KR20080074010A - 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피치 확산을 위한 프로브 카드의 스페이스 트랜스포머에 관한 것이다.

본 발명이 개시하는 스페이스 트랜스포머는, 기판에 형성된 비아홀을 통해 도통되는 상부패드와 하부패드를 형성한 베이스기판, 및 베이스기판 위에 적층되되 상부패드와 전기적으로 연결되는 트레이스를 포함하는 하부·중간·상부 절연층을 구성하고 상부 절연층 상부면에 트레이스와 연결되는 접촉패드를 형성한 절연 적층체를 구성한다.

본 발명에 따르면, 기본적으로 반도체 소자에 대한 열팽창 정합성을 확보할 수 있고, 압축강도가 높은 절연 적층체를 통해 스페이스 트랜스포머의 휨 변형을 최소화시켜 바람직한 평탄도를 유지할 수 있다.

프로브 카드, 스페이스 트랜스포머, 절연 적층체, LTCC, 글라스 페이스트, 금속 페이스트

Description

열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머{THERMALLY-MATCHED SPACE TRANSFORMER}

본 발명은 전자부품들 사이에 개재되어 피치 확산(pitch spreading)을 가능케 하는 프로브 카드의 스페이스 트랜스포머에 관한 것이다.

프로브 카드(probe card)는 웨이퍼의 패키징(packaging) 공정 이전에 웨이퍼에 형성된 반도체 소자들의 전기적 신호를 측정하여, 그 양부를 판별하는 테스트 공정에 널리 이용되고 있다. 프로브 카드에 대해서는 미국 폼팩터사의 공개특허 제10-2006-87616호(이하, '선행특허')에 개시되어 있다. 첨부도면 도 1(선행특허의 도 5를 인용함)을 참조해 보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 프로브 카드(500)(선행특허에서는 '탐침 카드 조립체'로 지칭됨)는 주요 기능 부품으로서 탐침 카드(502), 인터포저(504) 및 스페이스 트랜스포머(506)를 구성한다. 탐침 카드(502)는 그 상부면에 복수개의 단자(접촉단자, 510)를 마련한 통상의 회로 기층이며, 도시되지는 않았으나 능·수동 전자부품을 비롯한 커넥터 등이 배치된다. 인터포저(504)는 2개의 전자부품들 사이에 개재되어(도면에서 탐침 카드와 스페이스 트랜스포머 사이에 개재됨), 전자부품들 간의 전기적 경로를 제공함과 동시에 다수의 탄성 상호 접속요소(514, 516)들을 통해 탄성접속 을 유지한다. 스페이스 트랜스포머(506)는 탄성 상호 접속요소(524)와 인터포저(504) 간의 피치(pitch) 차이를 적절히 변환한다. 스페이스 트랜스포머의 상부면에는 소정 간격으로 이격된 복수개의 상부 접촉 패드(522)가 그리고 그 하부면에는 상부 접촉 패드와 도통된 복수개의 하부 접촉 패드(520)가 마련되어 있는데, 이들의 피치는 상부보다 하부가 더 넓게 형성된다. 따라서 이러한 피치의 변환은 앞서 언급한 '피치 확산(공간 분산)' 또는 '스페이스 트랜스포밍(space transforming)'으로 정의되는 것이다.

테스트 신호(전기적 신호)는 탄성 상호 접속요소(524)를 통해 반도체 소자의 패드에 인가되는데, 이를 위해서는 반도체 소자와 탄성 상호 접속요소(524)가 적절히 가압 상태를 유지해야 한다. 이러한 가압에 의해 야기되는 소정의 반발력은 스페이스 트랜스포머(506)와 인터포저(504)를 경유하여 탐침 카드(502)로 전달된다. 따라서 스페이스 트랜스포머(506)는 탄성 상호 접속요소(524)에 의해 국부적으로 전달되는 압력을 분산시켜 인터포저(504)에 균일하게 인가될 수 있도록 평탄한 상태를 유지해야 하고 아울러 압축강도가 높아야 바람직하다.

한편, 반도체 소자의 측정은 고온 환경에서도 이루어지는데, 이때의 스페이스 트랜스포머는 고온 분위기에 노출되는바, 반도체 소자와 유사한 열팽창 계수를 갖도록 요구된다. 왜냐하면 열팽창 계수의 차이는 반도체 소자의 패드 배열과 프로브 카드의 프로브 팁 배열 사이에서 부정합으로 발현되기 때문이다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체 소자와 열팽창 계수가 동일하거나 유사한 재료의 베이스기판 상부에 층간의 전기적 트레이스 및 금속패드를 포함하는 절연 적층체를 형성하여, 스페이스 트랜스포머에 요구되는 평탄도 및 열팽창 계수를 안정적으로 확보한다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 형성된 비아홀을 통해 도통되는 상부패드와 하부패드를 형성한 베이스 기판(100), 및 상기 베이스기판 위에 적층되되, 상기 상부패드와 전기적으로 연결되는 트레이스를 포함하는 하부·중간·상부 절연층을 구성하고, 상기 상부 절연층 상부면에 상기 트레이스와 연결되는 접촉패드를 형성한 절연 적층체(200)로 구성된 스페이스 트랜스포머를 개시한다.

상기한 본 발명에 따르면, 기본적으로 반도체 소자에 대한 열팽창 정합성을 확보할 수 있고, 압축강도가 높은 절연 적층체를 통해 탄성 상호 접속요소의 반발력에 기인하는 스페이스 트랜스포머의 휨 변형을 최소화시킬 수 있다. 또한, 면적 확장성이 뛰어나 300㎜ 이상의 대면적을 갖는 스페이스 트랜스포머를 제조할 수 있다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

첨부도면 도 2는 본 발명의 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머(이하, "스페이스 트랜스포머")를 도시하고 있다. 본 발명의 스페이스 트랜스포머(ST)는 크게 베이스기판(100)과 베이스기판 상부에 안착되는 절연 적층체(200)로 구성된다.

도 3을 참조하면 베이스기판(100)은, 기판(110)을 면방향으로 관통하는 다수의 비아홀(120: 120a, 120b)과, 기판의 상·하면 각각에 상기 비아홀을 통해 전기적으로 도통되는 다수의 상부패드(101: 101a, 101b)와 하부패드(103: 103a, 103b)를 포함한다.

기판(110)은 반도체 소자와 열팽창 계수가 동일하거나 유사한 실리콘 기판, 알루미늄 질화물 기판 또는 파이렉스 글라스 기판이며, 그 표면에는 절연막(산화막 또는 질화막)(111)이 형성되어 있다. 비아홀(120)은 관통구멍(H)의 내주면과 기판(110)의 상·하부 일부에 걸쳐 형성되는 전도벽(12)을 포함한다. 이 전도벽은 기판의 상·하부를 관통 또는 경유하는 전기적 경로로 이용되는데, 도 3에 표시된 확대영역과 같이 기판(110) 상·하부패드(101b, 103b)는 금속성 트레이스(T)를 통해 상호 도통된다. 참고적으로 본 명세서에서 정의된 용어 '전도벽'은 금속성 재료로 형성되어 전기적으로 전도(도통, 통전)되는 벽(wall)을 의미한다.

한편, 절연 적층체(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스기판(100) 상부에 적층되는 다수의 절연층(201, 203, 205)을 구성한다. 최하층, 다시 말해 베이스기판과 대접하는 하부 절연층(201)은, 상부패드(101a, 101b)의 상부면이 노출되도 록(개구되도록) 형성되며, 하부 절연층 위에 상기 상부패드와 도통되는 트레이스(T)를 포함한 중간 절연층(203)이 적층·형성된다. 이러한 중간 절연층 위에는 상부 절연층(205)이 형성되는데, 그 위에는 중간 절연층으로부터 인출·연장된 트레이스와 도통되는 다수의 접촉패드(210a, 210b)가 마련된다. 접촉패드에는 탄성력을 갖는 탄성 상호 접속요소(도 1의 부재번호 524)가 부착된다. '탄성 상호 접속요소'는 금속 외팔보(캔틸레버, cantilever)로 이해될 수 있다.

본 실시예에서 상기 절연층(201, 203, 205)은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)용 글라스 페이스트(예: 'Asahi Glass')로 비교적 저온(약 1,000℃ 이하)에서 트레이스(T) 형성을 위한 금속 페이스트와 함께 소결된다. 따라서 종래 HTCC(Hot Temperature Co-fired Ceramic) 공정에서 이용되는 고융점의 금속 페이스트 대신 저융점의 페이스트 예컨대 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 등을 기반으로 트레이스를 형성할 수 있는 것이다.

상술한 절연 적층체(200) 내부의 트레이스는 매우 다양하게 실시될 수 있다. 이에 대해 도 5a 및 도 5b를 참조하여 구체적으로 살펴본다. 먼저, 도 5a를 참조하면, 상부 절연층과 하부 절연층 사이에 단일의 중간 절연층이 개재되어 있으며, 상·하부 절연층 내의 접촉패드와 상부패드가 중간 절연층에 형성된 트레이스를 통해 전기적으로 연결된다. 이와 달리, 도 5b에서 보는 바와 같이 복수의 중간 절연층이 상·하부 절연층 사이에 개재될 수 있다. 따라서 절연 적층체(200) 내의 트레이스 형성은 다양한 양상을 취할 수 있는 것이다. 여기서, 트레이스(trace)는 방향성분에 따라 크게 '수직 트레이스'와 '수평 트레이스'로 대분될 수 있다.

한편, 상술한 베이스기판(100) 및 절연 적층체(200)를 구성하는 스페이스 트랜스포머(ST)는 기본적으로 반도체 소자에 대한 열팽창 정합성을 확보할 뿐만 아니라, 탄성 상호 접속요소(미도시)에 의해 전달되는 압력을 원활히 분산시킬 수 있다. 또한, 절연 적층체(200)는 앞서 언급한 바와 같이 다수의 절연층으로 적층된 구조이기 때문에 압축강도가 높다. 따라서 상기 탄성 상호 접속요소의 반발력에 기인하는 스페이스 트랜스포머의 휨 변형이 최소화되며, 이는 바람직한 평탄도 유지로 이어진다.

이하, 본 발명이 개시한 스페이스 트랜스포머 제작 공정을 살펴본다. 첨부된 도 6a 내지 도 6d는 일련의 제작 공정 예시도이다.

먼저, 기판(110)에 관통구멍(H)을 형성한다(S101). 관통구멍은 드릴 가공을 비롯하여 레이저 가공, 건식·습식 식각으로 형성될 수 있다. 다음으로 관통구멍의 내주면을 포함하여 절연막을 형성한다(S103). 절연막은 앞서 언급한 바와 같이 산화막(바람직하게는 열산화막) 또는 질화막으로 설정될 수 있다.

뒤미처, 상기 관통구멍 내주면과 기판의 상·하부 일부에 걸쳐 전도벽(12)을 형성한다(S105). 본 공정은 무전해 도금, 물리기상증착(PVD), 또는 화학기상증착(CVD) 중 어느 한 방식으로 이루어질 수 있으며, 이때 도 6b와 같이 비아홀(120) 내부는 별도의 금속 또는 절연체(예: 탄성중합체)로 충진될 수 있다(S107).

이어서, 기판(110)의 상·하부 면에 비아홀을 통해 전기적으로 도통되도록 상부패드(101)와 하부패드(103)를 형성한다(S109). 이러한 일련의 공정(S101~S109)을 통해 베이스기판(100)이 마련된다.

기판(110) 상부패드(101)의 상부면 일부 또는 전체가 개구되도록 글라스 페이스트를 인쇄(스크린 인쇄)하고 건조·소성하여 하부 절연층(201)을 형성한다(S111). 이 S111 공정에 의한 하부 절연층(201)은 상부패드(101)의 높이보다 돌출되기 때문에 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등을 통해 표면 연마(평탄화)가 이루어진다(S113). 평탄화 공정이 이루어져야 하는 시점에 대해서는 당업자에게 명백하기 때문에 이하에서는 평탄화 공정에 대한 설명을 생략키로 한다.

뒤이어, 하부 절연층(201) 위에 상부패드(101)의 일부가 개구되도록 글라스 페이스트를 인쇄 및 건조·소성하여 중간 절연층(203)을 형성한다(S115). 본 공정에서 '개구(open)'는 트레이스 형성을 위한 것으로서 도 6c에 예시된 바와 같이 상부패드(101) 상부면의 일부가 수직홀을 통해 노출되는 것을 의미한다. 이 수직홀은 다음의 공정에서 기술되는 바와 같이 금속 페이스트로 충진되어 앞서 설명한 수직 트레이스 형성을 위한 토대가 된다.

다음으로, 중간 절연층(203) 위에 금속 페이스트를 인쇄 및 건조·소성하여 수직 트레이스와 수평 트레이스를 형성한다(S117). 본 공정의 수직 트레이스는 전 공정(S115)의 수직홀에 금속 페이스트가 충진됨으로써 구현된다.

중간 절연층(203) 위에 형성된 수평 트레이스의 연장 방향의 선단(연장선단)의 일부가 노출되도록 글라스 페이스트를 인쇄·건조·소성하여 상부 절연층(205)을 형성한다(S119). 이때에도 도 6c의 S115 공정과 같이 수직홀이 마련된다.

이어서, 상부 절연층(205) 위에 금속 페이스트를 인쇄·건조·소성하여 수직홀에 마련되는 수직 트레이스 및 이 수직 트레이스와 도통되는 접촉패드(210)를 형 성한다(S211).

이러한 일련의 공정(S111~S211)을 거쳐 앞서 언급한 절연 적층체(200)가 완성된다. 단, '중간 절연층'은 도 5b에서 예시된 바와 같이 복수로 설정할 수 있으며, 글라스 페이스트 및 금속 페이스트의 인쇄·건조·소성을 적절히 반복함으로써 트레이스의 경로를 매우 다양하게 형성할 수 있다.

첨부도면 도 7은 본 발명의 스페이스 트랜스포머(ST)를 통해 구현되는 '피치 확산(pitch spreading)'을 보이고 있다. 도면을 참조하면, 절연 적층체의 상부에 마련된 접촉패드 사이의 거리(L1)는 베이스기판 하부에 마련된 하부패드 사이의 거리(L2)보다 짧다. 즉, 피치 확산이 구현되었음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 종래 프로브 카드의 구성을 보인 예시도,

도 2는 본 발명의 스페이스 트랜스포머의 구성을 보인 예시도,

도 3은 본 발명의 베이스기판을 보인 예시도,

도 4는 본 발명의 절연 적층체를 보인 예시도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 절연 적층체 내부의 트레이스를 보인 예시도,

도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 스페이스 트랜스포머 제조 공정을 보인 예시도,

도 7은 본 발명의 스페이스 트랜스포머를 통한 피치 확산을 보인 예시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

ST : 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머

100 : 베이스기판 110 : 기판

111 : 절연막 101(101a, 101b) : 상부패드

103(103a, 103b) : 하부패드 120 : 비아홀

12 : 전도벽 200 : 절연 적층체

201 : 하부 절연층 203 : 중간 절연층

205 : 상부 절연층 210(210a, 210b) : 접촉패드

Claims (8)

1. 프로브 카드의 스페이스 트랜스포머에 있어서,

   기판에 형성된 비아홀을 통해 도통되는 상부패드와 하부패드를 형성한 베이스기판; 및

   상기 베이스기판 위에 적층되되, 상기 상부패드와 전기적으로 연결되는 트레이스를 포함하는 하부·중간·상부 절연층을 구성하고, 상기 상부 절연층 상부면에 상기 트레이스와 연결되는 접촉패드를 형성한 절연 적층체; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 기판은,

   실리콘 기판, 알루미늄 질화물 기판 및 파이렉스 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 절연 적층체의 절연층들은,

   글라스 페이스트로 형성되는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 중간 절연층은 트레이스를 포함하는 복수개의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 트레이스는,

   금속 페이스트로 형성되는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 접촉패드는,

   금속 페이스트로 형성되는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 비아홀은,

   그 내주면과 상기 기판(110)의 일부에 걸쳐 형성되는 금속성 전도벽(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 비아홀은,

   그 내부에 금속성 재료 또는 절연성 재료로 충진되는 것을 특징으로 하는 열팽창 정합형 스페이스 트랜스포머.

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