KR100600482B1 - 반도체 패키지 측정용 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 패키지 측정용 프로브에 관한 것으로서, BGA 패키지와 같이 구 형태의 입출력 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 프로브는 신호 팁과 접지 팁으로 구성된다. 신호 팁의 하부면은 솔더 볼의 구면에 대응하는 구면 형태로 형성된다. 접지 팁은 신호 팁을 둘러싸는 접지 배럴의 하단에서 수평 방향으로 소정의 길이만큼 뻗어 있으며, 접지 배럴 멈춤쇠와 스프링의 작용에 의하여 신호 팁과 독립적으로 움직인다. 본 발명의 프로브는 패키지 단자의 크기, 간격 등에 상관없이 범용적으로 사용이 가능하며, 구 형태의 패키지 단자에 대하여 정확한 특성 측정이 가능하다.

프로브(probe), 신호 팁(signal tip), 접지 팁(ground tip), 볼 그리드 어레이 패키지(BGA package), 솔더 볼(solder ball)

Description

반도체 패키지 측정용 프로브 {test probe for semiconductor package}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브를 나타내는 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브의 작용 상태를 나타내는 단면도들이다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브의 적용예들을 나타내는 단면도들이다.

<도면에 사용된 참조 번호의 설명>

10: 반도체 패키지 측정용 프로브(probe)

20: 신호 팁(signal tip) 22: 신호 팁 하부면

30: 접지 팁(ground tip) 40: 절연 몸통

50: 접지 배럴(ground barrel) 52: 접지 배럴 멈춤쇠

60: 프로브 헤드(probe head) 62: 헤드 상단부

64: 헤드 하단부 70: 스프링

80: 측정 장치 82: 접속 케이블

90: BGA 패키지 92: 패키지 기판

94: 신호 솔더 볼 96: 접지 솔더 볼

본 발명은 반도체 패키지 측정용 프로브에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구(球) 형태의 입출력 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위하여 사용되는 프로브에 관한 것이다.

반도체 패키지의 전기적 특성은 반도체 소자의 동작 특성에 영향을 주는 중요한 요소 중의 하나이다. 특히, 고속 반도체 소자에 있어서 그 중요성은 더욱 크다. 이에 따라 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하는 과정 또한 반도체 소자의 동작을 분석, 평가하는 중요한 수단 중의 하나이다.

이상적인 반도체 패키지는 반도체 소자에 입출력되는 신호와 전력을 가감 없이 전달하는 패키지이다. 그러나 실제로는 패키지를 구성하는 물질들의 특성, 신호선의 구조 등의 여러 요인으로 인하여 신호, 전력의 왜곡과 손실이 발생한다. 반도체 패키지 상에서 신호 및 전력의 왜곡과 손실을 발생시키는 요소를 기생 파라미터(parasitic parameter)라 한다. 반도체 패키지의 기생 파라미터는 다양한 형식의 정량화된 모델로 표현할 수 있으며, 그 대표적인 예로 RLC 회로, 주파수 응답, 임피던스 프로파일(impedance profile) 등의 모델이 있다.

파라미터의 측정은 일반적으로 패키지 단자에 바늘 모양의 프로브 팁(probe tip)을 접속하여 측정한다. 종래의 프로브는 접지용과 신호용의 고정된 두 팁을 인접하게 배치한 형태의 GS 프로브와, 고정된 세 개의 팁을 접지, 신호, 접지 순으로 배열한 형태의 GSG 프로브 등이 사용되고 있다. 각 팁 사이의 거리는 프로브 구성에 상관없이 일정한 거리로 배열되며, 팁 간의 거리에 따라, 측정할 수 있는 패키지 단자(패키지 핀이라고도 함) 사이의 간격이 결정된다. 그런데 패키지 단자 사이의 간격은 패키지의 종류에 따라 다양하게 분포하고 있다. 따라서 측정하고자 하는 패키지 단자 사이의 간격이 달라지면, 그에 적합한 프로브로 교체해 주어야 하는 단점이 있다.

한편, 최근의 패키지 기술 경향에 따르면, 입출력 단자로서 구(球) 형태의 솔더 볼(solder ball)을 사용하는 볼 그리드 어레이(ball grid array; BGA) 패키지의 사용이 지속적으로 증가하고 있다. BGA 패키지는 우수한 전기적, 열적 특성으로 인하여 그 사용 범위가 확대일로에 있으며, 특히 대부분의 고속 반도체 소자는 BGA 패키지를 채용하고 있는 추세이다. BGA 패키지와 같이 입출력 단자가 볼 형태인 경우에는 바늘 모양의 프로브 팁과 패키지 단자 사이의 접속이 용이하지 않다. 따라서 종래의 프로브는 접속 불량으로 인하여 패키지 특성 측정이 부정확하게 이루어지는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 제반 문제들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 패키지 단자의 크기, 간격 등에 상관없이 범용적으로 사용이 가능한 반도체 패키지 측정용 프로브를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구 형태의 패키지 단자에 대하여 정확한 특성 측정이 가능한 반도체 패키지 측정용 프로브를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 신호 팁과 접지 팁으로 구성되는 반도체 패키지 측정용 프로브에 있어서, 신호 팁의 하부면은 솔더 볼의 구면에 대응하는 구면 형태로 형성되고, 접지 팁은 수평 방향으로 소정의 길이만큼 뻗어 있으며 신호 팁과 독립적으로 움직이는 반도체 패키지 측정용 프로브를 제공한다.

본 발명에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브는 구 형태의 신호 단자와 접지 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브로서, 구면 형태로 형성되고 상기 반도체 패키지의 신호 단자에 접촉하기 위한 하부면을 포함하는 신호 팁과, 상기 신호 팁에 이웃하여 위치하며 상기 반도체 패키지의 접지 단자에 접촉하기 위한 접지 팁을 포함한다.

본 발명에 따른 프로브는, 속이 빈 원통 형태로 형성되고 상기 신호 팁과 전기적으로 절연되어 상기 신호 팁을 둘러싸며 하단에서 상기 접지 팁과 연결된 접지 배럴을 더 포함할 수 있으며, 또한 상기 접지 배럴의 속에 삽입되고 상기 신호 팁을 둘러싸며 상기 신호 팁과 상기 접지 배럴을 전기적으로 절연시키는 원통형의 절연 몸통을 더 포함할 수 있다. 상기 접지 팁은 상기 접지 배럴의 하단에서 수평 방향으로 돌출되어 소정의 길이만큼 뻗어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 프로브는, 소정의 간격을 두고 상하로 떨어져 있는 헤드 상단부와 헤드 하단부를 포함하는 프로브 헤드와, 상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부의 사이에 위치하며 상기 접지 배럴로부터 수평 방향으로 돌출되는 접지 배럴 멈춤쇠, 및 상기 헤드 상단부와 상기 접지 배럴 멈춤쇠 사이에 끼워지는 스프링을 더 포함할 수 있다. 상기 절연 몸통은 상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되며 상기 헤드 상단부 쪽에 결합되어 고정되는 것이 바람직하며, 상기 접지 배럴은 상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브는 구 형태의 신호 단자와 접지 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브로서, 상기 반도체 패키지의 신호 단자에 접촉하기 위한 하부면을 포함하는 신호 팁과, 상기 신호 팁에 이웃하여 위치하고 수평 방향으로 소정의 길이만큼 뻗어 있으며 상기 반도체 패키지의 접지 단자에 접촉하기 위한 접지 팁을 포함한다.

상기 신호 팁의 하부면은 구면 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 프로브는, 속이 빈 원통 형태로 형성되고 상기 신호 팁과 전기적으로 절연되어 상기 신호 팁을 둘러싸며 하단에서 상기 접지 팁과 연결된 접지 배럴을 더 포함할 수 있으며, 상기 접지 배럴의 속에 삽입되고 상기 신호 팁을 둘러싸며 상기 신호 팁과 상기 접지 배럴을 전기적으로 절연시키는 원통형의 절연 몸통을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 프로브는, 소정의 간격을 두고 상하로 떨어져 있는 헤드 상단부와 헤드 하단부를 포함하는 프로브 헤드와, 상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부의 사이에 위치하며 상기 접지 배럴로부터 수평 방향으로 돌출되는 접지 배럴 멈춤쇠, 및 상기 헤드 상단부와 상기 접지 배럴 멈춤쇠 사이에 끼워지는 스프링을 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 하기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 도면을 통틀어 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

실시예

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브(10)를 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1을 참조하여 반도체 패키지 측정용 프로브(10, 이하 '프로브'로 약칭함)의 구성을 설명한다. 이하의 설명에서, 위쪽, 아래쪽, 상부, 하부, 상단, 하단 등의 방향을 나타내는 용어는 도면에 표시된 z축 방향을 기준으로 삼은 것이다.

기본적으로 프로브(10)는 신호 팁(20, signal tip)과 접지 팁(30, ground tip)으로 구성된다. 신호 팁(20)은 구면 형태로 형성된 하부면(22)을 포함하며, 원통형의 절연 몸통(40)으로 둘러싸여 있다. 접지 팁(30)은 신호 팁(20)에 이웃하여 위치하며, 접지 배럴(50, ground barrel)의 하단에서 수평 방향(즉, x축 방향)으로 돌출되어 소정의 길이만큼 뻗어 있는 편평한 판 형태를 가진다. 접지 배럴(50)은 속이 빈 원통 형태이며, 신호 팁(20)이 접지 배럴(50)의 속에 삽입되어 위치한다. 신호 팁(20)과 접지 배럴(50)은 절연 몸통(40)에 의하여 전기적으로 절연되며, 절연 몸통(40)과 접지 배럴(50)은 동축(coaxial) 구조를 가진다.

또한, 프로브(10)는 프로브 헤드(60, probe head)를 포함한다. 프로브 헤드(60)는 소정의 간격을 두고 상하로 떨어져 있는 헤드 상단부(62)와 헤드 하단부(64)를 포함한다. 절연 몸통(40)은 헤드 상단부(62)와 헤드 하단부(64)를 관통하여 헤드 하단부(64)의 아래쪽으로 돌출되며 헤드 상단부(62) 쪽에 결합되어 고정된다. 접지 배럴(50)은 헤드 하단부(64)를 관통하여 헤드 하단부(64)의 아래쪽으로 돌출되며 헤드 상단부(62)와 헤드 하단부(64) 사이에서 수평 방향으로 돌출된 접지 배럴 멈춤쇠(52)를 포함한다. 또한, 헤드 상단부(62)와 접지 배럴 멈춤쇠(52) 사이에는 스프링(70)이 끼워져 있다.

접지 배럴(50)은 스프링(70)의 탄성력에 의하여 아래쪽으로 밀린다. 그러나 접지 배럴 멈춤쇠(54)가 헤드 하단부(64)에 걸리면서 접지 배럴(50)은 프로브 헤드(60) 밖으로 이탈되지 않는다. 접지 배럴(50)이 스프링(70)에 의해 최대한 아래쪽으로 밀려나 있을 때, 접지 팁(30)은 신호 팁(20)의 하부면(22)보다 더 아래쪽에 위치한다. 그리고 접지 배럴(50)의 상단과 헤드 상단부(62) 사이는 소정 거리만큼 떨어져 있다. 따라서 접지 배럴(50)을 위쪽으로 밀어 올리면 스프링(70)을 압축시키면서 접지 배럴(50)이 수직 방향으로 움직일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 신호 팁(20)은 절연 몸통(40)에 의하여 프로브 헤드(60)에 고정된 상태이지만, 접지 팁(30)은 접지 배럴(50)에 의하여 소정 거리만큼 수직 방향으로 움직일 수 있는 상태이다. 즉, 접지 팁(30)은 신호 팁(20)과 독립적으로 움직일 수 있다.

한편, 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위한 측정 장치(80)는 프로브(10)의 외부에 설치되며 접속 케이블(82)에 의하여 신호 팁(20)에 연결된다. 또한, 헤드 상단부(62)는 접속 케이블(82)의 접지선에 연결된다. 따라서 헤드 상단부(62)와 접지 배럴 멈춤쇠(52) 사이에 끼어 있는 스프링(70)으로 인하여 접지 배럴(50)과 접지선이 전기적으로 연결된다.

이상 설명한 프로브(10)의 작용 상태가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 이하, 도 2a, 도 2b를 참조하여 프로브(10)의 작용을 설명한다.

프로브(10)를 이용하여 전기적 특성을 측정하고자 하는 반도체 패키지는 예시된 BGA 패키지(90)와 같이 구(球)형태의 패키지 단자를 가진다. 즉, 신호 솔더 볼(94)과 접지 솔더 볼(96)이 소정의 간격을 두고 규칙적으로 패키지 기판(92)의 표면 위에 형성되어 있다. BGA 패키지(90)의 나머지 구성은 본 발명과 직접적인 관련이 없으므로 도시를 생략하였다.

프로브(10)는 x, y, z축 방향으로 이동 가능한 프로브 암(도시되지 않음, probe arm)에 장착된다. 따라서 프로브 암을 구동함으로써 측정하고자 하는 신호 솔더 볼(94)의 위치로 프로브(10)를 이동시킬 수 있다. 측정 대상인 신호 솔더 볼(94) 위에 프로브(10)의 신호 팁(20)이 위치하면, 프로브 헤드(60)를 아래쪽으로 이동시킨다. 이 때 접지 팁(30)이 신호 팁(20)의 하부면(22)보다 더 아래쪽에 위치하므로, 먼저 접지 팁(30)이 접지 솔더 볼(96)에 접촉한다.

이 상태에서 프로브 헤드(60)를 더 내리게 되면 접지 팁(30)은 접지 솔더 볼(96)에 의하여 더 이상 내려가지 않는다. 따라서 접지 팁(30)에 연결된 접지 배럴(40)도 더 이상 내려가지 않으므로 스프링(70)이 압축되면서 신호 팁(20)이 접지 배럴(40) 밖으로 노출된다. 그리고 신호 팁(20)의 하부면(22)은 신호 솔더 볼(94)의 구면에 접촉하면서 패키지(90)의 전기적 특성을 측정할 수 있는 상태가 된다. 신호 팁(20)의 하부면(22)은 솔더 볼(94)의 구면과 대응하는 구면 형태로 형성되어 있으므로 신호 팁(20)과 솔더 볼(94) 사이에 최적화된 측정 접속이 가능하다.

특히, 본 발명의 반도체 패키지 측정용 프로브(10)는 패키지 단자(94, 96)의 크기, 간격 등에 상관없이 범용적으로 사용이 가능하며, 프로브(10)와 패키지 단자(94, 96) 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 효율적인 측정이 가능하다. 도 3a 내지 도 3e는 이를 설명하기 위한 도면들로서, 본 발명에 따른 반도체 패키지 측정용 프로브(10)의 다양한 적용예들을 나타내는 단면도들이다.

도 3a는 일반적인 BGA 패키지에 적용한 예이며, 도 3b는 일반적인 BGA 패키지에 비하여 상대적으로 패키지 단자(94, 96) 사이의 간격이 큰 경우의 적용예이며, 도 3c는 일반적인 BGA 패키지에 비하여 상대적으로 패키지 단자(94, 96)의 크기(즉, 높이)가 큰 경우의 적용예이다. 이와 같이 패키지 단자(94, 96)의 크기와 간격이 달라지더라도, 프로브(10)를 교체하지 않고 동일한 프로브(10)를 사용하여 측정의 편의를 높일 수 있다.

도 3d는 공정 조건 등의 이유로 이웃하는 패키지 단자(94, 96)의 크기(h1, h2)가 서로 같지 않은 경우의 적용예이다. 이와 같이 패키지 단자(94, 96) 사이에 크기 차이가 발생하더라도, 신호 팁(20)과 접지 팁(30)이 서로 독립적으로 동작하 기 때문에 편리하게 측정을 수행할 수 있다.

또한, 도 3e는 프로브(10)의 신호 팁(20)과 패키지의 신호 단자(94) 사이에 정렬 오차가 발생한 경우의 적용예이다. 이와 같은 경우에도 신호 팁(20)의 하부면(22)이 신호 단자(94)의 구면과 대응하는 구면 형태이므로 효율적으로 측정을 수행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 패키지 측정용 프로브는 측정의 정확성, 용이성, 다양성을 동시에 구현할 수 있다.

종래의 프로브는 바늘 모양의 프로브 팁을 가지므로 구 형태의 패키지 단자와 접속이 용이하지 않고 접속 불량으로 인하여 측정이 부정확하게 이루어지는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 프로브는 신호 팁의 하부면이 구면으로 형성되어 있으므로 구 형태의 패키지 단자와 접속의 정확성을 기할 수 있다.

또한, 종래의 프로브는 신호 팁과 접지 팁이 고정되어 있으므로 패키지 단자의 크기, 간격 등이 달라지면 그에 적합한 프로브로 교체해 주어야 하는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 프로브는 접속 팁이 수평 방향으로 형성되어 있으므로 접속 팁의 길이가 허용하는 범위 내에서 패키지 단자의 크기와 간격에 상관없이 측정이 가능하다.

그밖에도, 본 발명의 프로브는 패키지 단자 사이에 크기 차이가 발생하거나 프로브와 패키지 단자 사이에 정렬 오차가 발생하더라도 효율적으로 측정을 수행할 수 있다.

본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (15)

1. 구 형태의 신호 단자와 접지 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측정하기 위한 프로브로서,

   구면 형태로 형성되고 상기 반도체 패키지의 신호 단자에 접촉하기 위한 하부면을 포함하는 신호 팁;

   속이 빈 원통 형태로 형성되고 상기 신호 팁과 전기적으로 절연되어 상기 신호 팁을 둘러싸는 접지 배럴; 및

   상기 신호 팁에 이웃하여 위치하고, 상기 접지 배럴의 하단에서 수평 방향으로 돌출되어 소정의 길이만큼 뻗도록 형성되어 상기 반도체 패키지의 접지 단자에 접촉하는 접지 팁;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 측정용 프로브.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 접지 배럴의 속에 삽입되고 상기 신호 팁을 둘러싸며 상기 신호 팁과 상기 접지 배럴을 전기적으로 절연시키는 원통형의 절연 몸통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 측정용 프로브.
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,

   소정의 간격을 두고 상하로 떨어져 있는 헤드 상단부와 헤드 하단부를 포함하는 프로브 헤드와;

   상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부의 사이에 위치하며 상기 접지 배럴로부터 수평 방향으로 돌출되는 접지 배럴 멈춤쇠; 및

   상기 헤드 상단부와 상기 접지 배럴 멈춤쇠 사이에 끼워지는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 측정용 프로브.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 절연 몸통은 상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되며 상기 헤드 상단부 쪽에 결합되어 고정되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 측정용 프로브.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 접지 배럴은 상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 측정용 프로브.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 구 형태의 신호 단자와 접지 단자를 갖는 반도체 패키지의 전기적 특성을 측 정하기 위한 프로브로서,

    소정의 간격을 두고 상하로 떨어져 있는 헤드 상단부와 헤드 하단부를 포함하는 프로브 헤드와;

    상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되며 상기 헤드 상단부 쪽에 결합되어 고정되는 원통형의 절연 몸통과;

    구면 형태로 형성되고 상기 반도체 패키지의 신호 단자에 접촉하기 위한 하부면을 포함하며 상기 절연 몸통으로 둘러싸이는 신호 팁과;

    상기 헤드 하단부를 관통하여 상기 헤드 하단부의 아래쪽으로 돌출되며 속이 빈 원통 형태로 상기 절연 몸통을 둘러싸고 상기 절연 몸통에 의하여 상기 신호 팁과 전기적으로 절연되는 접지 배럴과;

    상기 접지 배럴의 하단에서 수평 방향으로 돌출되어 소정의 길이만큼 뻗어 있으며 상기 반도체 패키지의 접지 단자에 접촉하기 위한 접지 팁과;

    상기 헤드 상단부와 상기 헤드 하단부의 사이에 위치하며 상기 접지 배럴로부터 수평 방향으로 돌출되는 접지 배럴 멈춤쇠; 및

    상기 헤드 상단부와 상기 접지 배럴 멈춤쇠 사이에 끼워지는 스프링을 포함하는 반도체 패키지 측정용 프로브.

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