프로브 카드/컨택트 프로브의 관찰·측정
5세대 이동 통신 시스템(5G)과 이에 대응하는 제품의 보급은 반도체 디바이스의 미세화·고집적화가 더욱 진전되는 계기가 되었습니다. 이러한 배경을 바탕으로 IC(집적 회로)와 LSI(대규모 직접 회로), 각종 전자 부품의 전기 검사 및 해석에 대한 니즈가 높아져 검사 정도의 향상도 요구되게 되었습니다.
여기서는 반도체 디바이스의 전기 검사에 이용되는 검사 기구 「프로브 카드」와 「컨택트 프로브」의 기초 및 높은 검사 정도의 유지에 효과적인 4K 화상을 이용하는 검사 기구 관찰, 비접촉 3D 치수 측정 등의 최신 사례를 소개합니다.
- 프로브 카드란
- 컨택트 프로브란
- 프로브 카드/컨택트 프로브의 수명과 관찰·측정의 중요성
- 프로브 카드/컨택트 프로브의 마모 관찰 및 치수·형상 측정의 최신 사례
- 전기 검사의 정도 유지를 비롯한 각종 업무를 효율화하는 4K 디지털 마이크로스코프
프로브 카드란
프로브 카드란 LSI 제조의 전(前)공정에서 실리콘 웨이퍼의 검사 공정에 이용되는 검사 기구로, 원형의 PCB 위에 정밀하게 조립된 프로브 핀(프로브 바늘·프로브 니들) 세트를 장착하고 있습니다.
웨이퍼 위에 다수 형성된 각 LSI 칩에 대해 기판에 배치한 여러 개의 프로브 핀 선단을 동시에 접촉시켜 전기 검사를 실시합니다. 오픈(단선)과 쇼트(단락)를 판별할 수 있으며 전류 및 고주파 측정 등에도 사용됩니다. 일반적으로 웨이퍼 검사 장비인 프로버에 프로브 카드를 탑재하고 스테이지에 놓인 웨이퍼 칩에 위에서부터 접촉시켜 검사합니다.
프로브 카드의 주요 종류
프로브 카드에는 프로브의 배열과 프로브 고정 방법 등 구조가 다른 제품이 있습니다. 대표적인 프로브 카드 2종류와 그 특징은 다음과 같습니다.
수직(어드밴스트)형 프로브 카드
프로브를 수직으로 고정시킨 블록을 기판에 장착한 프로브 카드입니다. 격자 형태나 여러 대상 측정용 등 프로브를 자유롭게 배열할 수 있고, 프로브를 하나씩 교환할 수 있기 때문에 유지 보수가 쉽습니다. 작업 시 흠집이 작고, 땜납에 손상을 주지 않습니다. 단, 비교적 비용이 많이 들기 때문에 웨이퍼의 알루미늄 패드(알루미늄 전극 패드: AI 패드)에는 그다지 적합하지 않습니다.
캔틸레버형 프로브 카드
기판에 텅스텐 등으로 구성된 바늘을 직접 고정시킨 프로브 카드입니다.
수직형보다 저비용이며, 더욱 좁은 피치로 프로브를 배열할 수 있어 알루미늄 패드에도 대응합니다. 단, 수직형에 비해 핀 레이아웃에 제약이 있고 흠집이 커집니다. 또한, 높이 조정 등 정기적인 수리·조정이 필요하므로 유지 보수가 번거롭고 많은 시간이 듭니다.
컨택트 프로브란
컨택트 프로브란 각종 전자 부품의 전극에 접촉시켜 전도성을 검사하기 위한 검사 기구를 말합니다. 다양한 전자 부품의 검사 용도로 폭넓게 활용되고 있습니다. 검사 대상이 되는 전자 부품은 반도체·액정 패널·미실장 기판·실장 기판·커넥터·콘덴서·센서·전지 등 다양합니다.
검사 내용으로는 전도 확인 외에 회로 내 부품의 동작 검사(인서킷 테스트)용 데이터 수집과 기능 검사(펑션 테스트)를 통한 동작 확인 등을 들 수 있습니다. 구체적인 예로 오픈(단선)과 쇼트(단락), 고주파 측정 및 임피던스(저항값) 확인, 회로 내 부품의 파라미터 확인 등을 합니다.
컨택트 프로브의 구조
컨택트 프로브는 원통 형상의 배럴 속에 검사 대상과 접촉하는 플런저와 스프링으로 구성됩니다. 배럴 내부의 스프링 압력을 최적화하여 배럴 내부의 접촉 저항값을 안정시킬 수 있습니다. 일반적으로 컨택트 프로브 부품에는 부식 방지 및 슬라이딩부의 접촉 저항 감소를 위한 금도금이 되어 있습니다.
검사 대상 물체에 맞춰 설계한 수지 지그에 필요한 개수의 컨택트 프로브를 압입하고, 검사 대상에 플런저의 선단을 접촉시켜 사용합니다. 마모된 프로브만 지그에서 분리하여 교환하기만 하면 다시 검사에 사용할 수 있기 때문에 유지 보수 비용 절감 성능이 뛰어납니다.
- A
- 컨택트 프로브
- B
- 배럴
- C
- 스프링
- D
- 플런저
- E
- 지그
- F
- 검사 대상
컨택트 프로브의 플런저 선단 형상 종류
검사 대상이 되는 전극 및 단자 등의 형상에 따라 접촉하는 선단 형상이 달라집니다. 최적의 선단 형상인 플런저를 사용하면 검사 시 정밀한 대상 물체에 대한 손상을 피할 수도 있습니다. 대표적인 형상의 종류와 용도는 다음과 같습니다.
R
플렉시블 기판(FPC·FPCB 기판) 등 흠집이 나기 쉬운 전극에 대한 손상을 피해서 검사하고 싶을 때 사용합니다.
니들
주로 프린트 기판 표면의 PCB(패드) 등의 검사에 사용합니다.
플랫/역원추
선단이 평평한 「플랫」은 전극에 손상을 주고 싶지 않을 때나 검사 대상에 면으로 접촉해야 할 때 사용합니다.
선단에 함몰된 부분이 있는 「역원추」는 단자의 돌출된 형상에 접촉해야 할 때 사용합니다.
삼각추
프린트 기판의 스루 홀 등 함몰된 형상인 부분을 검사할 때 사용합니다.
크라운
실장 부품의 리드 부분에 접촉해야 할 때나 돌출된 형상에 다점으로 접촉하여 검사할 때 사용합니다.
프로브 카드/컨택트 프로브의 수명과 관찰·측정의 중요성
프로브 카드의 수명
프로브 카드는 검사 시, 날카롭고 미세한 형상인 다수의 프로브 핀이 웨이퍼 위에 형성된 칩 단자에 각각 접촉합니다. 또한, 수 cm2의 작은 프로브 카드에 수천 개의 프로브 핀이 장착되는 경우도 있어 프로브 핀 사이가 약 20~30 μm의 좁은 피치로 배열됩니다. 접촉식 검사 기구 중 매우 정교한 편인 프로브 카드의 수명은 사용 연수가 아닌 프로브 핀이 웨이퍼 위 칩과 접촉하는 「터치 다운」의 횟수로 결정됩니다. 일반적으로 프로브 카드는 수십 만~수백 만회의 터치 다운으로 수명에 도달한다고 합니다.
매일 대량의 웨이퍼를 사용하여 방대한 수량의 칩을 생산하는 데 있어 프로브 핀의 상태를 파악하는 것은 제품의 품질을 유지하기 위해 매우 중요합니다. 프로브 핀에 마모나 이상이 있을 경우, 잘못된 검사 데이터의 취득으로 인해 원래 양품인 칩에 판정 오류가 발생하여 수율이 저하될 우려도 있습니다.
컨택트 프로브의 수명
여러 개의 부품과 미세하고 고정도인 선단 형상으로 이루어진 컨택트 프로브의 전기적인 수명은 검사에 허용되는 저항값 및 검사 환경·조건에 따라 다르며, 리드선재에 가해지는 열에도 주의가 필요합니다. 기계적인 내구 횟수는 대부분 표준적인 컨택트 프로브 기준 약 100만 회입니다.
하지만 내구 횟수는 검사 조건에 따라 달라집니다. 컨택트 프로브의 수명을 판단하는 데 중요한 항목 중 하나가 검사 대상에 접촉하는 플런저 선단의 형상 파악입니다. 선단이 마모되면 검사 시 저항값의 편차나 판정 오류가 발생하므로 품질 관리 및 수율에 영향을 미칠 수 있습니다.
프로브 카드/컨택트 프로브의 관찰·측정의 중요성과 과제
프로브 카드와 컨택트 프로브는 공통적으로 미세 형상인 접촉자를 가지고 있습니다. 마모 등에 의한 기구의 수명을 판단하여, 검사 오류로 인한 불량품 유출과 수율 저하를 사전에 방지하기 위해서는 주기적인 확대 관찰 및 측정이 중요합니다.
하지만 이러한 검사 기구의 접촉부는 입체적이고 미세한 형상이므로 일반 현미경을 이용한 확대 관찰로는 대상 물체의 일부에만 초점이 맞아 전체상을 선명하게 관찰하기 어려웠습니다.
또한 접촉식 측정기는 검사 대상에 비해 측정기 측의 프로브가 크기 때문에 좁은 피치로 배열된 프로브 핀의 여러 바늘에 동시에 접촉하게 되거나, 측정압에 의해 핀의 형상 및 컨택트 프로브의 높이 등 미세한 3D 형상과 치수를 정확하게 측정할 수 없는 등의 문제가 있습니다. 뿐만 아니라 기존의 비전 시스템을 사용하는 경우에도 이러한 미세 형상 대상 물체 전체에 초점을 맞출 수 없어 치수 측정이 어려웠습니다.
다음 항에서는 이 과제·문제들을 해결하는 4K 디지털 마이크로스코프를 사용한 관찰 및 측정의 최신 사례를 소개합니다.
프로브 카드/컨택트 프로브의 마모 관찰 및 치수·형상 측정의 최신 사례
프로브 카드의 프로브 핀과 컨택트 프로브의 플런저 선단 미세 형상은 전기 검사의 정도에 크게 영향을 주므로, 마모 등의 손상을 관찰·측정하여 상태를 파악하는 것이 중요합니다. 하지만 관찰 및 측정에는 많은 과제가 있었습니다.
KEYENCE의 고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고분해능 HR 렌즈와 4K CMOS를 탑재하여 고해상도 4K 화상을 통해 검사 기구의 미세한 형상을 고해상도로 포착할 수 있습니다. 또한, 관찰 화상을 사용해 그대로 2D·3D 측정을 고정도로 실시할 수 있습니다. 검사 기구의 관찰·측정 과제 해결과 고도화, 효율 향상을 동시에 실현하는 「VHX 시리즈」의 활용 사례를 소개합니다.
프로브 카드의 핀 접촉 관찰·경사 관찰
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 일반 광학 현미경의 20배 이상 깊은 피사계 심도와 고해상도를 동시에 실현했습니다. 고해상도 4K 화상을 자유로운 앵글로 취득할 수 있습니다.
「프리 앵글 관찰 시스템」과 「고정도 X·Y·Z 전동 스테이지」를 활용하여 시야·회전축·경사축의 3가지 축을 간단하게 맞추면서 자유로운 각도에서 경사 관찰을 실시할 수 있습니다.
또한 손에 들고 관찰하는 경우에도 고해상도 화상을 취득할 수 있으므로, 스테이지 위에서는 상황을 재현하기 어려운 경우에도 선명하게 관찰할 수 있습니다.
프로브 카드의 핀 외경·높이 측정
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 선명한 관찰 화상에서 그대로 비접촉으로 고정도 2D·3D 치수 측정을 실시할 수 있습니다.
프로브 핀 선단의 마모를 파악하기 위해 필요한 외경 측정도 모니터를 보면서 마우스를 조작하는 것만으로 간단하게 실시간 측정값을 얻을 수 있습니다. 2점 간 거리나 각도, 평행선, 면적 등도 같은 방법으로 측정할 수 있습니다.
또한, 핀의 높이 정보를 취득하여 3D 치수 측정도 실행할 수 있습니다. 뿐만 아니라 마우스 조작으로 임의의 부분을 지정하는 것만으로 프로파일 측정을 실행할 수 있어 원하는 부분의 단면 높이 값을 간단하게 취득할 수 있습니다.
고배율 관찰부터 비접촉 치수 측정까지 끊김없이 실시할 수 있으므로 업무를 효율화할 수 있습니다. 측정값 및 화상을 저장하고 축적함으로써 이력부터 마모 또는 변형이 어떻게 진행되는지 등의 경향도 파악하기 쉬워집니다.
컨택트 프로브 선단의 고배율 관찰
컨택트 프로브의 플런저 선단은 미세한 입체 형상을 하고 있으나, 검사 대상과 접촉하는 부분이기 때문에 마모되기 쉬운 부위입니다. 이와 같은 대상 물체를 고배율로 관찰할 때는 전체에 초점이 맞지 않거나, 해상도가 떨어지는 등 요구와 조건이 반비례 관계를 이루는 경우가 많습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도와 고해상도를 동시에 실현하여 플런저 선단의 고배율 관찰 시에도 전체의 풀 포커스 화상을 통해 미세한 마모 및 칩핑 등도 선명하게 관찰할 수 있습니다.
또한, 검사 기구는 금속제이므로 기존에는 빛 난반사의 영향으로 인해 조명 조건 설정에 많은 공정 수와 시간이 필요했습니다. 한편, 「VHX 시리즈」는 버튼을 누르기만 하면 전방위 조명 조사를 통해 촬상한 데이터를 자동으로 취득하는 「멀티 라이팅」 기능을 탑재했습니다. 목적에 맞는 화상을 선택하기만 하면 바로 관찰을 시작할 수 있으므로 지금까지 조명 조건 설정에 소요됐던 시간을 대폭 단축할 수 있습니다.
뿐만 아니라 과거의 화상을 선택하기만 하면 당시의 조명 조건을 완전하게 재현할 수 있어, 여러 플런저 선단의 마모를 동일한 조건으로 관찰할 때도 신속하게 대응할 수 있습니다.
컨택트 프로브 선단의 3D 표시·프로파일 측정
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 초점 위치가 다른 여러 장의 화상을 취득하고, 이를 순식간에 합성하여 고정도 3D 표시·3D 치수 측정을 실시할 수 있습니다. 표면 형상 및 거칠기까지 포착한 3D 표시를 통해 대상 물체를 다양한 각도에서 자유롭게 관찰할 수 있습니다.
또한, 마우스 조작으로 임의의 부분을 지정하기만 하는 간단한 조작으로 프로파일 측정을 실행할 수 있습니다. 따라서 임의의 부분의 단면 형상과 그 치수를 비파괴·비접촉으로 취득할 수 있습니다.
이러한 기능을 통해 플런저 선단이 미세하고 복잡한 형상이더라도 요철을 서브미크론 단위로 측정하여 마모 상태를 정확한 값으로 파악할 수 있습니다.
전기 검사의 정도 유지를 비롯한 각종 업무를 효율화하는 4K 디지털 마이크로스코프
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」의 우수한 성능과 다양한 기능은 미세 형상인 검사 기구의 관찰·측정은 물론, 프린트 기판과 솔더 크림 도포, 전자 디바이스 제조 및 그 실장 등 전자 분야의 다양한 상황에서 연구 개발과 품질 보증 업무를 강력하게 지원합니다.
4K 고해상도 화상을 이용한 관찰부터 고정도 2D·3D 치수 측정, 그리고 리포트 자동 작성까지 1대로 수행할 수 있어 업무 효율을 크게 향상시키는 「VHX 시리즈」에 대해 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
