프로브 카드란? 웨이퍼 위의 칩 하나하나에 어떻게 전기를 넣어 테스트할까

프로브 카드(probe card)는 웨이퍼 테스트에 쓰는 도구다. 기판 한 장에 아주 가는 바늘이 칩 접점의 위치에 맞춰 늘어서 있어서, 한 번에 웨이퍼 위의 접점에 내려 찍고 테스터의 신호를 칩에 보낸 뒤 결과를 다시 읽어 들인다. 웨이퍼를 자르기 전에 모든 칩은 이렇게 전기를 넣어 한 번씩 시험을 치르는데, 이를 웨이퍼 테스트라 하며 프로브 테스트 또는 CP라고도 한다.

웨이퍼 테스트 전체를 어떻게 하는지, 패키징을 마친 뒤의 파이널 테스트와 무엇이 다른지는 ‘칩은 어떻게 테스트할까?’에서 다뤘다. 이 글은 바늘에만 집중한다. 어떻게 찍는지, 왜 더러워지는지, 왜 칩 한 종류마다 카드가 한 장씩 필요한지를 본다.

프로브 카드는 어디에 놓일까?

칩 표면의 작은 금속 조각들을 접점(패드)이라 하며, 전원과 신호가 이곳으로 드나든다. 접점은 촘촘히 붙어 있어 간격이 수십 마이크로미터, 대략 머리카락 굵기에 불과한 경우가 많다. 반면 테스터 쪽의 커넥터는 훨씬 크다. 프로브 카드는 그 사이에 끼어 일종의 어댑터 역할을 한다.

• 테스터: 컴퓨터 쪽 끝이다. 테스트 프로그램에 따라 신호를 보내고 결과를 대조한다. 테스트 헤드라는 커다란 상자에 연결되어 있으며, 이 테스트 헤드가 프로브 카드 바로 위를 누르고 있다.
• 프로브 카드: 회로 기판 한 장이다. 바깥 둘레는 테스트 헤드에 연결되고, 배선은 가운데로 갈수록 촘촘해져 마지막에 바늘로 이어진다.
• 웨이퍼: 프로버(prober, 웨이퍼 프로버라고도 한다)의 척(chuck) 위에 놓인다. 척은 앞뒤와 좌우로 움직이고, 위로 밀어 올리기도 한다.

신호는 테스터 → 테스트 헤드 → 프로브 카드 → 바늘 끝 → 접점 순서로 가고, 결과는 같은 길을 거꾸로 돌아온다.

단계별로 보기: 프로브 카드는 웨이퍼 한 장을 어떻게 측정할까?

1단계: 칩의 접점에 맞춰 전용 카드를 만든다

• 무엇을: 이 칩의 접점 하나하나의 위치에 맞춰 바늘을 배치해, 바늘 끝이 저마다 접점 하나에 정확히 떨어지게 한다.
• 왜: 바늘은 카드에 고정되어 스스로 움직이지 않는데, 접점 배치는 칩 종류마다 다르다.
• 그러지 않으면: 바늘이 접점 밖에 떨어져 아예 연결되지 않고, 양품 칩도 불량으로 측정된다.

2단계: 웨이퍼를 프로버에 넣고 정렬한다

• 무엇을: 로봇 암이 웨이퍼를 척 위에 올려놓으면, 카메라가 칩과 바늘 끝이 각각 어디에 있는지 찾는다. 정렬이 끝나면 첫 번째 칩을 바늘 바로 아래로 옮긴다.
• 왜: 접점은 수십 마이크로미터 크기에 불과해서, 웨이퍼가 조금만 비뚤어져도 수백 개의 바늘이 한꺼번에 어긋난다.
• 그러지 않으면: 바늘이 접점 가장자리에 찍혀 접촉이 됐다 안 됐다 하고, 같은 칩을 두 번 재면 결과가 다르게 나온다.

3단계: 바늘을 누르고, 조금 더 미끄러뜨린다

• 무엇을: 척이 웨이퍼를 밀어 올려 바늘 끝에 닿게 한 뒤 조금 더 밀어 올린다. 바늘은 탄성이 있어 살짝 휘고, 바늘 끝이 접점 위에서 조금 미끄러지며 작은 긁힌 자국을 남긴다. 이를 프로브 마크(probe mark)라 한다.
• 왜: 많은 칩의 접점은 알루미늄인데, 알루미늄은 공기에 닿자마자 표면에 아주 얇고 전기가 잘 통하지 않는 산화막이 생긴다. 바늘 끝이 이 막을 긁어 뚫고 그 아래 금속에 닿아야 전류가 흐른다. 즉석 복권의 은박을 먼저 긁어내야 하는 것과 같다.
• 그러지 않으면: 너무 약하게 누르면 막을 뚫지 못해 저항이 높게 측정되고 수치가 오락가락한다. 너무 세게 누르면 프로브 마크가 너무 깊어져 접점과 그 아래층이 손상되고, 나중에 이 자리에 와이어 본딩을 할 때 단단히 붙지 않을 수 있다.

4단계: 칩 하나를 마치면 다음 칩으로, 또는 여러 개를 한꺼번에

• 무엇을: 테스터가 항목을 하나씩 모두 시험하고 나면, 척이 내려가 다음 위치로 옮긴 뒤 다시 밀어 올린다. 많은 카드는 한 번에 칩 여러 개를 찍으며, 위치마다 카드 위의 자기 바늘 묶음을 쓴다.
• 왜: 웨이퍼 한 장에는 칩이 수백 개, 수천 개 있는 경우가 많아서 하나씩 하면 너무 느리다.
• 그러지 않으면: 하나씩만 찍으면 한 장에 몇 배의 시간이 더 든다. 반대로 여러 개를 동시에 테스트할 때 바늘 묶음 하나가 더러워지면, 불량이 계속 같은 위치에서만 나온다.

5단계: 결과를 웨이퍼 맵으로 그린다

• 무엇을: 칩마다 결과에 따라 서로 다른 bin으로 나누고, 위치대로 그려 웨이퍼 맵을 만든다.
• 왜: 웨이퍼를 자른 뒤 다음 장비가 이 맵을 보고 양품만 집어 패키징한다. 불량 칩이 어떤 모양으로 늘어섰는지도 문제를 찾는 단서가 된다.
• 그러지 않으면: 불량 칩까지 패키징되어 패키징 비용이 헛돈이 된다. 맵을 읽는 법은 ‘WAT란?’을 참고하면 된다.

프로브 카드의 바늘에는 어떤 종류가 있을까?

종류	생김새	쓰는 이유
캔틸레버형	바늘이 카드에서 비스듬히 뻗어 나와 작은 낚싯대처럼 끝이 아래로 휘어 있다	빨리 만들 수 있고 비교적 싸서 지금도 많이 쓴다. 접점이 칩의 네 변을 따라 놓인 칩에 알맞다
수직형	바늘이 곧게 서서 아래로 찍는다	바늘을 면 전체에 배열할 수 있어 칩 가운데의 접점에도 닿는다
MEMS형	칩을 만드는 것과 같은 계열의 방법(예: 포토리소그래피, 전기 도금)으로 바늘을 ‘키워’ 만든다	더 가늘고 더 촘촘하며 위치가 더 정확해서, 접점이 가장 많고 가장 촘촘한 칩에 쓴다. 촘촘하고 정밀한 카드일수록 대체로 더 비싸다

바늘은 왜 자주 청소할까? 그 밖에 무엇을 측정할까?

바늘 끝은 찍을 때마다 산화물과 금속 부스러기를 조금씩 긁어내고, 그중 일부가 바늘 끝에 달라붙는다. 많이 찍을수록 접촉 저항(contact resistance)은 점점 커진다. 그래서 일정 횟수를 찍을 때마다 프로버 옆의 바늘 청소 패드에 몇 번 찍어 부스러기를 갈아 낸다. 청소도 바늘 끝을 조금씩 닳게 하므로, 얼마나 자주 청소할지는 일종의 저울질이다.

청소 말고도 정기적으로 측정하는 것이 있다.

• 평탄도: 수백, 수천 개의 바늘 끝이 같은 높이에 있어야 한다. 짧은 바늘은 한참 눌러야 닿고, 그만큼 긴 바늘은 너무 세게 눌린다.
• 정렬: 바늘 끝 하나하나의 앞뒤, 좌우 위치는 조금씩 틀어진다.
• 접촉 저항: 너무 커지면 청소할 때다.

바늘이 너무 많이 닳으면 바늘을 수리하거나 카드를 교체한다.

바늘이 더러우면 왜 공정 문제처럼 보일까?

바늘 끝이 더러워지면 측정되는 저항이 높게 나오는데, 이는 웨이퍼가 실제로 잘못 만들어진 경우와 아주 비슷하다. 저항이 높은 것은 공정이 잘못됐기 때문일 수도 있고, 단지 바늘 접촉이 나빴기 때문일 수도 있다. 이 때문에 양품 칩이 불량으로 판정되는 것을 현장에서는 ‘오버킬(overkill)’이라 부르기도 한다.

그래서 수치가 이상하면 공정보다 측정을 먼저 의심하는 경우가 많다.

• 불량이 늘 같은 위치에서 나온다: 동시에 테스트하는 여러 칸 중에서 로트마다 같은 칸만 낮게 나온다. 로트마다 웨이퍼가 하필 그 칸에서만 불량이 날 가능성은 낮다.
• 바늘을 청소하고 다시 한번 프로빙하면 괜찮아진다: 수치가 돌아오면 카드 문제다. 그래도 불량이면 그때 공정 쪽을 찾는다.

다시 프로빙하는 것도 끝없이 할 수는 없다. 합격선 경계에 걸친 칩은 여러 번 찍다 보면 언젠가 한 번은 통과하게 되어, 사실상 기준을 느슨하게 하는 셈이 되고, 접점 위의 프로브 마크도 점점 늘어난다. 웨이퍼 테스트가 답하는 것은 ‘지금 정상인가’뿐이다. 쓰기 시작하고 얼마 안 가 고장 나는지는 ‘번인이란?’에서 다룬다.

왜 칩 한 종류마다 카드가 한 장씩 필요하고, 그렇게 비쌀까?

접점의 위치가 칩에 따라 정해지기 때문이다. 제품이 바뀌거나, 칩을 개정하거나 축소해서 접점이 움직이면 대개 새 카드가 필요하다.

카드 한 장을 만드는 일도 간단하지 않다. 바늘이 많은 카드는 수천 개가 넘고, 하나하나가 수십 마이크로미터 크기의 접점에 정확히 떨어져야 한다. 많은 카드는 바늘을 사람이 손으로 하나씩 심기도 한다. 게다가 칩 한 종류에 필요한 카드 수가 많지 않아 대량 생산으로 비용을 나눌 수 없다. 이를 다품종 소량이라 한다. 그래서 카드 한 장을 오랫동안 반복해서 쓴다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고(‘OSAT란?’ 참고) 좌우로 넘겨 테스트 엔지니어를 고른다. 심야 근무(어느 근무가 될지는 기기의 시각에 따라 정해진다)에는 프로브 카드가 한 번에 칩 네 개를 찍는데, 3번 위치가 로트마다 낮게 나온다. 카드부터 처리할지(바늘을 청소하거나 예비 카드로 교체), 불량부터 재테스트할지, 재테스트한다면 몇 번 찍을지를 정해야 한다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 3 ‘불량의 모양’에서는 R&D 라인 9번째 웨이퍼의 콘택트 저항이 높게 나와, 다시 한번 프로빙할지 공정 문제로 적을지 정해야 한다. 챕터 10 ‘대기 전류’에서 시니어 테스트 엔지니어 정 선배가 불량을 보고 가장 먼저 묻는 것도 ‘우리가 잘못 잰 건 아닌가’다.

도감의 ‘장비 목록’에서는 프로브 카드와 웨이퍼 프로버 모두 ‘분해해 보기’를 할 수 있다. 프로브 카드에서 ‘작동 보기’를 누르면 카드를 꺼내 오는 것부터 바늘을 내려 찍고 청소하기까지 한 단계씩 보여 준다.

게임 속 후공정 공장, 칩, 인물, 숫자는 모두 가상이며, 한 번에 칩 네 개를 찍는 것도 게임의 설정이다. 프로브 카드가 무엇이고 어떻게 쓰는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.