This thesis describes anti-buckling vertical probes with branch springs for the wafer-level testing of integrated circuit (IC) chips. Conventional vertical probes require a guide structure to prevent buckling due to the overdrive requirement ($\gt 40 \mum$); however, the guide structure not only increases the cost of fabrication, but it also requires a troublesome assembly procedure. Two problems of previous guide-free vertical probes were the small overdrive due to abrupt stiffness change and the demand for novel prober motion. The proposed vertical probes have branch springs on the left and right sides of the main spring to prevent buckling in the absence of a guide structure. The branch-spring force, generated when the branch spring contacts with the main spring, prevents buckling by means of moment compensation.
The requirements of the vertical probes for IC chip testing are pitch ($\lt175 \mum$), overdrive ($\gt40 \mum$), contact resistance $(\lt0.5 \Omega)$ and touchdowns $(\gt 10^6 cycles)$. A sufficient contact force is needed to reduce contact resistance but excessive contact force must be prevented to avoid the plastic deformation caused by overstress. In this paper, the design parameters of the proposed vertical probe are the repeat number of the basic unit ($\It{N}$), the line width of the probe ($\It{W}$), the gap ($\It{G}$) and the longer beam length of the branch spring $\It{L_{bs}}$. The values of these design parameters are determined by parametric study in order to satisfy the design requirements of the vertical probes for IC chip testing. Among the design parameters, $\It{N}$ and $\It{W}$ are related to the initial stiffness. G is related to the stiffness change point, and $\It{L_{bs}}$ is related to the second stiffness. From the parametric study, $\It{N}$ = 9, $\It{W}$ = $10 \microm$, $\It{G}$ = $5 \mum$ and $\It{L_{bs}}$= $80 \mum$ were chosen based on the criteria of low contact resistance, yield strength, and large overdrive.
The proposed vertical probes were fabricated by a nickel-cobalt electroplating process using a dry film resist (DFR) mold. Material property tests revealed that the elastic modulus was 164 GPa (Ni-Co), the hardness was 0.92 GPa (Al), and the electric resistivity was 2.69e-$5 \Omega cm$. The fabricated vertical probes were characterized using a probe test set-up. The branch springs prevented buckling in the proposed vertical probe in the absence of guide structure at more than $60 \mum$ overdrive; however, the overdrive of the proposed vertical probe was restricted to $60 \mum$ because of the plastic deformation caused by overstress. The electrical contact resistance of the proposed vertical probe was found to be less than $0.5 \Omega$, and the S-parameter $(S_{12})$ was -3 dB at the 6 GHz. Mechanical stability was also evaluated during the reliability test (overdrive: $60 \mum$, $10^6$ cycles$).
The proposed anti-buckling vertical probes with branch springs can satisfy the design requirements of the vertical probe for IC chip testing without guide structure and have the potential for use as cost-effective guide-free probe card for the wafer-level testing of IC chips.
본 논문은 프로브 카드에 사용되는 수직형 프로브에 관한 것이다. 수직형 프로브는 area array 전극 패드에 대응 가능하나 고유의 좌굴 문제로 인하여 가이드를 사용 한다. 가이드는 공정비용 상승 및 정밀조립기술 필요하는 단점이 있으므로 본 논문에서는 가지스프링을 수직형 프로브 좌우에 반복배치하여 가이드 없이 좌굴 문제를 해결하고자 한다. 제안하는 프로브는 임계하중에서 모멘트에 의한 횡방향 변형이 생기기 시작하더라도 가지 스프링이 메인 스프링에 접촉할 때 생기는 접촉력이 상쇄 모멘트를 발생시켜 원래의 상태로 되돌아온다. 또한 가지스프링이 수직형 프로브의 좌우 양쪽 끝에 반복배치되어 병렬 스프링 효과를 가져오며 이것으로 인하여 가지스프링에 의해 수직형 프로브가 흡수 할 수 있는 접촉력이 증가한다. 수직형 프로브의 요구조건으로는 미세피치($\lt 175 \mum$), overdrive ($\gt40 \mum$), 접촉저항 $(\lt 0.5 \Omega)$ 그리고 백만회의 반복사용이 있다. 접촉력은 접족저항을 만족하기 위하여 너무 작아도 안되며 또 항복강도 문제로 인하여 너무 커도 안된다. 제안하는 수직형 프로브는 가지스프링이 접촉한 후 강성이 변하는 특성을 가지며 초기 강성은 $\It{N}$, $\It{W}$ 강성변화 시작점은 $\It{G}$ 그리고 가변후 강성은 ->$\It{L_{bs}}$과 관계가 있다. 본 연구에서는 $\It{N}$, $\It{W}$, $\It{G}$, $\It{L_{bs}}$ 순으로 설계변수의 중요도를 정하였으며parameter study를 통하여 설계변수의 값을 $\It{N}$=9, $\It{W}$= $10 \mum$, $\It{G}$=$5 \mum$ 그리고 $\It{L_{bs}}$ =$80 \mum$ 로 결정하였다. 제안된 수직형 프로브는 PR 몰드를 리소 공정으로 만들고 이후 Ni-Co 전기도금를 통하여 제작하였다. 이후 소재의 물성 측정을 위하여 인장실험, 경도실험, 비저항 측정실험을 하였으며 수직형 프로브의 특성실험에서는 overdrive-접촉력-접촉저항의 관계를 구하였다. 프로브 특성 실험 결과 제안하는 수직형 프로브는 약 $60 \mum$의 overdrive이상에서 좌굴이 발생하지 않았지만 항복강도에 의한 소성변형을 방지하기 위해 $60 \mum$로 overdrive가 제한된다. 동일한 조건의 기존 프로브와 비교시 overdrive는 약 1.2배($60 \mum$) 증가 접촉력은 약 2.5배(25 mN) 증가하였다. 접촉저항은 0.5 $\Omega$이하로 측정되었으며 S-parameter측정을 통하여 6 GHz에서 $-3dB(S_{12})$ 의 고주파 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 그리고 overdrive $60 \mum$에서 백만회의 신뢰성 실험을 통하여 접촉력이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 좌굴방지를 위한 가지스프링을 가진 수직형 프로브를 제안하였다. 제안된 수직형 프로브는 가이드 없이 overdrive 60 \mum의 성능을 가지며 프로브의 요구조건을 만족시킨다. 본 연구를 통하여 제안된 수직형 프로브는 가이드를 사용하지 않는 수직형 프로브로 적용 가능함을 확인하였다.
