낸다. 이때의 실리콘 식각은 단결정 웨이퍼를 사용하는 경우에는 KOH, EDP(ethylene diamine pyrocathechol), TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) 등이 실리콘의 (111)결정 방향 식각 속도가 다른 결정방향의 식각 속도보다 수천 배정도 느리다는 성질을 이용한 이방성 습식 식각이나 Cl2, CCl4, BCl3, CHCl3, CHF3, CF4등의 가스들을 적절히 사용한 이방성 건식 식각으로 식각하며, 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용할 경우에는 상기한 건식 식각을 사용한 이방성 식각으로 식각한다.
다음, 도 8c에 도시된 바와 같이, 프로브의 외형 및 관통홀을 형성한다. 먼저, 프로브의 외곽 모형부(1003)와 관통홀(1004)를 이방성 식각만으로 식각하여 하단부 까지 관통시키거나 또는 약간의 실리콘 막(1005)이 남도록 식각한다.
이는, 후속 공정 단계에서 진공 흡착 설비 등을 사용할 경우, 약간의 실리콘 막을 남기는 것이 후속 공정 단계에서 편리하기 때문이다. 또한, 잔여 실리콘의 두께는 후속 공정 단계에서 형성될 프로브의 접촉부의 높이 보다 얇게하여 프로브의 접촉부 형성 시 잔여 막이 제거되어 프로브의 외형이 완성되도록 한다.
다음, 도 8d에 도시된 바와 같이, 프로브의 접촉부를 형성한다. 먼저, 사진 공정 및 식각 공정으로 프로브 기판 하단에 접촉부(1006)만을 제외하고 여타 부분들을 접촉부의 높이 만큼 제거시키면 접촉부를 포함한 프로브의 형태가 완성된다. 이때 특히, 접촉부(1006)의 끝을 예시된 바와 같이 피라미드 모양 또는 이와 유사한 뽀족한 형태로 가공하기 위해서는 XeF2개스 등을 사용하는 등방성 건식식각이나, 등방성 습식식각, 또는 단결정 웨이퍼를 사용할 경우에는 결정방향을 적절히 배치시킨 후 이방성 습식식각 등의 방법으로 쉽게 달성할 수 있다.
다음, 도 8e에 도시된 바와 같이, 완성된 프로브들을 서로 전기적으로 절연시킨다. 먼저, 완성된 프로브 및 프로브 기판의 모든 표면에 절연 막(1007), 예를 들어 질화 실리콘 막이나, 산화 실리콘 막 등을 절연에 충분할 정도의 두께로 형성한다.
이때의 박막형성 방법으로는 물리 기상 증착 법이나, 화학 기상 증착 법 등이 모두 가능하며, 원가 측면이나, 막질 등을 모두 고려하면 전기로 등을 이용한 열 산화 막 형성이 가장 적절하다. 또한, 이때 형성시키는 절연 박막의 두께는 대략 수백에서 수만 옹스트롱(angstrom) 정도면 적절하다.
다음, 도 8f에 도시된 바와 같이, 외부의 PCB(printed circuit board)와 연결되는 패드부(1008)와 프로브의 접촉부(1009)를 전기적으로 도통시킨다. 먼저, 접합부를 포함하여 관통홀 주변까지 연결하여, 프로브의 하단면 일부를 니켈이나, 텅스텐, 크롬 등과 같이 전도성이 좋고 내 산화성이 강하며, 경도가 상대적으로 높은금속 내지는 합금(1010)을 사진 및 박막 형성 공정으로 선택적으로 도금한다. 또한, 프로브의 상단부와 이와 연결된 프로브 기판 상부에도 수십에서 수백 마이크로 크기의 패드 모양으로 상기한 금속 및 합금을 사진 및 박막형성 방법으로 선택적으로 도금하여 프로브의 접촉부(1009)와 프로브의 패드부(1008)를 전기적으로 도통시키면 실리콘 프로브 및 프로브 기판 형성이 완료된다.
이때, 금속 또는 합금의 박막형성은 물리 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition), 전해 도금, 무전해 도금 등이 가능하며, 특히, 관통홀 측벽을 통해 상하간에 원활한 전기적 도통을 이루기 위해서는 화학기상 증착이나 전해 또는 무전해 방식의 도금 방법이 효율적이다.
상기 프로브의 패드부(1008)는 후속 마이크로 솔더볼 접합단계에서 마이크로 솔더볼이 직접 접합되는 부분으로서, 이 부분에는 안정적인 솔더볼 접합을 위하여 UBM(Under Bumper Metallurgy, 1011)을 형성시켜 주는 것이 좋다.
UBM은 니켈 등과 같이 솔더의 확산을 방지할 확산 방지층 및 금 또는 구리 등과 같이 솔더의 젖음성을 좋게 하기 위한 젖음 층을 사진 공정 및 통상의 전해 또는 무전해 도금 방법을 통해 선택적으로 형성한다.
이상에서 설명한 공정단계는 일 예에 불과하며, 상기한 각 공정단계의 순서를 바꾸거나 변형도 가능하며, 이러한 공정단계의 변형 등도 결국 실리콘 웨이퍼를 사용하고 이 웨이퍼의 일부가 프로브를 형성하며 상단에는 PCB와 연결되기 위한 프로브 패드가 형성되는 프로브 및 프로브 기판에 대한 본 발명의 이념에 반하지 않음은 자명한 사실이다.
다음, 이하 첨부된 도면을 참조하여 스페이스 트랜스포머에 대해 알아보면 다음과 같다.
도 9는 종래 기술에 따른 일반적인 스페이스 트랜스포머를 포함하는 프로브 카드의 단면도이다. 프로브 카드는, 주기판(71), 스페이스 트랜스포머(72), 프로브(73), 하우징(74, 75) 등으로 구성되며, 이들은 체결 나사(76) 등으로 체결되는 것이 일반적인 방식이다.
위와 같은 특징의 프로브 카드에서는, 주기판(71)의 하단면과 프로브(73) 접촉부간의 거리 'a' 또는 주기판(71)의 상단면과 프로브(73) 접촉부간의 거리 'b' 를 프로브 카드를 사용하는 주변설비, 즉 프로브 머신이나 테스트 장비의 사양에 따라 사용자가 적절히 결정하여 사용하게 된다. 즉, 프로브 카드는 호환성 소모품의 일종이기 때문에 사용자가 요구하는 물리적 사양에 따라 이러한 'a' 또는 'b'를 맞추어서 제작해야 한다는 의미이다. 이러한 프로브 카드의 두께를 조절해 주는 것이 바로 스페이스 트랜스포머 (space transformer, 72)인데, 스페이스 트랜스포머(72)란, 전기적인 도통을 유지하면서 공간 즉 프로브 카드의 전체 두께를 적절히 조절해 주는 것이다.
위와 같은 특징의 스페이스 트랜스포머의 재질로는 FR4또는 폴리이미드 (Polyimide) 등으로 제작된 통상적인 PCB(Printed Circuit Board)가 가장 손쉽게 제작하여 사용할 수 있으나, 프로브 카드의 반복적인 사용에 따른 열변형과 기계적인 변형, 마이크로 솔더볼 접합 시의 열변형 등을 고려하여, 세라믹 재질의 스페이스 트랜스포머가 가장 이상적이다.
따라서, 본 발명에서는 세라믹 재질의 스페이스 트랜스포머를 기본으로 하여, 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머에 대해 순차적으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 10을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 구조에 대해 알아보면 다음과 같다.
제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머는, 도 10에 도시된 바와 같이, 소정의 크기와 두께로 면가공된 후, 소정의 위치에 소정의 크기로 뚫려 있는 관통홀(82)을 포함하는 세라믹 기판(81), 상기 관통홀(82) 내부에 형성되어 있는 관통홀 도전부, 상기 세라믹 기판(81) 양쪽 표면에 각각 형성되어 있으며, 상기 관통홀 도전부에 의하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴(84, 88), 상기 제 1 도전 패턴(88)의 일부를 덮어 보호하는 패턴 보호용 감광성 레지스트 막(82)을 포함한다.
위와 같은 구조를 특징으로 하는 제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정에 대해, 도 11a 내지 도 11e를 통해 알아보면 다음과 같다.
먼저, 도 11a와 같이, 세라믹 기판(81)을 정해진 크기와 두께로 면가공한 후, 도 11b와 같이, 세라믹 기판(81)의 정해진 위치에 정해진 크기의, 예를 들어 직경 수백 마이크로미터인 관통 홀(82)들을 뚫는다. 상기 관통 홀(82)을 뚫기 위한 방법은 차후 언급하기로 한다.
다음, 도 11c에 도시된 바와 같이, 전해 또는 무전해 방법을 이용하여 세라믹 기판(81)의 전 표면을 금속 또는 합금으로 도금하여 도금 막(83)을 형성한 후, 도 11d와 같이, 도금 막(83)이 형성된 세라믹 기판의 양면을 기계 가공을 통해 면 부분의 도금 막만을 벗겨내어 관통 홀 내부에만 도금 막을 남긴다.
다음, 도 11e에 도시한 바와 같이, 세라믹기판의 양면에 필요한 전기적 회로를 도전성 페이스트(paste) 등을 사용하여 스크린 프린팅 하거나, 감광막 패턴위에 도전 막을 물리 기상 증착하고 감광막을 제거하여 원하는 패턴을 얻는 리프트 오프(Lift Off) 방법, 또는 도전 막 증착 후에 감광막 패턴 등을 이용하여 식각하는 등의 방법을 통해 원하는 세라믹 기판의 양면에 원하는 제 1 및 제 2 도전 패턴(84, 88)을 형성한다.
상기 제 1 도전 패턴(84)은 마이크로 솔더볼이 접합될 면의 경우, 주로 마이크로 솔더볼이 접합될 솔더볼 접합용 패드(86) 및 솔더볼 접합용 패드(86)와 관통 홀(82)을 전기적으로 연결하는 배선 패턴이 주가 되며, 제 2 도전 패턴(88)은 주로 하 기판과의 전기적 도통을 위한 도전 패드가 주가 된다.
다음, 도 11a의 완성된 구조에 따른 스페이스 트랜스포머와 같이, 도전 패턴의 보호 등을 목적으로 패턴 보호용 감광성 레지스트 막(85)을 마이크로 솔더볼 접합 면에 도포하고, 마이크로 솔더볼이 접합될 부분(86)만을 사진공정 등으로 도전 층을 노출시킨다.
이후, 상기 도전 층 노출 부분에는, 앞서 언급한 바와 같이, 마이크로 솔더볼 접합 시의 안정적인 접합을 위한 UBM(Under Bumper Metallurgy, 87)을 형성한다. 상기 UBM(87)은 솔더의 확산을 방지할 확산 방지 층(통상적으로 니켈이 많이 사용됨)과 솔더의 젖음성을 좋게 하기 위한 젖음 층(금 또는 구리 등이 많이 사용됨)을 통상의 전해 또는 무전해 도금 방법으로 형성한다.
다음, 제 2 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정에 대해, 도 12a 내지 도 12b를 통해 알아보면 다음과 같다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정을 도시한 공정도이다.
먼저, 도 12a와 같이, 관통 홀(82)이 가공 완료된 세라믹 기판(81)의 양면에 배선 패턴이 형성될 수 있도록, 먼저 사진공정 등을 통해 레지스트 등의 패턴(89)을 형성한 후, 전해 또는 무전해 방법으로 레지스트 등이 도포되지 않은 부분에만 도금 층(83)을 형성한다. 이후, 레지스트 층을 제거하면 원하는 배선을 도금 층(83)으로 형성시킬 수 있게 된다.
이후의 보호막 형성 및 UBM 형성 과정은 앞서 언급한 제 1 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조과정과 동일하므로 생략하기로 한다.
여기서, 차후 언급하기로 한 관통 홀(82)에 대해 간단히 언급하면 다음과 같다.
일반적으로, 두꺼운 세라믹 기판에 미세 관통 홀을 뚫기는 매우 어렵다. 따라서, 세라믹 재질의 기판에 직경 수백 마이크로미터인 관통 홀을 뚫기 위해서는, 일반적으로 다이아몬드가 코팅된 휠(Wheel) 공구를 사용해서 가공한다. 이 때, 세라믹 기판의 두께가 1~2mm 정도로 얇을 경우에는 직경 수백 마이크로미터인 관통홀을 비교적 쉽게 가공할 수 있으나, 세라믹 기판의 두께가 3mm 이상, 5mm 또는 6mm 정도로 두꺼울 경우에는 가공이 매우 어려워지며, 가공에 따른 비용도 굉장히 비싸진다.
따라서, 위와 같은 문제를 해결하기 위한 한 방법으로는, 소결되지 않은 세라믹 원료 배합물들을 종이 등에 흡착시켜 먼저 홀 가공을 한 후에 여러 겹 다시 포개 겹친 후 소결함으로써, 최종적으로 미세 관통 홀이 형성된 원하는 두께의 세라믹 기판을 가공하는 방법을 사용한다. 하지만, 위와 같은 방법 역시, 소결에 따른 부피 수축을 정확히 예견하여 미리 보정하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 미세한 홀들을 정확히 일치하여 포개는 것 역시 매우 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안에 따른 아래의 제 3 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머에 대해 알아보면 다음과 같다.
도 13은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 구조도이다. 도 13을 보면, 다수의 제 1 관통홀(92)을 가지는 제 1 세라믹 기판(91), 상기 제 1 관통홀(92) 내부에 형성되어 있는 제 1 관통홀 도전부, 상기 제 1 세라믹 기판(91)의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 1 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴(93, 96), 다수의 제 2 관통홀(92')을 가지는 제 2 세라믹 기판(91'), 상기 제 2 관통홀(92') 내부에 형성되어 있는 제 2 관통홀 도전부, 상기 제 2 세라믹 기판(91')의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 2 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 3 및 제 4 도전 패턴, 상기 제 1 세라믹 기판(91)과 상기 제 2 세라믹 기판(92') 사이에 형성되어 있으며 상기 제 2 도전패턴과 상기 제 3 도전 패턴을 물리적, 전기적으로 연결하는 이방성 도전 필름(Anisotropic Codunting Film, 98)을 포함한다.
상기와 같은 구조를 특징으로 하는 제 3 실시예에 따른 스페이스 트랜스포머의 제조 과정에 대해, 도 14a 내지 도 14e를 통해 알아보면 다음과 같다.
먼저, 도 14a와 같이, 다수 개의 세라믹 기판을 미세 관통 홀을 가공하기 위한 용이한 두께, 즉 1∼2mm 두께로 가공한 후, 도 14b와 같이, 가공된 세라믹 기판(제 1 및 제 2 세라믹 기판, 91, 91')을 앞서 언급한 바와 같이 통상의 방법으로 관통 홀(92, 92')을 가공한다.
다음, 도 14c에 도시한 바와 같이, 제 1 세라믹 기판(91)은 상기한 제 1 실시 예(도 10) 또는 제 2 실시예(도 12a)와 동일한 방법으로, 한쪽 면에는 도전성 박막(93)으로 마이크로 솔더볼을 접합할 패드(94)와 UBM(95)을 형성하고, 다른 쪽 면에는 하기판과 접합할 도전 패드(96)를 형성한다. 이후, 나머지 기판(제 2 세라믹 기판, 91')들은 도 14d에 도시한 바와 같이, 상기한 방법과 동일한 방법으로 양면에 도전 패드(97)만을 형성한다.
다음, 도 14e에 도시한 바와 같이, 이방성 도전 필름(Anisotropic Coducting Film, 92)을 사이에 두고, 제 1 세라믹 기판(91)의 도전 패드(96)와 제 2 세라믹 기판(91')의 도전패드(97)를 일치시킨다.
상기 이방성 도전성 필름(98)이란, 점착성 필름 내에 도전성 볼(99)을 배치하여 양쪽 기판을 고온에서 압착하였을 때 압착된 방향으로 도전성 볼(99)을 통해 전기적 도통이 이루어지도록 하는 필름이다.
다음, 두 개의 세라믹 기판(91, 91')을 고온에서 압착하면 물리적 결합 및 전기적 도통이 이루어져서 얇은 두 개의 세라믹 기판이 접합되어 하나의 두꺼운 세라믹 기판과 동일한 역할을 하게 된다.
이때의 압착 온도는 보통 50℃∼300℃ 정도가 적합하며, 좀더 정확한 온도는 사용하는 이방성 도전 필름의 종류에 따라 결정된다. 마찬가지로, 압착하는 압력 역시 사용되는 이방성 도전 필름의 종류에 의존하여 결정된다.
이러한 방법을 통해, 두께가 적절히 조절된 두개 또는 그 이상의 세라믹 기판을 접합하면, 최종적으로 원하는 두께의 스페이스 트랜스포머를 제작할 수 있다.
다음, 첨부된 도면 도 15a 및 도 15b를 참조하여, 위와 같은 과정을 통해 제조된 스페이스 트랜스포머와 프로브 및 프로브 기판을 물리적, 전기적으로 결합하는 과정에 대해 알아보면 다음과 같다.
먼저, 도 15a와 같이, 스페이스 트랜스포머(101)의 UBM이 형성된 부분에 마이크로 솔더볼(102)을 개별 범핑(bumping)하거나, 스크린 마스크를 이용하여 솔더 페이스트(paste)로 프린팅하는 방법을 통해, 마이크로 솔더볼(102)을 형성한다.
다음, 도 15b와 같이, 마이크로 솔더볼(102)이 형성된 스페이스 트랜스포머 상단에 휘발성 점착제를 사용하여 실리콘 프로브 기판(103)을 정렬시켜 붙인 후, 마이크로 솔더볼(102)의 융점보다 높은 온도에서 리플로우(reflow)과정을 거쳐 상기 점착제를 휘발시켜, 마이크로 솔더볼(102)만에 의한 물리적, 전기적 결합을 완료한다. 이때, 상기 리플로우 온도는 통상 200℃∼500℃ 정도이나, 정확한 온도는 사용되는 솔더의 재질에 따라 다르게 결정된다.
위와 같이, 상기 마이크로 솔더볼(102)을 사용하여 실리콘 프로브 기판과 스페이스 트랜스포머를 접합하게 되면, 스페이스 트랜스포머의 크기만을 프로브 카드 사양에 맞게 제작하면 된다. 즉, 실리콘 프로브 기판 부는 모듈(module) 개념의 다수개의 작은 조각 형태로 제작하여 다수개의 실리콘 기판 모듈들을 수회의 반복적인 접합과정을 거쳐 하나의 스페이스 트랜스포머에 접합할지라도, 마이크로 솔더볼 공정의 특성상 하나의 큰 실리콘 프로브 기판을 사용한 것과 동일한 결과를 얻게 된다. 이로 인해, 실리콘 프로브 기판 제작 시 대구경의 웨이퍼를 사용하지 않아도 얼마든지 많은 수의 프로브들이 탑재된 프로브 카드 제작이 가능하며, 이는 고가의 대구경 웨이퍼용 가공장비가 필요하지 않을 뿐만 아니라, 실리콘 프로브 기판부의 가공 정밀도를 상대적으로 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 완성된 프로브 카드 사용 시 프로브 파손 등으로 인한 보수 작업 시에도 보다 적은 비용으로 손쉽게 보수할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 사진 및 식각 공정을 통해서 미세 프로브들이 프로브 기판 상에 정의되므로, 프로브들의 밀집도를 높일 수 있으며, 모든 프로브들은 니들 접촉부의 높이가 균일하게 유지되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방법으로 제조된 프로브들은 반복적인 사용 후에도 고탄성을 유지하여 모양이 변형되지 않으며, 프로브 카드는 다수개의 반도체 집적회로들을 동시에 테스트 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방법으로 제조된 프로브, 프로브 기판들은 그 재질이 반도체 집적회로 기판과 동일하므로 온도 상승에 따른 프로브 기판의 열팽창 계수가 반도체 집적회로 기판의 열팽창 계수와 동일하고, 상기 프로브 기판의 구성이나 모양이 상기 반도체 집적회로 기판과 유사하여 온도 변화에 따라 발생되는 프로브 기판의 팽창 내지는 수축 방향이 상기 반도체 집적회로 기판과 동일하므로, 온도 상승 환경 하에서의 테스트 실행 시 프로브와 반도체 집적회로 패드간의 접촉부에서 미끄럼 현상 등이 발생되지 않고 안정적인 소통을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 방법으로 제조된 프로브 및 프로브 카드는 전기적 통로가 짧다는 특징으로 인해 인접한 프로브들 간의 상호 전기적 간섭현상이 최소화됨으로써, 고속 동작형 반도체 집적회로의 테스트에도 신뢰도 높은 테스트 결과를 얻을 수 있다.
또한, 세라믹으로 제조된 스페이스 트랜스포머를 이용하여 프로브 카드의 두께를 조절함으로서, 프로브 카드의 반복적인 사용에 따른 열변형과 기계적인 변형, 마이크로 솔더볼 접합시의 열변형 등으로 문제점을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법으로 접합 제조된 마이크로 솔더볼을 사용함으로써, 실리콘 프로브 기판 제작 시, 대구경의 웨이퍼를 사용하지 않아도 얼마든지 많은 수의 프로브들이 탑재된 프로브 카드를 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 프로브 가공방법 및 실리콘 프로브 기판은 약간의 변형 또는 추가적인 부수 장치의 대체만으로도, 반도체 장치 웨이퍼 검사용 프로브 카드뿐만 아니라 LCD(Liquid Crystal Display) 또는 반도체 장치 고온 검사(Burn-In Test)용 소켓 등의 제작도 얼마든지 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. (2회 정정)다수 개의 프로브와 이들을 지지하는 지지 기판을 포함하며 실리콘으로 이루어져 있는 프로브 기판,
    한 개 이상의 상기 프로브 기판을 실장하고 있는 PCB(Printed Circuit Board),
    제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면은 상기 프로브 기판과 접하고 있고, 상기 제 2 면은 상기 PCB 기판과 접하고 있으며, 상기 프로브 기판과 상기 PCB 기판 사이의 간격을 조절하는 스페이스 트랜스포머(Space Transformer)를 포함하며,
    상기 프로브는 검사 대상과 접촉하는 접촉부, 압력을 가압, 해제함에 따라 상기 접촉부의 위치를 상하로 탄성적으로 변형, 복원시키며 제 1 및 제 2 단부를 가지는 탄성부, 상기 접촉부 위부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 위에까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 포함하고, 상기 탄성부의 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되어 있고 상기 접촉부는 상기 탄성부의 제 2 단부의 하부에 돌출되어 있는 프로브 카드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB와 상기 스페이스 트랜스포머의 사이에 형성되어 있는 이방성 도전 필름 및,
    상기 스페이스 트랜스포머와 상기 프로브 기판 사이에 형성되어 있어서 이들을 전기적 물리적으로 결합하는 마이크로 솔더볼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 카드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이스 트랜스포머의 제 1 도전 패드 위에 형성되어 있는 UBM(Under Bumper Metallurgy)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 카드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB의 상단부에서 상기 스페이스 트랜스포머의 외곽부에 걸쳐 형성되어 있는 하우징(Housing)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 카드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이스 트랜스포머는,
    소정의 크기와 두께로 면가공된 후, 소정의 위치에 소정의 크기로 뚫려 있는 관통홀을 포함하는 세라믹 기판,
    상기 관통홀 내부에 형성되어 있는 관통홀 도전부,
    상기 세라믹 기판 양쪽 표면에 각각 형성되어 있으며, 상기 관통홀 도전부에 의하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
    상기 제 1 도전 패턴의 일부를 덮어 보호하는 패턴 보호용 감광성 레지스트막을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이스 트랜스포머는,
    다수의 제 1 관통홀을 가지는 제 1 세라믹 기판,
    상기 제 1 관통홀 내부에 형성되어 있는 제 1 관통홀 도전부,
    상기 제 1 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 1 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
    다수의 제 2 관통홀을 가지는 제 2 세라믹 기판,
    상기 제 2 관통홀 내부에 형성되어 있는 제2 관통홀 도전부,
    상기 제 2 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 2 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 3 및 제 4 도전 패턴,
    상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판 사이에 형성되어 있으며 상기 제 2 도전 패턴과 상기 제 3 도전 패턴을 물리적, 전기적으로 연결하는 이방성 도전 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  7. (정정) 지지 기판,
    제 1 및 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 지지 기판과 연결되어 있고, 상기 제 2 단부는 압력을 가압, 해제함에 따라 그 위치가 상하로 탄성적으로 변형, 복원되는 탄성부,
    상기 탄성부의 제2 단부의 하부에 돌출되어 있는 접촉부,
    상기 접촉부 위로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 위에까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴
    을 포함하고, 상기 지지 기판, 상기 탄성부 및 상기 접촉부는 실리콘으로 이루어져 있으며 일체로 형성되어 있는 프로브 기판.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지지 기판, 상기 탄성부 및 상기 접촉부는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 프로브 기판.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로브 기판은, 상기 지지 기판을 상하로 관통하는 소정 직경의 관통구와, 상기 프로브 도전 패턴의 일부로서 상기 지지 기판의 윗면에 형성되어 있는 프로브 패드를 포함하며,
    상기 프로브 도전 패턴은 상기 관통구를 통하여 상기 접촉부로부터 상기 프로브 패드에까지 이르는 것을 특징으로 하는 프로브 기판.
  10. 소정의 크기와 두께로 면가공된 후, 소정의 위치에 소정의 크기로 뚫려 있는 관통홀을 포함하는 세라믹 기판,
    상기 관통홀 내부에 형성되어 있는 관통홀 도전부,
    상기 세라믹 기판 양쪽 표면에 각각 형성되어 있으며, 상기 관통홀 도전부에 의하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
    상기 제 1 도전 패턴의 일부를 덮어 보호하는 패턴 보호용 감광성 레지스트 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스페이스 트랜스포머의 제 1 도전 패드 위에 형성되어 있는 UBM(Under Bumper Metallurgy)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  12. 다수의 제 1 관통홀을 가지는 제 1 세라믹 기판,
    상기 제 1 관통홀 내부에 형성되어 있는 제 1 관통홀 도전부,
    상기 제 1 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 1 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 1 및 제 2 도전 패턴,
    다수의 제 2 관통홀을 가지는 제 2 세라믹 기판,
    상기 제 2 관통홀 내부에 형성되어 있는 제 2 관통홀 도전부,
    상기 제 2 세라믹 기판의 양면에 각각 형성되어 있으며 상기 제 2 관통홀 도전부를 통하여 서로 연결되어 있는 제 3 및 제 4 도전 패턴,
    상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판 사이에 형성되어 있으며 상기 제 2 도전 패턴과 상기 제3 도전 패턴을 물리적, 전기적으로 연결하는 이방성 도전 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 도전 패턴의 일부를 덮어 보호하는 패턴 보호용 유기막,
    상기 제 1 도전 패턴 위에 형성되어 있는 UBM을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 세라믹 기판과 상기 제 2 세라믹 기판의 두께는 1mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머.
  15. 실리콘 웨이퍼의 상부를 사진 식각하여 소정의 두께를 갖는 프로브 탄성부와 지지 기판을 정의하는 제 1 단계;
    상기 실리콘 웨이퍼의 하부를 사진 식각하여 프로브 접촉부를 정의하는 제 2 단계;
    상기 프로브 및 지지 기판을 포함하여 노출된 모든 실리콘 표면에 절연막을 형성하는 제 3 단계 및;
    상기 접촉부 표면으로부터 상기 탄성부를 거쳐 상기 지지 기판 표면까지 연장되어 있는 프로브 도전 패턴을 형성하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브 기판의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 실리콘 웨이퍼에 상기 지지 기판을 상하로 관통하는 관통홀을 정의하는 것을 특징으로 하는 프로브 기판의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는,
    단일 금속 또는 합금을 선택적으로 도금하는 단계인 프로브 기판의 제조 방법.
  18. 소정의 크기와 소정의 두께로 면 가공된 세라믹 기판에 관통홀을 형성하는 제 1 단계;
    상기 관통홀 내부에만 도금막을 형성하는 제 2 단계;
    상기 세라믹 기판의 양면에 도전 패턴을 형성하는 제 3 단계;
    상기 도전 패턴의 일부를 덮는 패턴 보호용 감광성 레지스트 패턴을 형성하는 제 4 단계 및;
    노출되어 있는 상기 도전 패턴에 UBM(Under Bumper Metallurgy)을 형성하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스페이스 트랜스포머의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    상기 세라믹 기판의 양면에 필요한 전기적 회로를 도전성 페이스트(paste)를이용하여 스크린 프린팅하는 단계인 스페이스 트랜스포머의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    감광막 패턴 위에 도전 막을 물리 기상 증착한 후, 상기 감광막을 일부 제거하여 원하는 패턴을 리프트 오프(Lift Off)하는 단계인 스페이스 트랜스포머의 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    감광막 패턴 위에 도전 막을 물리 기상 증착한 후, 사진 식각하는 단계인 스페이스 트랜스포머의 제조 방법.
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