반도체 측정용 블레이드 핀 전송 특성 분석

Ⅰ. 서 론

스마트폰의 다양한 부품들은 5G 시대로 접어들면서 빠른 속도로 방대한 양의 데이터를 전송하는 것이 필요하게 되었고, 이로 인하여 통신용 부품의 성능을 측정하고 검사하기 위한 검사용 소켓은 포고핀(Pogo pin)을 사용하는 타입에서 블레이드 핀(Blade pin)을 사용하는 방식으로 변화하고 있다[1]-[3]. 스마트폰 부품시장 가운데에서 카메라 센서 모듈 시장만이 성장세를 이어갈 것으로 예상하고 있으며, 이는 소비자들이 스마트폰 구매시 중요하게 고려하는 점 중에 하나가 카메라 성능이기 때문이다. 그림 1은 현재 스마트폰에 탑재되고 있는 트리플 카메라(Triple camera)와 연결 소켓 사진을 보이고 있다. 갑작스런 트리플 카메라의 등장으로 인하여 이를 검사하기 위한 검사용 소켓에 대한 개발은 이를 따라가지 못하고 있는 실정이다[2].

Fig. 1.

Triple camera and its test socket

트리플 카메라는 최소 2개 이상의 커넥터를 통해 검사가 이루어지기 때문에 검사용 소켓의 위치 정확도를 맞추는 것이 매우 중요하다. 높이가 다른 커넥터를 검사해야 하는 경우와 커넥터 간의 거리가 너무 협소하여 이를 검사하는 매우 근접한 위치의 소켓을 제작해야 하는 경우도 있다. 업계에서는 방대한 양의 데이터 처리를 필요로 하는 트리플 카메라를 검사하기 위한 소켓을 개발하기 위하여 기존의 포고핀과 같은 프로브핀이 아닌 하나의 몸체로 이루어진 블레이드 핀을 적용한 소켓 개발을 진행 중에 있다. 이와 같은 반도체 레벨 측정에 사용되는 반도체용 측정 방식에는 전계 프루빙 방식[4][5], 자계 프루빙 방식[6], 랜딩 프루빙 방식[7] 등을 사용한다.

본 논문에서는 이와 같은 블레이드 핀의 광대역 데이터 신호 전송 특성을 분석하기 위해 고주파 신호에서의 전송 특성을 분석하였다. 핀은 소켓에 고정되어 있어 탈착 시 핀이 구부러지며 완충되는 형태이기 때문에 핀의 굴곡 개수에 따른 주파수 특성을 분석하여 최적의 광대역 데이터 전송이 가능한 최적의 블레이드 핀 설계에 활용하였다.

Ⅱ. 블레이드 핀의 용도 및 요구사항

랜덤 배열이 가능한 검사용 소켓은 블레이드 핀을 다양한 곳에 배치가 가능하기 때문에 동일한 프로브(블레이드 핀)을 사용하더라도 주파수를 크게 향상시킬 수 있는 제품으로 향후 5G용 스마트폰의 부품 검사에 매우 적합한 형태의 검사용 소켓이다[8][9]. 도체 전기적 특성을 측정하기 위해서는 검사 장비와 반도체 사이를 연결해주는 소켓이 필요하다. 이 연결 소켓의 주요 구성품이 블레이드 타입의 핀이다. 핀과 핀 간격이 줄어들고 있어 기존의 포고핀 사용이 어렵고 고주파수 특성 확인을 위해서는 블레이드 핀 사용이 증가할 것으로 예상된다[9].

5G용 스마트폰 부품들은 매우 짧은 시간에 방대한 양의 데이터를 처리해야 한다. 하지만 현재 블레이드 핀을 적용한 검사용 소켓들은 구조적인 한계로 인하여 블레이드 핀을 1열이나 2열로 배열할 수밖에 없기 때문에 다양한 형상의 소켓을 제작할 수 없다. 이는 뛰어난 블레이드 핀의 특성을 사용할 수 없는 한계로서 검사용 소켓의 전류 특성이나 주파수 특성을 향상시키는 데 한계가 있다.

그림 2에서 보는 바와 같이 블레이드 핀과 이를 지지하는 슬릿 홀더의 가공성을 고려할 경우 한 종류의 블레이드 핀으로 랜덤 배열된 소켓을 제작하기는 매우 어렵다. 하지만 여러 종류의 블레이드 핀을 사용하게 되면 기본적으로 초기 비용이 높아지게 된다. 따라서 한 종류의 블레이드 핀을 사용하면서도 랜덤 배열이 가능한 검사용 소켓을 제작하는 것이 기존 제품보다 뛰어나면서도 가격 경쟁력이 우수한 제품을 제작할 수 있다.

Fig. 2.

Two-column arraied slit holder for the blade pin arrangement

5G 등 광대역 고속 데이터 제품을 테스트할 수 있는 고주파 특성을 갖는 블레이드 핀에 대한 형상 연구를 통해 고성능의 측정 소켓의 구현이 가능하다. 이를 위해 70mΩ 수준의 매우 낮은 저항과 20 GHz 이상의 S21 주파수 특성을 갖는 블레이드 핀의 특성이 요구된다. 본 논문에서는 다양한 블레이드 핀의 형상을 시뮬레이션을 통해 비교 분석함으로써 효율적인 설계 방법을 획득하고자 한다.

블레이드 핀은 구리 박막이 주 재질이며 경우에 따라 합금을 사용해 제작하기도 하며, 제작한 블레이드 핀에 금 도금이나 은 도금한다. 또한 누름 강도 문제로 니켈이 추가되어 제작된다. 형상은 아래 그림 3과 같은 디스플레이 검사용 핀과 S자 형상의 핀 등으로 구분된다. 특히 형상에 따라 고주파 특성이 민감하게 변화하므로 데이터 대역폭에 따라 재질과 형상을 세밀하게 설계하여야 한다. 그림 3은 제작된 블레이드 핀의 사진을 보이고 있다.

Fig. 3.

Photographs of blade pin configurations for display tests

Ⅲ. 블레이드 핀 구조 및 실험 규격

본 장에서는 분석에 사용된 5종 형상의 블레이드 핀 구조를 소개하고, 실험을 위한 핀과 측정 소켓의 재질, 측정 셋업 등을 기술하였다.

3.1 블레이드 핀 구조

아래 그림 4에서 보는 것과 같이 5종의 형상을 갖는 블레이드 핀의 고주파 전송 성능을 분석하였다. 각 블레이드 핀 양단에 입출력 포트를 설치하게 되며 포트면은 직선에 가까운 부드러운 곡면으로 되어 있다. 그림 4(a)의 S0 블레이드 핀은 직선형으로 구성되어 있으며, 그림 4(b)-(e)의 블레이드 핀은 굴곡의 개수에 따라서 각각 S2, S4, S6, S8로 구분하였다. 측정 시 핀이 양쪽으로부터 받는 누름 강도에 의해 핀이 길이 방향으로 수축되는데 이를 완충하기 위해 S자형의 곡선 형상으로 디자인하였다. 곡선의 개수에 따라 고주파수 전송 특성에 차이가 발생하며 수축 시 특성 유지 및 강도 유지 등의 차이가 발생한다. 그림에서 보이는 블레이드 핀의 형상은 옆면을 기준으로 하며 모두 0.1mm의 두께를 가지고 있다.

Fig. 4.

Blade pin configurations for measurements

3.2 실험 조건 및 규격

실험을 위해 3.1절에서 제시한 5종의 형상을 각각 측정하였다. 신호의 전송 특성 측정을 위해 동일한 블레이드 핀으로 각각 신호선(S, Signal Line)과 접지선(G, Ground Line)으로 구분하였다. 신호선과 접지선의 배치는 그림 5(a)와 같이 중앙에 신호선(S)을 배치하고 직사각형 형태로 4개의 접지선(G)을 배치하였다. 각 선의 간격은 0.35mm로 동일하게 유지하였으며, 수평 방향의 접지선 간 간격은 1.49mm, 수평 방향 접지선 간 간격은 0.59mm로 설정되었다. 수평 방향의 접지면 중심을 연결한 직사각형 면이 시뮬레이션을 위한 포트면(Port surface)으로 설정되었다.

Fig. 5.

Measurement setup

시뮬레이션 측정을 위한 블레이드 핀 5개는 모두 동일한 형상의 핀을 동시에 사용하며, 블레이드 핀 양단에 동일한 포트가 설정된다. 여기서 블레이드 핀은 구리로 되어 있으며, 둘러싸고 있는 물질은 Ultem1000으로 설정하였고, 이의 3차원 형상을 그림 5(b)에서 보이고 있다. 실험에 사용한 블레이드 핀은 알루미늄 재질로 설정되었고, 핀을 꽂게 될 소켓의 재료는 Ultem1000으로 설정하였다. 사용된 재질의 규격을 표 1에서 정리하였다.

Table 1.

Material specification for blade pin simulation

Ⅳ. 블레이드 핀 구조에 따른 고주파 전송 성능 측정

본 장에서는 3장에서 기술된 5종의 블레이드 핀 형상별로 고주파 특성 분석 결과를 기술하였다. 분석은 AnSys사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하였으며, 주파수는 0-60GHz까지의 전송 특성을 S-parameter로 분석하였다. 신호의 매칭 특성을 나타내는 S11의 기준은 –10dB 이하를 유지하는 주파수를, 전송 손실 특성을 나타내는 S21 기준은 -3dB 이하를 유지하는 주파수를 측정하여 비교하였다. 그림 6(a)-(e)에 각 블레이드 핀의 형상 별 전송 특성 시뮬레이션 결과를 나타내었다.

Fig. 6.

Microwave transmission performance for blade pin configuration

그림 6의 측정 결과를 바탕으로 각 블레이드 형상 별 성능 측정 결과를 기준값이 되는 S11 < -10dB, S21 < -3dB의 대역폭(Bandwidth: BW)을 표 2에서 정리하였다.

Table 2.

Comparison of microwave performance for blade pin configuration

표에 표시된 각 대역폭은 S11이 -10dB 이하를 만족하기 위해 0Hz로부터의 주파수 대역폭을 나타낸 것과 S21이 -3dB 이하를 만족하는 0Hz로부터의 주파수 대역폭을 나타내고 있다. 전송 특성을 나타내는 S21 기준으로는 S0 형상이 32.40GHz로 가장 높은 주파수를 나타내었으며, 그 다음으로는 S2와 S6 형상이 각각 28.29GHz와 28.84GHz를 나타내었다. S11 기준으로는 역시 직선형의 S0 모델이 1.64GHz로 가장 높은 주파수를 나타내었으며, 그 다음으로는 S2 형상이 1.47GHz를 나타내었다.

높은 주파수로의 전송 특성이 직선형 블레이드 핀에서 우수한 것은 직관적으로 당연한 것일 수 있으며, 앞서 기술한 바와 같이 누름 압력을 고려하여S자형 굴곡이 있는 블레이드 핀을 설계하기 위해 비교 과정으로 판단할 때 굴곡의 갯수가 증가함에 따라 대체로 대역폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 측정 분석 결과 S자 굴곡 8개인 S8 모델까지 대체로 양호한 대역폭 특성을 나타냄을 보였다.

실험 결과를 바탕으로 앞서 분석한 정량적 분석 이외에 블레이드 핀의 실제 활용을 위해 전송 특성을 정성적 분석할 필요가 있다. 이는 광대역의 전송 신호가 주파수 또는 데이터율(속도)에 따라 일정한 전송 특성을 가져야 하는 점이다. 주파수별 특성이 일정하게 측정되어야 측정용 소켓에 장착하여 정밀한 특성이 가능하다. 모든 핀의 형상이 약 5GHz 인근에서 감쇄가 발생하는 특징을 가지며, S자 굴곡이 증가함에 따라 높은 주파수에서 특성 변화가 증가하는 특성은 나타내고 있다.

이는 S자 굴곡에 의한 선로간 간섭 영향으로 발생한 것으로 보인다. 따라서 가능한 굴곡의 갯수를 줄이면 최대한 높은 데이터율의 측정 데이터나 고주파 아날로그 신호의 전송이 가능하다는 해석이 가능하다.

S자형 굴곡 갯수의 설정은 본 연구에서의 전기적 특성 분석과 별개로 기계적인 누름 압력에서의 핀 강도, 복원성, 측정의 정확도 등을 함께 고려해야 하는 사항이므로 본 연구의 결과와 함께 고려할 필요가 있다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 5G 이동통신용 광대역 신호 전송 및 트리플 카메라 등에 사용하는 측정용 소켓에 사용하는 블레이드 핀의 형상별 고주파 전송 특성을 분석하였다. 블레이드 핀은 광대역 소형 특성을 가지고 있으며 측정시 누름 강도에 유연하게 반응하기 위한 굴곡 구조를 요구한다. 본 분석 결과 굴곡의 수가 증가함에 따라 전기적 신호 전송 성능은 감소되는 특성을 가지며, S21 3dB의 손실을 기준으로 약 20GHz의 전송 특성을 요구한다고 할때 블레이드 핀의 S자형 굴곡 8개까지 대체로 양호한 특성을 나타내었다. 또한 굴곡 증가에 따른 대역 평탄도 등의 특성 열화가 나타났다. 블레이드 핀의 성능 분석은 이 외에도 재질과 굴곡의 반경, 굵기 및 누름시 특성 등을 비교 분석하여야 모든 환경에서 최적의 동작 특성을 얻을 수 있는 매우 까다로운 분석 요건을 가지고 있다. 추후 이와 관련된 폭넓고 심도 있는 연구가 추가로 수행되어야 할 것으로 보이며, 이 같은 연구를 통한 광대역 시스템의 미세 측정 및 공정 기술에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 논문은 2022년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업과 순천향대학교 학술연구비의 결과입니다(2021RIS-004)

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