Development and Optimization of MEMS Vertical Probe for Wafer Level Fine Pitch Probing :웨이퍼 레벨 미세 피치 프로빙을 위한 MEMS 수직 프로브 개발 및 최적화

르콴러

학위논문

저자정보: 르콴러 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

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최근 반도체 산업에서 미세 피치 웨이퍼 레벨 패키징 (WLP) 기술이 큰 주목을 받고 있습니다. WLP 기술은 마이크로 범프 및 실리콘 관통 비아 (TSV)를 포함한 다양한 상호 연결 구조를 사용합니다. 프로브와 상호 연결 구조 사이의 접촉 동작은 웨이퍼 테스트의 신뢰성과 성능에 영향을 미치는 매우 중요한 요소입니다. 또한 전류 전달 용량 (CCC)을 개선하고 프로브 및 마이크로 인터커넥트 구조의 손상을 최소화하는 것은 매우 중요한 문제입니다. 이 연구에서는 MEMS 수직 프로브를 사용하여 솔더 범프, 구리 (Cu) 기둥 범프, 솔더 캐퍼 Cu 범프 및 TSV를 비롯한 다양한 상호 연결 구조의 변형 거동에 대한 체계적인 수치 분석을 수행했습니다. 프로빙 중에 솔더 볼이 가장 큰 변형을 보였습니다. Cu 기둥 범프도 상대적으로 큰 변형을 나타냈다. Cu 범프는 10 μm의 OD에서 변형되기 시작했습니다. 20 μm의 OD에서 범프 기둥은 압축되고 범프의 높이는 8.3 % 감소했습니다. 솔더 캡이있는 Cu 범프의 변형 거동은 솔더 볼의 변형 거동과 유사했습니다. 20 μm의 OD에서 솔더와 Cu 범프가 크게 변형되고 전체 높이가 11 % 감소했습니다. TSV 구조는 가장 낮은 변형을 보였지만 프로브에 가장 큰 응력을가했습니다. 특히, 비아의 바깥 쪽 가장자리에서 구리 돌출이 관찰되었으며, 비아와 실리콘 산화막 사이에 매우 큰 전단 응력이 발생했습니다. 또한 프로브 및 다양한 상호 연결 구조의 손상을 효율적으로 줄이기 위해 CCC가 강화 된 Au-NiCo MEMS 수직 프로브를 제안합니다. Au-NiCo 프로브는 NiCo 내부에 Au 레이어가 있고 NiCo 프로브 표면 외부에 Au 레이어가있어 저항률과 접촉 응력을 줄입니다. 프로브 및 다양한 상호 연결 구조의 전류 전달 용량, 접촉 응력 및 변형 거동은 수치 분석을 사용하여 평가되었습니다. Au-NiCo는 기존 NiCo 프로브보다 CCC가 3 배 더 높았습니다. 5,000 μm 길이 Au-NiCo 프로브의 최대 허용 전류 용량은 900mA였습니다. Au-NiCo 프로브는 NiCo 프로브보다 접촉력과 응력이 적습니다. Au-NiCo는 또한 다양한 상호 연결 구조의 변형이 적습니다. 요약하면 다양한 상호 연결 구조를 프로빙 할 때 프로브 스트레스가 알루미늄 패드를 사용할 때보 다 적습니다. 한편, 상호 연결 구조의 손상을 최소화하려면 더 작은 크기의 프로브 또는 더 적은 오버 드라이브를 사용해야합니다. 또한 이러한 결과는 제안 된 Au-NiCo가 기존의 수직 프로브보다 더 나은 프로빙 효율성, 더 높은 테스트 수율 및 신뢰성을 갖춘 고급 웨이퍼 레벨 테스트의 잠재적 후보가 될 것임을 나타냅니다.
또한 프로브 또는 포고 핀에 대한 계산에서 접촉 저항 모델이 모델링되었습니다. 생성 된 온도를 최적화하고 프로브의 접촉 저항을 최적화하려면 프로브 설계의 문제를 확인해야합니다. 높은 전도도 (낮은 저항률), 높은 탄성 계수 (웨이퍼 패드보다 높은 경도) 및 높은 항복 강도 및 우수한 응력 완화 저항을 가진 재료를 선택합니다. 프로브와 웨이퍼에 손상을주지 않고 최대한의 접촉력을 제공합니다. 접촉면을 최대한 평평하게하여 접촉 면적을 늘리십시오.
프로브 설계에 대한 포괄적 인 평가를 위해 프로브의 피로 수명 분석은 산업 분야에서 중요한 매개 변수입니다. 여러 순환 하중 후 항복 강도 미만에서 재료의 파손은 구조 재료에서 가장 중요하고 일반적으로 발생하는 파손 모드입니다. 수치 해석을 사용하여 Von-Mises의 최대 응력 해석을 통해 프로브의 피로 수명을 추정하는 방법을 제공합니다. 이 모델은 프로브 재료의 응력 수명 (S-N) 데이터와 결합 된 유한 요소 분석 (FEM)에 의해 프로브 및 웨이퍼 접촉 중에 생성 된 최대 Von-Mises 응력을 기반으로합니다. 이 곡선은 Ni-Co, Cu-Ag와 같은 재료의 실제 테스트를 통해 결정되었습니다. 오버 드라이브 = 150 μm에서 Al 패드가있는 Ni-Co 프로브의 피로 수명을 수치 시뮬레이션으로 추정하면 399,990 사이클이고 Al 패드가있는 Cu-Ag 프로브의 피로 수명은 14,060 사이클입니다. 프로브 재료 선택은 프로브의 피로 수명에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 이것은 솔더 볼, Cu 기둥, TSV와 같은 다른 구조와의 프로브 설계 접촉에서 중요한 참고 사항입니다. 이 분석은 프로브 카드의 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 프로브 카드 설계 중에 프로브의 피로 수명 추정에 대한 참조를 제공합니다.

Recently, fine pitch wafer level packaging (WLP) technologies have drawn a great attention in the semiconductor industries. WLP technology uses various interconnection structures including micro-bumps and through-silicon-vias (TSVs). Contact behavior between probe and interconnection structure is a very important factor affecting the reliability and performance of wafer testing. Additionally, improving the current carrying capacity (CCC) and minimizing damage to the probe and micro-interconnect structure are very important issues. In this study, with a MEMS vertical probe, we performed systematic numerical analysis of the deformation behavior of various interconnection structures, including solder bump, copper (Cu) pillar bump, solder capper Cu bump, and TSV. During probing, the solder ball showed the largest deformation. The Cu pillar bump also exhibited relatively large deformation. The Cu bump began to deform at OD of 10 μm. At OD of 20 μm, bump pillar was compressed, and the height of the bump decreased by 8.3%. The deformation behavior of the solder capped Cu bump was similar to that of the solder ball. At OD of 20 μm, the solder and Cu bumps were largely deformed, and the total height was reduced by 11%. The TSV structure showed the lowest deformation, but exerted the largest stress on the probe. In particular, copper protrusion at the outer edge of the via was observed, and very large shear stress was generated between the vias and the silicon oxide layer. Moreover, we propose an Au-NiCo MEMS vertical probe with enhanced CCC to efficiently reduce the damage to the probe and various interconnect structures. The Au-NiCo probe has an Au layer inside the NiCo and an Au layer outside the surface of the NiCo probe to reduce resistivity and contact stress. The current carrying capacity, contact stress, and deformation behavior of the probe and various interconnect structures were evaluated using numerical analyses. The Au-NiCo had a three-times higher CCC than the conventional NiCo probe. The maximum allowable current capacity of the 5,000 ?m-long Au-NiCo probe was 900 mA. The Au-NiCo probe exhibited less contact force and stress than the NiCo probe. The Au-NiCo also produced less deformation of various interconnect structures. In summary, when probing various interconnection structures, the probe stress is less than that when using an aluminum pad. On the other hand, in order to minimize damage to the interconnection structure, smaller size probes or less overdrive should be used. Additionally, these results indicate that the proposed Au-NiCo will be a prospective candidate for advanced wafer level testing, with better probing efficiency, higher test yield and reliability than the conventional vertical probe.
The contact resistance model was modeled in the calculation for probe. In order to optimize the generated temperature as well as optimize the contact resistance of the probe, we proposed a new probe design and a material with high conductivity (low resistivity), high elastic modulus (higher hardness more than the wafer pad) and high yield strength, and good contact resistance.
Furthermore, it is important that the fatigue-life analysis of the probe is considered in comprehensive assessment of probe design. For long-time use with cyclic load, the probe has to withstand material fatigue failure stress at a lower level than the yield strength of the material which is the important criteria of fatigue damage in the material structure. Using numerical analysis, we offer a quantitative method of the fatigue life analysis in probe by maximum von-Mises stress. As a result, in simulation estimation, the fatigue-life of Ni-Co probe with aluminum pad is 399,990 cycle at overdrive =150 μm and Cu-Ag probe with Al pad is 14,060 cycle. Moreover, in case of probe contact with solder ball, fatigue life can be up to 406,510 cycles (Ni-Co) and 15,508 cycles (Cu-Ag) respectively. We found that Ni-Co materials have fatigue life greater than the fatigue life of Cu-Ag materials. Hence, Ni-Co is a good selection of material for probe manufacturing. This is an important note that the probe design contact with different structures such as Cu pillar, solder capped Cu bump and TSV structure. Therefore, this analysis will offer a reference for the fatigue life estimation of the probe in design, where by the performance and reliability of the probe card will be improved.

1. Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Background and objective of research 4
2. Theory 11
2.1 Probe card and probe tip 11
2.2 Overdrive and contact force 16
2.3 Probe mark or scrub mark 18
2.4 Joule heating phenomenon 21
2.5 Buckling phenomenon. 23
2.6 Contact resistance on the probe. 26
2.7 Fan-out wafer level package (Fo-WLP) technology in semiconductor industry 30
3. MEMS vertical probe geometry and material properties 34
3.1 MEMS vertical probe geometry 34
3.1.1 Short MEMS vertical probe geometry with interconnection structure 34
3.1.2 Long Au-Nico MEMS vertical probe geometry with interconnection structure 37
3.1.3 Interconnection structure geometry 40
3.2 Mechanical and electrics-thermal properties characterization 42
3.3 Finite element method (FEM) simulation 44
4. Deformation behavior of aluminum pad with short MEMS vertical probe tip 49
4.1 Probe mark depth on the aluminum pad 49
4.2 Maximum von-Mises stress on the short probe tip and Al pad 51
5. Deformation behavior of various interconnection structures with short MEMS vertical probe 53
5.1 von-Mises stress on the short MEMS vertical probe tip 53
5.2 von-Mises stress and deformation behavior on the solder ball 54
5.3 von-Mises stress and deformation behavior on the copper pillar bump 57
5.4 von-Mises stress and deformation behavior on the solder capped copper bump 59
5.5 von-Mises stress and deformation behavior on the TSV structure 61
5.6 Probe mark deformation on the structure of the different wafers 64
6. Development and optimization of new Au-NiCo long MEMS vertical probe 67
6.1 Evaluation of current carrying capacity and optimization probe structure 67
6.2 Evaluation of current carrying capacity on the new Au-Nico probe with various shapes and structures 70
6.3 Deformation behavior on the new Au-Nico probe with solder ball 76
6.4 Deformation behavior on the new Au-Nico with copper pillar bump 83
6.5 Deformation behavior on the new Au-Nico probe with TSV structure 86
7. Contact resistance of probe 90
7.1 Modeling the contact resistance of probe 90
7.2 Joule-heating effect on the probe 93
8. Fatigue-Life Analysis 97
8.1 S-N curve (stress-life of material) 98
8.2 Estimation of the fatigue life 99
8.3 Mean stress effect 99
9. Conclusions and future research on probe card 106
References 110
초록 119
Acknowledgments 122

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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