KR102210841B1

KR102210841B1 - 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판

Info

Publication number: KR102210841B1
Application number: KR1020200139894A
Authority: KR
Inventors: 이항원; 김지헌; 이대형
Original assignee: (주)샘씨엔에스
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-02

Abstract

본 발명은 반도체 소자와 프로브 카드를 전기적으로 연결하는 도전성 패턴, 및 도전성 패턴을 지지하는 세라믹 몸체를 포함하도록 하고, 세라믹 몸체는, 글래스, 알루미나 필러 및 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러를 포함하도록 하여 소형의 반도체 소자를 고온의 환경에서 테스트할 경우에도 저 열팽창 특성을 갖게 하여 양호한 전기적 접속을 달성할 수 있고, 이로 인해 테스트 성능을 향상시키고 정밀한 테스트를 수행할 수 있다.

Description

저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판{Ceramic substrate for probe card with low thermal expansion characteristic}

본 문서는 반도체 소자 테스트를 위한 프로브 카드용 세라믹 기판에 관한 것으로서, 특히 저 열팽창 특성을 가지는 세라믹 기판에 관련된다.

반도체 집적회로 소자의 집적도가 높아짐에 따라, 반도체 집적회로에 대한 검사 공정을 수행하는 검사 장치 또한 높은 정밀도가 요구된다. 예컨대, 대표적인 반도체 집적회로 칩의 검사 장비로서 프로브 장치가 널리 이용되고 있다. 고집적화된 반도체 집적회로 칩에 대한 검사 공정에 부응하기 위해서는, 상기 반도체 집적회로 칩에 접속되는 프로브 핀들의 미세 피치화가 구현되어야 한다. 이를 위해, 프로브(Probe)들의 피치와 반도체 집적회로의 피치 간의 차이를 보상해 주는 소위 공간 변환기(Space Transformer, STF)가 사용되고 있고, 통상 이 공간 변환기는 저온 동시 소성 세라믹 재질(Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC)의 기판으로 구성된다. 공간 변환기는 세라믹 기판의 일종이고 세라믹 그린시트를 전극과 함께 수백 ℃ 내지 1000℃ 정도의 저온 동시 소성(Low Temperature Co-firing)을 통해 제작된다.

일반적으로 반도체 소자 테스트를 위한 프로브 카드용 세라믹 기판은 고온의 환경에서 테스트를 수행하므로 정밀한 컨택을 유지하기 위해 저 열팽창 특성을 가지는 것이 중요하다.

따라서, 글라스에 알루미나(Alumina) 필러를 첨가하고, 저 열팽창 특성을 가지도록 하기 위해 열팽창 계수가 거의 0인 필러(Near zero CTE filler), 예를 들면 코디어라이트를 필러로서 추가 첨가를 하여 전체적인 열팽창 계수를 낮추었다.

그러나, 최근 반도체 소자가 소형화되어 단자의 피치 간격이 미세해지고 있고, 테스트 온도 또한 높아짐에 따라 세라믹 기판의 열팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)가 더욱 작은 것이 요구되고 있다.

일본특허공보(등록공보번호: 6474018, “세라믹 배선기판, 세라믹 배선기판용 세라믹 그린시트 및 세라믹 배선기판용 글래스 세라믹스 분말”)는 세락믹 필러로서 알루미나 이외에 윌레마이트를 일정 비율로 사용하여 세라믹 기판의 전체적인 열팽창 계수를 -40도 ∼ +125도의 온도범위에서 4ppm/℃의 특성을 가지도록 하는 세라믹 기판을 개시하고 있으나 이 보다 더 낮출 필요가 있다.

본 발명은 반도체 소자 테스트를 위한 프로브 카드용 세라믹 기판에 관한 것으로서, 열팽창 계수가 3.5ppm/℃ 이하의 특성을 가지면서 일정한 강도를 유지하는 프로브 카드용 세라믹 기판를 제조하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 일 양상에 따른 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판은,

반도체 소자와 프로브 카드를 전기적으로 연결하는 도전성 패턴 및

도전성 패턴을 지지하는 세라믹 몸체를 포함하고,

상기 세라믹 몸체는,

글래스, 알루미나 필러 및 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러를 포함하고,

상기 음의 열팽창 계수(Negative CTE)는,

유크립타이트(Eucryptite, LiAlSiO₄), 지르코늄 텅스텐 산염(ZrW₂O₈) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 발명은 일정한 강도를 유지하면서 -40도 ∼ +150도의 온도범위에서 열팽창 계수가 4ppm/℃ 이하, 더 나아가 3.5ppm/℃ 이하의 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판을 제조하여 소형의 반도체 소자를 고온의 환경에서 테스트할 경우에도 양호한 전기적 접속을 달성할 수 있어 테스트 성능을 향상시키고 정밀한 테스트를 수행할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 프로브 카드용 세라믹 기판이 체결된 프로브 카드를 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판을 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따라 음의 열팽창 계수를 가지는 필러의 함유량에 따른 프로브 카드용 세라믹 기판의 열팽창 계수 및 3점 굽힘 강도의 변화를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한 전술한, 그리고 추가적인 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한 당업자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해된다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 프로브 카드용 세라믹 기판이 체결된 프로브 카드(Probe card)를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 프로브 카드(3000)는 테스트 PCB(2000)와 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판(1000)이 체결될 수 있다. 프로브 카드(3000)는 세라믹 기판(1000)를 통해 반도체 소자(DUT, 4000)에 테스트 신호 송신 및 전원(전력)을 공급할 수 있다. 세라믹 기판(1000)은 테스트 PCB(2000)의 핀(Pin)들의 피치(Pitch)와 반도체 소자(4000)의 단자의 피치 간 차이를 보상해 주는 공간 변환기(Space Transformer, STF)로서의 기능을 수행할 수 있다. 반도체 소자는 웨이퍼, LED, 패키지 된 칩 등 제한이 없다.

도 2는 일 실시예에 따른 저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 프로브 카드용 세라믹 기판(1000)은 도전성 패턴(100)과 세라믹 몸체(200)를 포함한다.

도전성 패턴(100)은 반도체 소자와 프로브 카드를 전기적으로 연결할 수 있다. 도전성 패턴(100)은 전극(101), 비아(102), 회로 패턴(103)을 포함하여 구성될 수 있다. 도전성 패턴(100)은 가장 전도성이 높고 비교적 저온에서 용융되는 은(Ag) 소재가 바람직하다.

세라믹 몸체(200)는 도전성 패턴을 지지하며, 글래스, 알루미나 필러 및 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러를 포함하는 세라믹 분말로 구성될 수 있다.

글래스는 (Ca, Sr, Ba)O-Al2O3-SiO2-ZnO-B2O3계 물질을 포함하여 구성될 수 있다. 알루미나 필러의 첨가량을 최소화 하기 위해 글래스는 알루미나 필러와 반응성이 최소화되는 것이 바람직하다. 실험 결과, 글래스는 붕규산계 글래스이고 입도가 2.5 ~ 4.5um 의 범위에 있는 것이 바람직하다.

알루미나 필러는 알루미나(Alumina, Al2O3) 성분으로 이루어져 있고 프로브 카드용 세라믹 기판(1000)이 세라믹 그린 시트 상태에서 저온 동시 소성(Low Temperature Co-firing)시에 수축을 억제하는 기능을 할 수 있고, 소성 내지 소결 후에는 3점 굽힘 강도를 높이는 기능을 하며 그 강도가 400 ~ 800 MPa일 수 있다.

음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러는 일반적인 물질과는 달리, 온도가 높아질수록 수축을 하는 물질을 포함하는 필러를 의미한다.

일 실시예에 따른 프로브 카드용 세라믹 기판(1000)에 있어서, 상기 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러는, 유크립타이트(Eucryptite, LiAlSiO₄), 지르코늄 텅스텐 산염(Zirconium Tungstate, ZrW₂O₈) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이들 물질은 고온 테스트 환경에서 테스트를 수행하는 프로브 카드용 세라믹 기판의 열팽창을 상쇄(Off-set)시킬 수 있다.

유크립타이트(Eucryptite, LiAlSiO₄) 필러는 베타 유크립타이트(β-eucryptite, β-LiAlSiO₄)일 수 있고, 지르코늄 텅스텐 산염(Zirconium Tungstate, ZrW₂O₈)은 알파 지르코늄 텅스텐 산염(α-Zirconium Tungstate, α-ZrW₂O₈), 및 베타 지르코늄 텅스텐 산염(β-Zirconium Tungstate, β-ZrW₂O₈) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이들 물질이 개별적으로 함유될 수 있고, 조합되어 함유될 수도 있다.

베타 유크립타이트(β-LiAlSiO₄)는 열팽창계수(CTE)가 -1 ~ -6ppm/℃이고, 알파 지르코늄 텅스텐 산염(α-ZrW₂O₈)은 열팽창계수(CTE)가 -9ppm/℃이며, 베타 지르코늄 텅스텐 산염(β-ZrW₂O₈)은 열팽창계수(CTE)가 -6ppm/℃인 것으로 알려져 있다.

글래스, 알루미나 필러, 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러는 각각 적절한 중량%의 범위를 가질 수 있다.

글래스와, 알루미나 및 음의 열팽창 계수를 가지는 필러의 중량% 비는 40 : 60 ~ 70 : 30의 범위일 수 있다. 글래스의 중량% 비가 증가함에 따라 세라믹의 치밀화는 상승이 되지만, 특정 중량%를 초과하면 치밀화가 포화(Saturation)되고 강도가 낮아지므로, 글래스와 필러간에 최적의 중량%(wt%) 비 조건을 결정하는 것이 중요하다.

도 3은 음의 열팽창 계수를 가지는 필러(특히, 유크립타이트)의 함유량에 따른 프로브 카드용 세라믹 기판의 열팽창 계수(CTE)의 변화(실선) 및 3점 굽힘 강도의 변화(점선)를 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 음의 열팽창 계수를 가지는 필러의 중량 %가 증가할수록 열팽창 계수는 감소하는 반면에 3점 굽힘 강도도 대체로 함께 감소한다. 음의 열팽창 계수를 가지는 필러의 중량 %가 10 이상인 범위에서 3점 굽힘 강도가 덜 감소하는 하는 것을 알 수 있다. 따라서 음의 열팽창 계수를 가지는 필러는 10 ~ 15의 중량 %를 가지는 것이 바람직하다. 만일 20 중량 %(wt%)를 초과할 경우, 알루미나 필러의 함유량이 저하되어 3점 굽힘 강도가 떨어질 수 있다.

음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러와 알루미나의 중량% 비는 10 : 90 ~ 50 : 50의 범위 일 수 있다. 상기 중량%의 범위를 가짐으로써 최적의 3점 굽힘 강도와 열팽창 특성을 확보할 수 있다.

음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러의 입도는 1 ~ 7 um 범위에 있을 수 있고, 알루미나 필러는 0.5 ~ 7 um 범위에 있을 수 있다.

실험 결과, 음의 열팽창 계수를 가지는 필러를 첨가할 경우 일부량이 글래스와 반응을 하는 경우가 발생하여 음의 열팽창 계수를 가지는 필러를 추가 첨가해야 한다. 그런데 이와 같이 음의 열팽창 계수를 가지는 필러를 추가 첨가하게 되면 알루미나 필러의 첨가량도 함께 줄어들어 전체적인 3점 굽힘 강도가 약해지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이와 같은 제반 상황까지를 고려한 최적의 중량% 비가 위와 같이 도출이 되었다.

1000 : 프로브 카드용 세라믹 기판
100 : 도전성 패턴
101 : 전극
102 : 비아
103 : 회로 패턴
200 : 세라믹 몸체
2000 : 테스트 PCB
3000 : 프로브 카드
4000 : 반도체 소자

Claims

저 열팽창 특성을 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판에 있어서,
반도체 소자와 프로브 카드를 전기적으로 연결하는 도전성 패턴; 및
도전성 패턴을 지지하는 세라믹 몸체;를 포함하고,
상기 세라믹 몸체는,
글래스, 알루미나 필러 및 음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러를 포함하고,
상기 음의 열팽창 계수(Negative CTE)는,
유크립타이트, 지르코늄 텅스텐 산염 중 적어도 어느 하나를 포함하는 프로브 카드용 세라믹 기판.
제1항에 있어서,
글래스와, 알루미나 및 음의 열팽창 계수를 가지는 필러의 중량% 비는 40 : 60 ~ 70 : 30의 범위를 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판.
제2항에 있어서,
음의 열팽창 계수(Negative CTE)를 가지는 필러와 알루미나의 중량% 비는 10 : 90 ~ 50 : 50의 범위를 가지는 프로브 카드용 세라믹 기판.
제1항의 프로브 카드용 세라믹 기판이 체결된 프로브 카드(Probe card).