반도체에서 테스트 기술은 수율과 밀접하게 연관되어 있다. 특히 10단 이상의 적층형 HBM(Hybrid Bonding Memory)에서는 테스트의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 불량 칩(칩렛)이 발생할 경우, 해당 불량 칩이 포함된 모든 정상 칩(칩렛)을 폐기해야 하므로, 테스트의 정확성이 매우 중요하다. 불량칩의 폐기는 반도체 제품의 가격 상승을 초래하며, 이는 반도체산업이 해결해야 할 중요한 과제 중 하나다.
이러한 문제를 해결하기 위해 프로브 카드가 사용된다. 프로브 카드는 반도체 테스트에서 불량 칩, 칩렛, 인터포저 등을 선별 하는 역할을 하고, 반도체의 경우 격자(Area Array) 형태의 전극을 가지고 있으므로 수직형 프로브가 사용되고 있다. 반도체 제조업체는 장치 웨이퍼 또는 대형 웨이퍼와 최신의 반도체 칩 기술에 대응하는 위해 새로운 프로브 카드를 지속적으로 필요로 한다. 반도체 칩의 지속적인 소형화 추세에 따라 프로브 카드의 피치도 작아지고 있으며, 이는 고정밀 테스트를 위해 필수적이다. 반도체 검사용 프로브 카드는 크게 프로브 모듈, 공간변환기, 메인 PCB, 보강판으로 구성된다. 네 가지 부품은 상호 긴밀하게 협력해 반도체 소자의 정확한 테스트를 할 수 있게 한다.

반도체 검사용 프로브 카드에서 특히 프로브, 프로브 가이드 그리고 공간변환기에서 소재의 특성과 연구 동향은 매우 중요한 연구 분야다. 이들 소재는 반도체 제조공정의 핵심 요소로, 웨이퍼 테스트의 정확성, 신뢰성과 효율성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

프로브

프로브는 높은 전도성, 낮은 접촉 저항, 그리고 신호 전달의 정확성을 유지해야 한다. 주로 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 금(Au) 합금이 사용되며, 나노 기술을 활용한 고전도성 소재도 연구되고 있다. 프로브는 반복적인 접촉에서도 내구성 유지는 물론, 높은 탄성 계수와 강도를 가져야 한다. 마모 저항성도 중요한 요소로 팔라듐 합금이나 다이아몬드 코팅이 사용된다.
나노 구조 소재(예 : 나노 튜브 또는 나노 와이어)를 활용한 프로브 소재 연구가 활발히 진행되고 있다. 신호 전달의 정밀도와 마모 저항성을 개선하는 데 기여하고 있으며, 프로브의 마모와 산화를 방지하기 위한 다양한 코팅 기술도 개발되고 있다.

프로브 가이드

프로브 가이드는 프로브 핀을 정확하게 유지하고, 올바른 위치에서 웨이퍼와의 접촉을 돕는 역할을 한다. 이를 위해 높은 기계적 강도와 경도가 요구되며, 주로 세라믹이나 고강도 폴리머 소재가 사용된다. 또한, 저마찰성 소재가 선호되어 프로브가 가이드 내에서 쉽게 움직일 수 있도록 한다.
가공성이 우수한 세라믹 복합재와 고성능 폴리머 소재가 주목받고 있으며, 이들은 프로브 가이드의 수명 연장과 정밀도 향상에 기여한다. 예를 들어, 일본 페로텍(Ferrotec)의 포토빌 2(Photoveel Ⅱ)와 같은 세라믹 소재가 대표적이다.

공간변환기

높은 전도성을 가진 구리(Cu)와 같은 금속이 주로 사용된다. 웨이퍼와의 정밀한 접촉을 유지하기 위해 공간변환기의 열팽창 계수가 웨이퍼와 유사한 복합 소재가 사용된다. 공간변환기는 구조적으로 안정적이어야 하며, 프로브 카드의 평탄도를 유지할 수 있는 강도를 가져야 한다.
MLO, MLC 기술이 주로 사용되며, 교세라(Kyocera)와 후지쯔(Fujitsu)와 같은 일본 기업들이 독점적으로 개발을 진행하고 있다. 국내에서는 삼성전기가 MLC 기술을 개발하고 있다.

반도체 검사용 프로브 카드에서 3대 핵심 부품(프로브 모듈, 공간변환기, 메인 PCB) 중 프로브 모듈과 공간변환기 부분은 첨단 신기술의 영역으로, 국내 및 해외 선진 기업들이 시장 점유율 유지를 위해 표준화 시도를 의도적으로 꺼리고 있다. 하지만, 프로브 카드 전체 장치와 메인 PCB 부품에 대해서는 몇 가지 표준화 사례가 있다.

- SEMI G83 :

웨이퍼 표면에 남는 프로브 마크의 특성 측정방법을 규정하는 표준이다. 프로브의 기계적 접촉력, 위치 정확도, 웨이퍼 표면의 손상 가능성을 평가하며, 프로브의 마모와 내구성 평가에도 사용된다.

- SEMI G58 :

프로브 카드의 접촉 저항 측정방법에 대한 표준이다. PCB 설계 및 제조공정에서 전기 신호의 정확성을 보장하기 위해 사용된다.

- SEMI G77 :

반도체 장치 테스트를 위한 프로브 카드 설계 가이드 표준이다. 프로브의 전기적 및 기계적 특성을 최적화해 웨이퍼 테스트의 정확성을 높이는 데 사용된다.

- SEMI G38 :

프로브 카드의 강성 및 평탄도를 규정하는 표준이다. 프로브가 웨이퍼 표면에 정확히 접촉하도록 보장하는 역할을 한다.

- SEMI G85 :

프로브 카드가 온도 변화에 따라 변형되는 것을 방지하기 위해 어셈블리의 열팽창 계수(CTE)를 평가하는 표준이다.

- IPC-2221 :

PCB 설계에 관한 일반적인 가이드라인을 제공하는 표준이다. 프로브 카드 PCB 설계에도 적용된다.

- IPC-6012 :

강성 PCB의 자격 요건과 성능 사양을 규정하는 표준이다. 다양한 테스트 환경에서 프로브 카드 PCB의 성능을 보장한다.

- SEMI G88 :

마이크로전자 프로브 카드의 전기적 파라미터 측정방법을 제공하는 표준이다. PCB 설계의 품질을 보장하는데 사용된다.

반도체 검사용 프로브 카드 기술에 대한 국제표준화는 반도체산업의 성장과 기술 발전을 촉진하는 중요한 요소다. 현재 반도체 검사용 프로브 카드 기술에 관한 표준화는 국제반도체장비재료협회(SEMI), 국제반도체표준협의기구(JEDEC) 같은 주요 국제표준화기구에 의해 관리되고 있으며, 이들은 프로브 카드의 전기적 성능·기계적 특성·품질 관리 등에 대한 표준을 제정하고 있다.
빠르게 변화하는 기술 환경에서 표준화의 유연성이 중요하다. 고정된 표준보다는 새로운 기술을 신속하게 수용할 수 있는 유연한 표준화 프레임워크가 요구된다. 우리나라가 국제표준화에서 주도권을 확보하기 위해서는 지속적인 R&D 투자와 국가적인 표준화 노력, 전문가들의 적극적인 참여가 필요하다. 이를 통해 우리나라의 기술이 국제표준으로 채택되는 날이 도래할 것을 기대한다.

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