KR19990005516A - 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 칩 패키지를 테스트하기 위한 테스트 소켓에 관한 것으로, 테스트 소켓의 소켓 리드와 패키지 리드의 기계적인 접촉에 의한 전기적 접속을 위하여 가해지는 접촉압에 따라서 패키지 리드의 좌측으로의 변위를 줄여 패키지 리드가 소켓 리드를 긁게 될 때 발생되는 틴 발생을 최소로 줄이면서 접촉압을 최대로 하여 접속 신뢰성을 향상시키기 위하여, 테스트될 반도체 칩 패키지의 리드의 하부면에 접촉되며, 패키지 리드의 가압에 의해 패키지 리드와 전기적으로 접속되는 복수개의 소켓 리드; 및 상기 소켓 리드를 소정의 간격으로 이격하며, 상기 소켓 리드를 고정하는 소켓 몸체;를 포함하며, 상기 패키지의 리드의 하부면에 접촉되는 소켓 리드의 바닥면이 볼록하게 형성된 반도체 칩 패키지 테스트 소켓이 개시되어 있다.

Description

반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓

본 발명은 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 칩 패키지의 리드와 소켓 리드의 기계적인 접촉에 따른 틴(Tin) 불량을 극복하기 위하여 반도체 칩 패키지의 리드와 접촉되는 소켓 리드 부분을 볼록하게 형성한 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조 공정에 의해 제조된 반도체 칩 패키지는 제조된 이후에 제품의 신뢰성을 확인하기 위하여 각종 테스트를 실시하게 된다.

상기 테스트는 반도체 칩의 모든 입출력 단자를 검사 신호 발생 회로와 연결하여 정상적인 동작 및 단선 여부를 검사하는 전기적 특성 테스트와 상기 반도체 칩의 전원 입력 단자 등 몇몇 입출력 단자들을 검사 신호 발생 회로와 연결하여 정상 동작 조건보다 높은 온도, 전압 및 전류 등으로 스트레스를 인가하여 반도체 칩의 수명 및 결합 발생 여부를 체크하는 번인 테스트(Burn-In Test)가 있다.

보통은 상기의 신뢰성 검사는 테스트 소켓에 반도체 칩 패키지가 탑재시킨 상태에서 테스트가 진행된다. 그리고, 테스트 소켓은 기본적으로 반도체 칩 패키지의 형태에 따라서 그 모양이 결정되는 게 일반적이며, 반도체 칩 패키지의 리드(이하, '패키지 리드'라 한다)와 소켓 리드의 기계적인 접촉에 의해 테스트 장비와 연결하는 매개체의 역할을 하게된다.

그리고, 어느 테스트 소켓을 막론하고 테스트 소켓의 주목적은 기계적인 접촉으로써 다음과 같은 2가지의 특징을 가진다.

첫째, 반도체 칩 패키지와 테스트 장비가 원활히 전기적으로 접속(Connecting)될 수 있도록 각 반도체 칩 패키지에 적합한 접촉 수법(Contact Mechanism)을 가지고 있어야 한다. 물론 이것은 테스트 소켓 자체만으로는 그 역할을 이루기 어려우며 그 소켓이 쓰여지는 테스트 장비에 따라 조금씩 달라질 수 있다. 특히 요즈음 개발되는 테스트 소켓의 경우는 더욱 그러하다.

두 번째 특징은 접촉 그 자체의 특징이다. 즉, 테스트 소켓은 패키지 리드와 테스트 장비 사이에서 전류를 접속하는 것으로 이를 효과적으로 수행하는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여 효과적인 접속 수법과는 별도로 소켓 리드의 재질 및 형태가 매우 중요하며 이는 소켓 리드의 도금 기술에도 상당한 영향을 미친다.

이하 첨부 도면을 참조하여 테스트 소켓에 대하여 좀더 상세히 설명하겠다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 수평식 테스트 핸들러용 테스트 소켓에 반도체 칩 패키지가 끼워져 접속되는 상태를 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1에서 테스트 소켓을 확대하여 나타내는 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 수평식 테스트 핸들러의 테스트부를 설명하면, 테스트부(100)는 테스트 소켓(10; Test Socket), 심(20; Shim), 소켓 가이드(30; Socket Guide), 인서트(40; Insert) 및 리드 푸셔(60; Lead Pusher)를 포함한다.

여기서, 테스트 소켓(10), 심(20), 소켓 가이드(30)는 수평식 테스트 핸들러의 몸체(도시 안됨)에 설치되어 있으며, 반도체 칩 패키지(50)가 수납되는 인서트(40)는 운반 수단에 의해 테스트 소켓(10) 상에 운반된다.

도 2에 도시된 테스트 소켓(10)은 소켓 몸체(14)와, 소켓 몸체(14)의 상하 방향으로 돌출된 복수개의 소켓 리드(12)를 갖는다. 여기서 사용되는 테스트 소켓(10)은 QFP(Quad Flat Package) 타입의 반도체 칩 패키지(50)를 테스트하기 위해 사용되는 것으로서, 소켓 리드(12)가 직사각형의 둘레에 형성된 구조를 갖는다. 물론, 소켓 리드(12)는 테스트될 반도체 칩 패키지의 패키지 리드(52)의 피치(Pitch)에 대응하는 간격을 가지고 있으며, 패키지 리드(52)가 안착되는 소켓 리드의 바닥면(12a)이 평평하게 형성되어 있다. 통상적으로 소켓 리드(12)는 패키지 리드(52)와의 접촉 저항, 임피던스(Impedance) 등을 고려하여 도금 성분으로 금(Au)을 주로 사용하며, 소켓 리드(12)는 BeCu로 외형을 제작하며, BeCu 표면에 니켈(Ni)을 도금하고, 최종적으로 Au 또는 NiB로 도금된다.

심은 테스트 소켓의 소켓 리드(12)와 패키지 리드(52)와의 접촉압을 조절하는 플레이트(Plate)이다.

인서트(40)는 테스트될 반도체 칩 패키지(50)를 담을 수 있는 수납 공간(46; Pocket)이 형성된 케리어(Carrier)이다. 인서트의 수납 공간(46)에 수납된 반도체 칩 패키지의 패키지 리드(52)는 수납 공간(46)의 바닥면의 둘레를 따라 형성된 개구부(42; Slot)에 노출되며, 개구부(42)는 패키지 리드(52)가 형성된 방향과 동일하게 네 방향에 형성되어 있다.

여기서, 반도체 칩 패키지(50)는 전술된 바와 같이 QFP이며, 패키지 리드(52)의 표면은 외부의 환경으로부터 부식을 방지하고, 실장될 기판에 대한 납땜성을 좋게 하기 위하여 솔더(Solder; SnPb)로 도금되어 있다.

소켓 가이드(30)는 인서트(40)와 테스트 소켓(10)의 정확한 접속을 유도하는 역할을 하게 된다.

리드 푸셔(60)는 소켓 리드(12)와 패키지 리드(52)에 접촉압을 가하기 위한 블록이다.

도 1 및 도 3을 참조하여 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)가 기계적인 접촉에 의해 접속되는 상태를 설명하면, 먼저 반도체 칩 패키지(50)가 수납된 인서트(40)가 테스트 소켓(10) 상에 위치하면, 소켓 가이드(30)의 안내에 의해 인서트(40)가 테스트 소켓(10)에 끼워진다. 이때, 인서트의 개구부(42)를 통하여 노출된 패키지 리드(52)가 소켓 리드(12) 상에 안착된다. 그리고, 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)의 안정적인 접속을 유도하기 위하여 인서트(40) 상에 위치하는 리드 푸셔(60)가 패키지 리드(52)의 상부를 가압하게 된다.

여기서, 리드 푸셔(60)로 패키지 리드(52)의 상부를 가압하는 이유에 대하여 설명하면, 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12) 사이의 전기적 접속을 이루기 위하여 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)가 접촉되어야 하는데, 단지 접촉된 상태에서는 서로 다른 두 물질의 전기적 특성으로 인해서 두 물질 사이에 높은 임피던스가 존재한다. 그러므로, 이를 극복하기 위해서 어느 정도의 물리적 힘을 리드 푸셔(60)를 이용하여 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12) 사이에 작용하게 된다.

도 3에서 점선으로 도시된 것은 패키지 리드(52)가 소켓 리드(12)에 처음 접촉된 순간으로 전혀 접촉압이 작용하지 않은 상태이고, 실선으로 도시된 것은 리드 푸셔(60)에 의해 패키지 리드(52)에 접촉압이 생겨 테스트가 이루어지는 상태를 나타낸다.

여기서, 도 4를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 패키지 리드의 바닥면(52a)과 소켓 리드의 바닥면(12a)이 접촉된 상태에서 리드 푸셔(60)가 수직으로 가압하게 되면, 소켓 리드(12)는 시계방향으로 휘어지게 되며, 패키지 리드(52)는 소켓 리드(12)에 접촉된 상태에서 왼쪽으로 이동하게 된다. 이 때, 도면부호 b는 소켓 리드(12)가 시계방향으로 이동된 상태를 도시하고 있으며, 도면부호 c는 소켓 리드(12)의 아래 방향으로의 변위를 나타낸다. 그리고, 도면부호 a는 패키지 리드(52)의 좌측으로의 변위를 나타낸다. 여기서, 리드 푸셔(60)의 가압력은 소켓 리드(12)와 패키지 리드(52) 사이의 접촉압에 해당되며, 접촉압의 세기에 따라서 소켓 리드(12)의 아래방향으로의 변위(c)에 차이가 발생되기 때문에 접촉압을 대신하여 소켓 리드의 변위(c)로서 나타내며, 소켓 리드의 변위(c)를 스트록(Stroke)이라 한다.

종래 기술에 따른 리드 푸셔(60)에 따른 스트록(c)이 0.5mm일 경우에, 패키지 리드의 변위(a)는 0.324mm이다.

이와 같이 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)의 안정적인 전기적 접속을 위하여 리드 푸셔(60)가 가압하게 될 때 패키지 리드의 바닥면(52a)과 소켓 리드의 바닥면(12a)이 평평하기 때문에 서로 긁게 되어 다음과 같은 불량이 발생된다.

틴(Tin) 조각에 의한 패키지 리드(52)의 외관 불량 및 소켓 리드의 바닥면(12a)에 산화막(SnO₂)과 AuSn과 같은 절연 물질이 형성되어 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12) 사이의 접촉 저항이 증가하는 문제가 발생된다.

즉, 반도체 칩 패키지(50)의 테스트는 통상 상온보다는 고온에서 이루어지며, 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)가 접속되는 순간에 물리적인 접촉압에 의해 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12)가 서로 긁게 되면 패키지 리드(52)의 도금 성분이 잘게 부서지기 쉽고 특히 도금 성분(SnPb)중 주석(Sn)은 쉽게 소켓 리드의 바닥면(12a)에 묻게 되며, 주석은 고온에서 SnO₂로 산화되어 산화막을 소켓 리드의 바닥면(12a)에 형성하거나, 주석 성분과 소켓 리드(12a)의 금과의 화학 결합이 이루어져서 새로운 이물질인 AuSn이 형성되며, 이 물질은 산화되어 소켓 리드의 바닥면(12a)에 산화막을 형성하여 패키지 리드(52)와 소켓 리드(12) 사이의 접촉 저항을 증가시키게 된다.

그리고, 소켓 리드의 바닥면(12a)에 형성된 AuSn이 패키지 리드(52)에 붙게 되면 패키지 리드(62)의 외관 불량으로 나타나거나, 패키지 리드(52)의 변위(a)에 따라서 소켓 리드의 바닥면(12a)을 긁게 될 때 AuSn이 떨어져 나가는 틴 조각 불량이 발생하게 된다.

그러나, 표1의 실험 데이터에도 나와 있지만, 종래 기술에 따른 수평식 테스트 핸들러의 테스트 소켓에 있어서, 패키지 리드와 소켓 리드 사이의 접촉 저항과 틴 불량 등을 억제하기 위하여 접촉압을 0.2∼0.3mm로 설정할 경우에는 접속 불량인 오픈/쇼트 불량(Open/Short Fail)이 발생되며, 전술된 설명에서와 같이 접속 신뢰성을 향상시키기 위하여 접촉압을 0.5mm로 설정할 경우에는 틴 불량이 많이 발생된다.

접촉압(Stork)	0.5mm	0.2∼0.3mm
Open/Short Fail	감 소	증 가
Tin 불량	증 가	감 소
비 고	장비 사양	현 재 테스트 조건

따라서, 본 발명의 목적은 패키지 리드와 소켓 리드 사이의 접속 신뢰성을 확보하면서, 패키지 리드와 소켓 리드 사이의 접촉 저항의 증가 및 틴 불량을 억제할 수 있는 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 수평식 테스트 핸들러용 테스트 소켓에 반도체 칩 패키지가 끼워져 접속되는 상태를 나타내는 결합 사시도,

도 2는 도 1에서 테스트 소켓을 확대하여 나타내는 사시도,

도 3은 도 2의 소켓의 소켓 리드에 반도체 칩 패키지의 리드가 접속되는 상태를 나타내는 도면,

도 4는 소켓 리드와 패키지 리드가 접속되는 상태를 확대하여 나타내는 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 칩 패키지 테스트용 소켓에 있어서, 패키지 리드가 접촉되는 소켓 리드의 바닥면이 볼록하게 형성된 것을 나타내는 사시도,

도 6은 도 5의 테스트 소켓의 소켓 리드에 패키지 리드가 접속되는 상태를 나타내는 도면,

도 7 및 도 8은 도 6의 소켓 리드와 패키지 리드가 접속되는 상태를 확대하여 나타내는 도면,

도 9는 본 발명의 소켓 리드와 종래 기술에 따른 소켓 리드의 오픈/쇼트 불량율을 비교한 도표,

도 10은 본 발명의 소켓 리드와 종래 기술에 따른 소켓 리드의 다시 테스트하는 비율을 비교한 도표이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20 : 심(Shim) 30 : 소켓 가이드(Socket Guide)

40 : 인서트(Insert) 42 : 개구부(Slot)

46 : 수납 공간(Pocket) 60 : 리드 푸셔(Lead Pusher)

110 : 테스트 소켓(Test Socket) 112 : 소켓 리드(Socket Lead)

114 : 소켓 몸체(Socket Body) 150 : 반도체 칩 패키지

152 : 패키지 리드

상기 목적을 달성하기 위하여, 테스트될 반도체 칩 패키지의 리드의 하부면에 접촉되며, 패키지 리드의 가압에 의해 패키지 리드와 전기적으로 접속되는 복수개의 소켓 리드; 및 상기 소켓 리드를 소정의 간격으로 이격하며, 상기 소켓 리드를 고정하는 소켓 몸체;를 포함하며, 상기 패키지의 리드의 하부면에 접촉되는 소켓 리드의 바닥면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓을 제공한다.

좀더 상세히 설명하면, 틴 불량의 발생원인으로는 고온에서의 이물질(AuSn) 발생으로 인한 것과, 패키지 리드와 소켓 리드의 바닥면이 평평하기 때문에 패키지 리드의 좌측으로 변위시 패키지 리드와 소켓 리드의 바닥면의 접촉에 의해 서로 긁는 것으로 이해할 수 있다. 이중에서 이물질 발생에 대한 대책으로는 소켓 리드의 도금 금속을 변경하는 것이 가장 바람직하나 현실적으로 그런 도금 재질의 소켓 리드가 개발되어 있지 않기 때문에 소켓 리드의 구조를 변경함으로써 패키지 리드의 긁힘을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.

도 4를 참조하면, 도면 부호 a, b, c의 의미는 각각 다르다. 즉, 도면 부호 a는 소켓 리드의 바닥면(12a)과 패키지 리드의 바닥면(52a)에 직접적인 충격―패키지 리드와 소켓 리드의 바닥면이 긁히는 현상―를 주는 부분으로 작으면 작을수록 좋을 것이다. 도면 부호 b는 소켓 리드(12)가 휘는 방향으로 긁힘이 발생하는 위치를 결정지어 주며, 불량 발생에 큰 영향을 주지는 않는다. 마지막으로, 도면 부호 c는 접촉압에 따라서 변위가 발생하기 때문에 이 역시 작으면 작을수록 좋기는 하나 표1에 도시된 바와 같이 테스트에 영향을 주기 때문에 쉽게 바꿀 수 있는 부분이 아니다. 따라서, 가장 바람직한 것은 가급적 접촉압(a)의 변화 없이 패키지 리드(52)의 좌측으로의 변위(a)를 줄일 수 있는 방향으로 소켓 리드(12)의 구조를 변경해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 패키지 리드와 접촉되는 소켓 리드의 바닥면을 볼록하게 형성하여, 소켓 리드가 시계 방향으로 휠 때 볼록한 바닥면이 소켓 리드의 높이를 보정하여 패키지 리드의 좌측으로의 변위를 줄일 수 있게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 테스트 소켓을 나타내는 사시도이다.

도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 테스트 소켓을 설명하면, 테스트 소켓(110)은 패키지 리드와 접속되는 소켓 리드(112)와, 소켓 리드(112)가 소정의 간격으로 고정 설치되는 소켓 몸체(114)를 포함한다.

여기서, 패키지 리드의 바닥면과 접촉되는 소켓 리드의 바닥면(112a)이 볼록하게 형성되어 있으며, 볼록하게 형성한 이유는 후술하겠다.

도 6은 도 5의 테스트용 소켓에 반도체 칩 패키지의 리드가 접속되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 소켓 리드와 패키지 리드가 접속되는 상태를 확대하여 나타내는 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하여 소켓 리드(112)와 패키지 리드(152)가 접속되는 상태를 설명하면, 도 1에 도시된 수평식 테스트 핸들러의 테스트부에서, 테스트 소켓만 본 발명에 따른 테스트 소켓(110)으로 교체되었으며, 나머지 구조는 동일하다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 먼저 반도체 칩 패키지(150)가 수납된 인서트(40)가 테스트 소켓(110) 상에 위치하면, 소켓 가이드(30)의 안내에 의해 인서트(40)가 테스트 소켓(110)에 끼워진다. 이때, 인서트의 개구부(146)를 통하여 노출된 패키지 리드(152)가 소켓 리드(112) 상에 안착된다. 그리고, 패키지 리드(152)와 소켓 리드(112)의 안정적인 접속을 유도하기 위하여 인서트(30) 상에 위치하는 리드 푸셔(60)가 패키지 리드(152)의 상부를 가압하게 된다.

이 때, 소켓 리드의 바닥면(112a)이 볼록하게 형성되어 있기 때문에 접촉압(c)이 0.5mm라 하더라도 패키지 리드의 변위(a)가 0.026mm로 줄어들게 되어 패키지 리드의 바닥면(152a)이 소켓 리드의 바닥면(112a)에 긁히는 정도를 줄일 수 있다.

긁히는 정도를 줄일 수 있는 이유를 좀더 상세히 설명하면, 첫째, 소켓 리드의 바닥면(112a)이 볼록하게 형성되어 있기 때문에 패키지 리드의 바닥면(152a)과 소켓 리드의 바닥면(112a)의 접촉 면적이 줄어 패키지 리드(112)의 긁히는 면이 줄어들게 된다. 둘째, 리드 푸셔(60)가 패키지 리드(152)를 가압하게 되면 접촉압에 해당되는 변위만큼 소켓 리드(112)는 시계 방향으로 휘게 된다. 그 때, 소켓 리드의 바닥면(112a)이 볼록하게 형성되어 있기 때문에 소켓 리드(112)가 시계 방향으로 휘더러라도 실질적으로 접촉되는 패키지 리드의 좌측으로의 변위(a)를 볼록한 바닥면(112a)이 보정해 주기 때문에 패키지 리드(112)의 좌측으로의 변위(a)가 줄어들게 된다. 그리고, 도 8을 참조하면, 볼록한 바닥면(112a)의 곡률 반경은 소켓 리드(112)의 시계 방향으로 휘는 곡률 반경과 동일한 것이 가장 바람직하다. 즉, 패키지 리드(152)와 접촉되는 소켓 리드(112)의 부분만이 시계 방향으로 휜다고 가정한다면, 소켓 리드 바닥면(112a)의 높이가 일정하게 유지되기 때문에 패키지 리드(152)의 좌측으로의 변위는 거의 무시될 수 있다. 그리고, 접촉압(c)은 접촉 신뢰성을 확보할 수 있는 0.5mm를 유지할 수 있다. 도면 부호 170이 소켓 리드(112)의 곡률 반경의 중심에 해당된다.

여기서, 본 발명에 따른 테스트 소켓과 종래 기술에 따른 테스트 소켓 사용에 따른 오픈/쇼트(OP/SH) 불량율을 비교한 실험 데이터인 도 9를 참조하면, 접촉압이 0.4mm인 경우에 H/S(Hot Short)에서의 오픈/쇼트 불량이 종래에는 4.03%에서 본 발명에서는 1.12%로 줄어들었으며, A/F(Ambi Final)에서의 오픈/쇼트 불량이 종래에는 2.75%에서 본 발명에서는 0.50%로 줄어들어 테스트 수율이 향상된다.

여기서, H/S 테스트는 83℃에서 테스트가 진행되며, A/F 테스트는 상온(Roomtemperature)에서 테스트가 진행된다.

그리고, 다시 테스트하는 비율(Retest Rate)을 비교한 실험 데이터인 도 10을 참조하면, H/S에서의 다시 테스트하는 비율이 종래에는 11.07%에서 본 발명에서는 6.45%로 줄어들었으며, A/F에서의 다시 테스트하는 비율 또한 종래에는 9.24%에서 본 발명에서는 6.67%로 줄어들어 테스트 수율이 향상된다.

따라서, 본 발명의 의한 구조를 따르면, 소켓 리드와 패키지 리드와의 접촉압을 0.4∼0.5mm로 변경되더라도 패키지 리드의 변위폭을 약 0.026mm보다 작게 줄일 수 있기 때문에 틴 불량 발생율을 억제할 수 있으며, 그에 따라서 테스트 수율이 향상된다.

접촉압에 따른 종래 기술의 테스트 소켓(도 2의 10)과 본 발명의 테스트 소켓(110)의 틴 불량을 비교한 실험 데이터를 표2에 도시하였다.

	기존 테스트 소켓	본 발명의 테스트 소켓
접촉압(0.5mm)	4.97%	0.2%
접촉압(0.4mm)	0.56%	0.0%

Claims (2)

1. 테스트될 반도체 칩 패키지의 리드의 하부면에 접촉되며, 패키지 리드의 가압에 의해 패키지 리드와 전기적으로 접속되는 복수개의 소켓 리드; 및 상기 소켓 리드를 소정의 간격으로 이격하며, 상기 소켓 리드를 고정하는 소켓 몸체;를 포함하며, 상기 패키지의 리드의 하부면에 접촉되는 소켓 리드의 바닥면이 볼록하게 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓.
2. 제 1항에 있어서, 상기 볼록한 바닥면의 곡률이 상기 소켓 리드가 가압에 의한 회전 곡률과 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지 테스트용 테스트 소켓.