KR100303536B1 - 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
고집적 미소커넥터는 고집적 다수전극을 일대일로 동시ㆍ개별 접속하기 위한 것으로, 실리콘 기판을 미세가공하여 접속하고자 하는 고집적 다수전극과 동일간격, 동일개수의 미소보 및 이들의 지지대 그리고 전극과 미소보와의 일대일 정렬을 위한 정렬기준구조물 등을 모두 일체형으로 제작한 실리콘 본체, 미소보의 보호 및 정렬을 용이하게 하기위한 투명덮개를 각각 작성한 후 이들 실리콘 본체와 투명덮개 사이에 실리콘 이격판을 넣어 서로 접합ㆍ연결시킨 것이다. 또한 투명덮개에는 미소보의 과다변형으로 인한 파손을 방지하기 위한 파손방지대가 설치되어 있고, 각 미소보 아래면에는 고집적 다수전극과의 일대일 접속을 위한 금속접점과 미소보 파손여부를 진단할 수 있는 자체진단체가 설치되어 있으며, 이들 접점과 자체진단체는 일체형 실리콘 본체 아래면의 전극에 각각 연결되어 있어 실리콘 본체의 전극과 TAB으로 접속된 유연전선을 통하여 외부와 연결된다. 고집적 미소커넥터를 접속하고자 하는 고집적 다수전극과 평행하게 정렬하여 접근시키면 각 전극과 미소보 끝의 금속접점이 서로 접촉하게 되고, 파손방지대에 의해 더이상 접근할 수 없을 때까지 고집적 미소커넥터를 다수전극에 밀착시키면 미소보의 탄성에 의해 전극과 미소보 끝의 금속접점간의 접촉력이 증가하게 되어 각 전극마다 균일하고 안정된 전기적 접속을 이루게 된다. 한편 접속시 미소보의 파손여부는 자체진단체에 의해 항시 감시할 수 있게 하였다.
Description
제1도는 이 발명에 따른 고집적 미소커넥터의 일 실시예를 도시한 것으로, 고집적 미소커넥터를 이용하여 고집적 다수전극을 접속하기 위한 장치구성을 설명하는 사시도.
제2도는 제1도의 고집적 미소커넥터와 고집적 다수전극간의 정렬(alignment) 및 접속방법을 설명하는 단면도.
제3도는 제1도 또는 제2도의 고집적 미소커넥터의 핵심부인 실리콘 본체의 배면도.
제4도는 제3도의 고집적 미소커넥터의 미소보 및 접점부위 (A)의 부분확대 배면도.
제5도는 제2도의 고집적 미소커넥터와 고집적 다수전극간의 접속부 확대 단면도.
제6도는 제1도 또는 제2도의 고집적 미소커넥터와 고집적 다수전극간의 정렬을 위한 정렬기준구조물 및 정렬방법의 일예를 설명하기 위한 확대 평면도.
제7도는 이 발명에 따른 고집적 미소커넥터의 구조를 작성하기 위한 제조방법의 일실시예로서 마이크로머시닝 제작단계를 설명하기 위한 공정흐름도.
제8도는 이 발명에 따른 고집적 미소커넥터를 이용하여 접속할 수 있는 고집적 다수전극의 배치예.
제9도는 이 발명에 따른 고집적 미소커넥터의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 제8도의 고집적 다수전극열을 접속하기 위하여 제3도의 고집적 미소커넥터를 다수 배열한 상태의 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 파손방지대 6 : 투명덮개
7 : 미소보 지지대 7a~7b : 미소보
7c : 정렬기준구조물 8 : 실리콘 이격판
9a~9b : 금속접점 10 : 자체진단체
이 발명은 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 고집적 다수전극을 일대일로 동시, 개별 접속하기 위한 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
액정화면(LCD), 인쇄회로기판(PCB), 반도체 칩등의 부품은 제조공정 도중, 출고직전 혹은 제품에 영구부착하기 이전에 고집적 전극의 통전시험을 행함으로서 부품의 불량여부를 판정하고 있다. 통전시험시 고집적 전극의 접속을 위해 사용해온 종래의 미소커넥터는 다음의 네 종류로 크게 구분할 수 있다.
1) 유연통전대(flexible zebra strip)
: 고무 등의 유연성 소재로 만든 띠를 따라 얇은 도체층(탄소)과 부도체층을 미소전극의 피치이하 간격으로 번갈아 가며 배열한 유연통전대로서, 통상 얼룩무늬대(zebra strip)라 불리운다. 통전시험시 고집적 전극과 단일 평판전극사이에 유연통전대를 넣고 단일 평판전극과 고집적 전극을 서로 압착시킴으로서, 유연통전대를 매체로한 고집적 전극과 단일 평판전극간의 접속을 형성한다.
2) 코일스프링으로 지시된 금속침(metal pins with coil springs)
: 커넥터 몸체의 한면에 여러개의 수직구멍을 뚫고, 각 구멍마다 볼펜의 경우처럼 코일스프링으로 지지된 금속침을 설치한 미소커넥터이다. 통전시험시 각 수직 금속침의 아래끝을 고집적 전극과 일대일로 대응시킨후, 커넥터 몸체에 하중을 가하면 금속침과 커넥터 몸체사이에 설치된 코일 스프링의 탄성에 의해 전극과 금속침과의 접촉력이 증가하게 된다.
3) 유연 탄성금속선(flexible elastic metal wire)
: 부도체 판위에 홈을 제작하여 다수의 탄성금속선을 고정적 전극면과 경사지게 비스듬히 기울여 설치하고 전극의 흠집(scratch) 방지를 위해 각 금속선의 끝을 구부려 곡률을 형성한 후, 금속선열 위에 설치한 캠(cam)을 이용하여 금속선열을 일제히 밀어내림으로서 고집적 전극과 접속시키게 된다. 현재 실용되는 유연 탄성금속선 커넥터는 직경 125㎛의 구리-베릴륨(copper-beryllium) 함금선을 300㎛ 피치로 배치하고 있다.
4) 실리콘 미소탐침(silicon microprobe)
: 노광전사(lithography) 및 실리콘 기판의 비등방성 식각공정 등의 미세가공법(micromachining)을 이용하여 여러가지 형태의 미소탐침을 가공할 수 있으며, 이와 관련된 종래의 기술은 다음과 같이 크게 두 종류로 세분된다. 첫째는(100) 방향의 실리콘 기판을 이용하여 사다리꼴 단면의 미소보를 제작하는 것이고, 둘째는 (110) 방향의 실리콘 기판을 이용하여 사각단면의 미소보를 제작하는 것이다.
그러나 상기한 종래의 미소커넥터는 다음과 같은 문제점이 있다.
1) 유연통전대를 이용한 고집적 전극접속의 경우 ;
① 고집적 전극의 동시 통전 혹은 동시 단전시험은 가능하나 단위전극별 개별 통전시험이나 선별 통전시험이 불가능하다. 예를들어 액정화면을 시험할 경우, 전극의 개방(open) 불량은 검출할 수 있으나 전극간의 내부단락(short)이나 간섭에 의한 불량은 검출할 수 없게 된다.
② 통전시험시 유연통전대와 고집적 전극간의 균일 접촉을 유지하기 어렵고, 전기적 접속의 균일성 향상을 위해 압착력을 증가시킬 경우 제품자체의 손상을 초래한다.
③ 통전시험시 유연통전대 탄소 등의 도체층에 인해 고집적 전극이 오염(contamination)되기 쉬우며, 이는 검사후 부품을 최종제품에 영구부착시키는 공정에서 전극의 접속불량 및 접촉저항의 불균일 발생의 원인이 된다.
2) 코일스프링으로 지지된 금속침의 경우 ;
① 고집적 전극의 전극별 접속은 가능하나, 금속침을 일렬로 배열할 경우 금속침의 직경에 의해 커넥터당 금속침의 개수와 금속침간의 최소피치(pitch)가 제한된다. 이 경우 대개 커넥터당 금속침 개수가 10개 이하이고 금속침간의 최소피치가 1.3㎜ 이상인 경우가 대표적이다.
② 고집적 전극의 경우 다수의 금속침열(metal pin array)을 서로 어긋나게 배치하여 전극간 최소피치를 줄일 수 있으나 커넥터의 구조가 복잡해지고 부피가 커진다.
③ 금속침 및 코일스프링 그리고 이들을 위한 설치홈의 정밀가공 등으로 인해 제작비가 많이든다.
④ 통전시험시 금속침에 의해 전극에 흠집이 발생하기 쉬우며, 이는 완제품 조립시 전극의 접속불량 원인이 된다.
3) 유연 탄성금속선 커넥터가 고집적 전극에 접속되는 경우 ;
① 커넥터 전극간의 최소피치는 탄성금속선의 굵기에 의해 제한되고, 고집적 전극을 접속하기 위해서는 다수열의 탄성금속선을 서로 어긋나게 배치하여야 하므로 커넥터 구조가 복잡해지고 부피가 커진다.
② 탄성금속선 끝에 곡률을 형성하는 공정이 까다롭고 각 금속선마다 곡률의 정확성과 균일성을 유지하기 어렵다.
③ 탄성금속선 고정을 위하여 부도체판에 다수개의 미소홈을 가공함에 있어서 치수 및 간격의 정확성과 균일성이 요구되고, 탄성금속선의 조립시 금속선간의 정렬문제가 발생한다.
④ 균일한 접속을 위하여 탄성금속선에 하중을 가하게 되는데 반복사용시 금속선의 변형으로 인해 금속선 끝의 접점부의 높이와 피치가 변화될 수 있으며, 이 경우 고집적 전극과 금속선간의 일대일 접속 및 정렬문제가 발생한다.
⑤ 매검사시 금속선의 파손 및 손상여부를 조사하여야 한다.
⑥ 탄성금속선과 외부 계측시스템과의 연결을 위하여 또다른 형태의 미소커넥터를 사용하여야 하며, 이로인해 접속의 불균일이 발생할 우려가 있다.
4) 실리콘 미소탐침의 경우 ;
① (100) 방향의 실리콘 기판을 이용한 종래의 미소보 제작공정을 응용하여 액정화면 등의 고집적 전극용 미소보를 만들 경우,
: 400~500㎛ 두께의 통상적인 실리콘 기판을 사용하여 최소폭 100㎛의 미소보를 제작하는 경우, 미소보의 최소피치를 600~800㎛ 이내로 줄이는 것이 불가능하여 피치 200㎛ 정도의 액정화면 고집적 전극용 미소커넥터를 만들 수 없다. 그리고, 최소폭 100㎛, 피치 200㎛의 미소보를 제작하기 위해서는 비등방성 식각공정의 특성으로 인해 미소보의 두께는 70㎛ 이하가 요구되므로 통상적인 실리콘 기판의 두께중 80~85% 이상을 제거하여야 한다는 추가공정의 부담이 있으며 실리콘 기판 두께가 70㎛ 정도인 경우 제조공정중 파손될 우려가 많아 취급이 곤란하다.
② (110) 방향의 실리콘 기판을 이용한 종래의 미소보 제작공정을 이용하여 액정화면 고집적 전극용 미소보를 만들경우
: 400~500㎛ 두께의 통상적인 실리콘 기판을 사용하는 경우, 미소보간의 간격을 수십㎛ 정도로 밀침시킬 수 있으나, [111] 면과 [111]면에 의해 정의되는 미소보의 각면이 70.52° 혹은 109.48°각도로 교차되어 미소보 길이 방향이 고집적 전극의 길이 방향과 약 70° 어긋나게 되므로 (110) 평면상에 볼때 사각단면의 미소보가 평형사변형 형태로 비스듬하게 뻗어나가게 된다. 그리고, 미소보의 길이 방향과 고집적 전극의 길이 방향간의 어긋남으로 인해 고집적 전극과 미소탐침의 정렬이 난이해질 뿐 아니라 별도 정렬표시의 작성 혹은 기존 고집적 전극의 TAB(Tape Automated Bonding) 정렬표시(align mark)를 이용할 경우 이의 수정이 요구된다.
따라서 이 발명의 목적은 상기한 종래의 단점을 해결하기 위한 것으로서, 평면화상기(flat screen display), 인쇄회로기판(printed circuit board), 반도체칩(semiconductor chip)등의 고집적 다수전극을 일대일로 동시, 개별접속하기 위한 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 접속하고자 하는 고집적 다수전극과 동일간격, 동일개수의 미소보와, 상기한 미소보의 바탕이 되는 미소보 지지대와, 고집적 다수전극과 상기한 미소보와의 일대일 정렬을 위한 정렬기준구조물과, 상기한 미소보의 끝 부분에 설치되어 전극과 접촉하는 금속접점과, 상기한 미소보의 파손여부를 판단할 수 있는 자체진단체와, 상기한 미소보 지지대상에 있으며 외부 계측 시스템과 TAB 접속을 위한 접점용 전극과, 상기한 자체진단체와 연결된 한쌍의 차체진단용 전극과, 외부 계측시스템과 연결하는 유연전선과 상기한 접점용 전극 및 상기한 자체진단용 전극과의 TAB 접합시 사용하기 위한 정렬표시와, 상기한 금속접점과 상기한 전극을 상기한 미소보를 따라 각각 일대일로 연결하는 금속배선과, 상기한 미소보 및 상기한 정렬기준구조물을 보호하고 상기한 정렬기준구조물과 외부의 TAB 정렬표시간의 정렬을 용이하게 하기 위한 투명덮개와, 상기한 투명덮개의 아래면 끝부분에 있으며 상기한 미소보의 과다변형을 방지하는 파손방지대와, 상기한 미소보 지지대와 상기한 투명덮개 사이를 연결하고 접합하기 위한 실리콘이격판으로 이루어진다.
상기한 목적을 달성하기 위한 또다른 수단으로서 이 발명의 제조방법은, 양면가공된 (110) 방향면의 실리콘 기판의 윗면 일부를 비등방식각하여 각변이 (110) 결정면과 (111) 결정면의 교차선으로된 육각형 방향표시물을 형성하는 단계와, 실리콘기판 양면에 열산화막을 기르는 단계와, 노광전사 및 화학적 식각 공정을 이용하여 실리콘기판 윗면의 열산화막 일부를 식각하여 미소보, 정렬기준구조물을 형성하기 위한 식각 방지층을 만드는 단계와, 가공된 열산화막 위에 티타늄 등의 금속박막을 크베이포레이션 또는 스푸터링 공정으로 형성한 후 패터닝하여 금속배선 및 자체진단체, 이들의 접점용 전극 및 자체진단용 전극 그리고 정렬기호를 동시에 패터닝 또는 리프트-오프하는 단계와, 윗면에 감광제 또는 포리이미드 등의 두꺼운 부도체층을 도포한 후 금속접점 형성을 위하여 원하는 금속접점의 직경보다 작은 직경의 구멍을 패터닝 해내는 단계와, 실리콘 기판 전체를 니켈 전해욕조에 담그고 형성된 금속배선, 자체진단체 그리고 접점용 전극 및 자체진단용 전극을 사용하여 전해도금 함으로서 니켈 금속접점 등을 형성하는 단계와, 형성하였던 부도체층을 제거하고 형성한 산화막을 식각 방지층으로 하여 실리콘 기판의 노출부분을 KOH(potassium hydroxide), EDP(EthylenDiamine Pyrocatechol water) 등의 용액으로 실리콘 기판을 비등방 식각함으로서 미소보, 정렬기준 구조물 그리고 미소보 지지대의 구조를 일체형으로 동시에 형성하는 단계와, 실리콘 기판의 식각공정이 완료된 후, 실리콘 기판 아래면의 열산화막을 제거하고 정수로 세척하여 실리콘 본체를 완성하는 단계와, 먼저 완성된 실리콘 본체의 미소보 지지대와 투명유리판 사이에 실리콘 이격판을 넣고 양극접합 혹은 접착제를 이용한 방식으로 접합한 후, 미소커넥터상의 자체진단용 전극, 접점용 전극과 유연전선을 TAB 공정으로 부착함으로서 외부의 검사 및 측정시스템과 미소커넥터간의 연결을 완성하는 단계로 이루어진다.
상기한 구성에 의하여, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
이 발명은 (110) 방향면의 실리콘 기판을 사용하여 미소커넥터용 미소보를 제작하되, 실리콘 결정면에 따른 비등방성 식각 특성을 이용하여 (110)면과 교차하는 다수의 (111)면의 방향중 특정의 방향을 취하여 미소보의 방향과 일치시킴으로서 고집적 전극의 길이 방향과 어긋남이 없이 동일 방향으로 곧게 뻗어나가는 사각단면의 고집적 미소보를 최대높이 400~500㎛ 기준으로 폭 10~200㎛, 피치 70~250㎛의 미소보 80~200개를 하나의 모듈로 동시 제작할 수 있으며, 기존 고집적 전극의 TAB 정렬표시를 이용하여 전극과 미소보와의 정렬을 위한 정렬기준구조물을 설치하고, 투명유리 기판을 사용하여 미소구조물을 보호함과 동시에 정렬작업의 효율성을 꾀하였으며, 고집적 전극과의 안정된 전기적 접속을 위해 미소커넥터의 금속접점 끝에 곡률을 형성하고 표면을 금도금하였고, 미소커넥터의 전극을 외부 제어계측기기와 연결하기 위하여 유연전선을 TAB 처리하였다.
또한 미소보에 자체진단체를 설치하여 파손여부를 항시 검진할 수 있게 하였고, 고집적 전극간의 높이편차를 극복하고 안정된 접속을 유지하기 위해 필요한 최소한의 접촉력을 고려하여 적정 높이의 파손방지대를 설치함으로서 필요이상의 접촉력 증가를 방지하고 보의 파손을 극소화 하였다.
제1도 및 제2도는 이 발명에 따른 미소커넥터의 일실시예로서, 액정화면 패널의 고집적 전극을 접속하기 위한 장치 구성의 사시도 및 단면도를 각각 도시한 것이다. 먼저 접속하고자 하는 액정화면 고집적 전극들(3a)~(3b)는 상부패널(2) 아래, 하부패널(1)의 윗면상에 존재하며 양끝쪽 전극(3a), (3b) 옆에 TAB을 위한 정렬표시(3c)~(3d)가 각각 형성되어 있다. 이 발명에 따른 액정화면 패널용 미소커넥터는 크게 다음 세부분의 접합체로 구성되어 있다.
가) 실리콘본체
: 실리콘본체는 제1도에 도시한 바와 같이 액정화면 패널의 고집적 미소전극들(3a)~(3b)와 동일간격, 동일개수의 미소보(7a)~(7b) 및 이들의 지지대(7), 그리고 액정화면 패널상의 TAB 정렬표시(3c), (3d)와 각각 짝을 이루는 정렬기준구조물(7c), (7d)로 구성되어 있으며, 이들 미소구조물 모두 (110) 방향의 실리콘 기판을 가공하여 일체형으로 제작하였다.
또한 각 미소보(7a)의 아래면 끝에는 제2도, 제3도 또는 제4도에 도시한 바와 같이, 금속접점(9a)와 미소보 파손 여부를 판단할 수 있는 자체진단체(10)이 각각 설치되어 있으며, 금속접점(9a)는 제3도 또는 제4도에 도시한 바와 같이 미소보(7a)를 따라 설치된 금속배선(11a)에 의해 미소보 지지대(7) 위에 접점전극(13a)와 일대일로 연결되어 있고, 모든 미소보에 걸쳐 설치된 자체진단체(10)은 자체진단용 전극(12)에 연결되어 있다.
한편 제3도의 미소보 지지대(7)에 설치된 접점전극들(13a)~(13b)와 한쌍의 자체진단용 전극(12)는 제1도 또는 제2도에 도시한 바와 같이 유연전선(14a)~(14b)과의 TAB(31)을 통해 외부의 패널검사 및 측정시스템(15)와 연결되어 있으며, 제3도의 (28a), (28b)는 유연전선(14a)~(14b)과 실리콘본체의 전극(12), (13a)~(13b)과의 TAB 접합시 사용하기 위한 정렬표시이고, 미소커넥터상의 고집적 전극의 폭과 피치는 액정화면 패널상의 고집적 전극과 동일하게 하였다.
나) 투명덮개
: 제1도 및 제2도에 도시한 유리판 투명덮개(6)은 실리콘 본체의 미소구조물(7a)~(7b), (7c), (7d) 등을 보호하고 정렬기준 구조물(7c), (7d)와 액정화면 패널상의 TAB 정렬표시(3c), (3d)간의 정렬을 용이하게 하기 위한 것으로, 투명덮개(6)의 아래면 끝부분에는 미소보의 과다변형을 방지하는 파손방지대(5)를 설치하였다. 파손방지대(5)의 높이결정 방법은 작용 부분에서 상세히 기술한다.
다) 실리콘 이격판
: 제1도의 (8)은 실리콘 본체의 미소보 지지대(7)와 투명덮개(6) 사이를 연결, 접합하기 위한 실리콘 이격판으로서, 그 두께(32)는 제2도에 도시한 바와 같이 미소보(7a)의 최대변위(29)보다 두껍게 하며, 실리콘 이격판 두께 결정방법은 작용 부분에서 상세히 기술한다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 실시예에 따른 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법의 작용은 다음과 같다.
이 발명에 따른 미소커넥터의 작용을 설명하기 위해 미소커넥터를 이용하여 액정화면 패널의 고집적 전극을 접속하는 경우를 예시한다.
먼저, 제2도에 도시한 바와 같이 액정화면 패널(1), (2)를 검사대(4) 위에 놓고 미소커넥터를 지지대(24)와 (25) 사이에 넣은후 망원경(16)을 이용하여 투명덮개(6)을 통해 관찰하여 제1도의 액정화면 패널의 정렬표시(3c), (3d)와 미소커넥터 본체의 정렬기준 구조물(7c), (7d)가 제6도처럼 일치된 상태에서 미소커넥터 좌우 양측면의 나사 제2도 (26)과 뒷쪽의 나사 제2도 (27)을 고정시킨다.
그 다음 제2도에 도시한 바와 같이 액정화면 패널 검사대(4) 또는 미소커넥터 지지대(24)를 상하로 이동시켜 미소보(7a)와 미소전극(3a) 면을 평행하게 접근시키면 미소보(7a) 끝의 금속접점(9a)와 미소전극(3a)가 접속하게 되고, 미소보(7a)와 미소전극(3a)가 파손방지대(5)에 의해 더 이상 접근할 수 없을 때까지 밀착시키면 미소보(7a)의 탄성에 의해 금속접점(9a)와 미소전극(3a)간의 접촉력(contact force)이 증가하게 되어 각 전극마다 균일하고 안정된 전기적 접속을 얻을 수 있다.
이같이 하여 제1도의 고집적 전극(3a)~(3b)와 미소보(7a)~(7b) 밑면의 금속접점을 각각 개별 접속시킨 후 액정화면 패널검사 및 측정시스템(15)을 사용하여 각 전극별 통전시험을 행하여 액정화면 패널의 불량여부를 시험하게 되며, 시험도중 미소보의 파손여부는 자체진단체 단자간의 단락여부로 판단할 수 있다.
한편, 금속접점(9a)와 액정화면 전극(3a) 사이의 안정된 전기적 접속을 유지하기 위해서는 접촉부 위의 접촉하중 F를 일정크기 이상으로 유지해야 하나, 접촉하중이 너무 크게 되면 액정화면 전극(3a) 또는 미소보(7a)가 파손될 우려가 있으므로 접촉하중을 정해진 범위안에 있도록 조정하여야 한다. 여기서 접촉하중은 미소커넥터 미소보(7a)의 강성과 변형정도에 의해 그 크기가 결정되는데, 각 미소보의 강성을 서로 동일하게 설계, 제작하더라도, 액정화면 상부패널(1)과 하부패널(2), 그리고 고집적 미소전극(3a)의 현실적 두께편차, 표면굴곡오차 등의 이유로 각 미소보마다의 변형량이 달라지게 되므로 각 접점간의 접촉하중 역시 달라지게 된다.
따라서, 접촉하중 F를 조절함에 있어서 모든 금속접점에서의 접촉하중률의 최소치가 Fmin이 되게 하고 최대치가 Fmax보다 작게 유지하여야 한다(110). 실리콘 기판을 가공하여 제작한 사각단면 미소보(7a)의 경우, 미소보(7a)의 영계수, 길이, 두께, 폭을 각각 E, L, h, b라 하고 액정화면 패널과 전극의 두께편차 및 표면굴곡 오차의 최대치를 δ라 할 때, 접촉하중 F는 오일리보 이론에 의해 다음과 같이 주어진다.
여기서 접촉하중의 하안 Fmin은 안정된 전기적 접속을 유지하기 위한 최소한의 접촉하중으로 이는 실험에 의해 결정된다. 또한 미소보(7a)의 파손을 방지하기 위해서는, 접촉하중 F에 대한 미소보(7a)의 최대굽힘 응력 σmax가 재료의 인장감도 σy보다 작아야 한다는 조건을 부가적으로 고려해야 한다.
따라서 미소커넥터의 접촉하중 조절을 위해서는 미소보의 길이, 두께, 폭을 (식 1)과 (식 2)를 동시에 만족하는 치수로 결정해야 하며, 이경우 미소보의 금속접점의 총변위 Δ는 다음과 같이 표시된다.
여기서 Fmin은 안정된 전기적 접속을 유지하기 위해 요구되는 최소한의 접촉하중이며, δ는 액정화면 패널과 전극의 두께편차 및 표면굴곡 오차의 최대치이다.
한편, 제2도의 파손방지대(5)의 높이는 접속시 미소보의 금속접점의 최대변위(29)가 (식 3)의 Δ가 되게끔 결정하며, 실리콘 이격판(8)의 두께(32)는 최소한 Δ보다 크게 결정한다. 제1도의 정렬기준 구조물(7c), (7d)의 구조와 치수는 액정화면 고집적 전극의 TAB 정렬기호(3c), (3d)와 제6도처럼 정렬될 수 있도록 정한다.
이상의 방법으로 미소보(7a)~(7b)의 길이, 두께, 폭, 그리고 파손방지대(5)의 높이, 실리콘 이격판(8)의 두께, 정렬구조물(7c), (7d)의 구조 및 치수를 결정하면, 제2도에 예시한 액정화면 패널용 고집적 전극접속의 경우, 소커넥터와 고집적 전극(3a)를 파손방지대에 의해 더이상 접근시킬 수 없을때까지 접촉시킴으로서 액정화면 패널 및 전극에 내재하는 각종 기하학적 오차를 극복함과 동시에 미소보가 파손되지 않는 조건하에서 미소커넥터 접점과 고집적 전극간의 안정된 전기적 접속을 얻을 수 있다.
제7도는 이 발명에 따른 고집적 미소커넥터의 구조를 형성하기 위한 제조방법의 일실시예로서, 제3도에 도시한 실리콘본체 제조공정의 각 처리단계를 설명하기 위해 미소보(7a)~(7b) 및 정렬기준구조물(7c), (7d)의 금속접점들을 이은 가상선을 따라 절단한 단면부를 예시한 것이다.
(가) 양면가공(double-side polished)된 (110) 방향면의 실리콘 기판(17)의 윗면 일부를 비등방식각(anisotropic etching)하여 각변이 (110) 결정면과 (111) 결정면의 교차선으로된 육각형 방향표시물을 형성한다.
(나) 실리콘기판(17) 양면에 열산화막(18)을 기른다.
(다) 노광전사(lithography) 및 화학적 식각 공정을 이용하여 실리콘기판(17) 윗면의 열산화막 일부를 식각하여 제3도의 미소보(7a)~(7b), 정렬기준구조물(7c), (7d)를 형성하기 위한 식각 방지층을 만든다. 이때 처리단계 (가)에서 형성해둔 육각형 방향표시물을 이용하여 (110) 방향의 실리콘 기판면 상에서의 특정 (111)면의 방향과 미소보 길이 방향을 일치시킴으로서 제3도와 같은 형상의 실리콘 본체가 형성되도록 한다. 제7도 처리단계 (다)에서 형성한 열산화막(21a)~(21b)는 제3도의 미소보(7a)~(7b)를 형성하기 위한 식각방지층으로 이용됨과 동시에 이들 미소보에 설치될 금속접점(9a)~(9b), 금속배선(11a)~(11b), 자체진단체(10)등의 절연막으로도 사용된다.
(라) 가공된 열산화막(21a)~(21b) 위에 티타늄(Titanium) 등의 금속박막을 크베이포레이션(cvaporation) 또는 스푸터링(sputtering) 공정으로 형성한 후 패터닝(patterning)하여 제3도의 금속배선(11a)~(11b) 및 자체진단체(10), 이들의 전극(13a)~(13b) 및 (12) 그리고 정렬기호(28a), (28b)를 동시에 패터닝 또는 리프트-오프(lift-off)한다.
(마) 윗면에 감광제(photoresist) 또는 포리이미드(polyimide) 등의 두꺼운 부도체층(22)을 도포한 후 제4도의 금속접점(9a) 형성을 위하여 원하는 금속접점(9a)의 직경보다 작은 직경의 구멍(23)을 패터닝해낸다.
(바) 처리단계 (마) 이후 실리콘 기판 전체를 니켈 전해욕조에 담그고 처리단계 (라)에서 형성한 금속배선(11a)~(11b), 자체진단체(10) 그리고 전극(13a)~(13b) 및 (12)를 전극으로 사용하여 전해도금함으로서 니켈 금속접점(30a)~(30b) 등을 형성한다.
이때 전해도금은 처리단계 (마)에서 형성한 구멍(23)의 아래부분 즉 금속도선(20) 윗부분에서 부터 시작되어 구멍(23)을 메우면서 올라오게 되고, 전해도금된 금속이 구멍(23)을 완전히 메우고난 후에도 전해도금을 계속하면 구멍(23)의 입구에서의 전장분포 특성에 의해 접점(30a)~(30b) 끝부분에 곡률이 형성된다.
그 이후 접점의 전기적 접속성 향상을 위해 니켈접점(30a)~(30d) 끝에 금도금을 하여 금속접점(9a)~(9d)를 완성한다. 이러한 제조방법으로 금속접점을 제작하여 접점(9a)~(9b) 끝에 곡률을 형성함으로서 고집적 전극과의 접속시 전극의 손상(scratch)을 최소화하고 전기적 접속의 안정성 향상을 꾀하였다.
(사) 처리단계 (마)에서 형성하였던 부도체층(22)를 제거하고 처리단계 (다)에서 형성한 산화막(21a)~(21b)을 식각 방지층으로 하여 실리콘 기판의 노출부분(19)을 KOH(potassium hydroxide), EDP(EthylenDiamine Pyrocatechol water) 등의 용액으로 실리콘 기판을 비등방 식각함으로서 제3도의 미소보(7a)~(7b), 정렬기준 구조물(7c), (7d) 그리고 이들의 지지대(7)의 구조를 일체형으로 동시에 형성한다.
종전(110) 방향의 실리콘 기판을 비등방 식각하여 사각단면의 미소보를 제작하는 경우, 통상적으로 평행사변형 형태로 비스듬이 배열된 미소보를 얻었으나, 본 제조공정의 처리단계 (다)에서는 (110) 실리콘 기판면 상의 길이 방향을 제3도에 도시한 것처럼 취함으로서 미소보의 (131)면 끝을 뾰족한 형태로 하는 대신 사각단면 미소보의 길이방향은 고집적 미소전극의 길이방향과 일치하게끔 하였다.
(아) 처리단계 (사)에서 실리콘 기판의 식각공정이 완료된 후, 실리콘 기판아래면의 열산화막을 제거하고 정수(deionized water)로 세척하여 제3도의 실리콘 본체를 완성한다.
제7도 이후 제작공정에서는, 제1도 또는 제2도에 도시한 바와 같이 먼저 완성된 실리콘 본체의 지지대(7)와 투명유리판(6) 사이에 실리콘 이격판(8)을 넣고 양극접합 혹은 접착제를 이용한 방식으로 접합한 후, 제3도의 미소커넥터상의 전극(12), (13a)~(13b)와 제1도 유연전선(14a)~(14b)을 TAB 공정으로 부착함으로서 외부의 검사 및 측정시스템(15)과 미소커넥터간의 연결을 완성한다.
제5도는 완성된 미소커넥터를 이용하여 액정화면 패널 전극(3a)을 접속하는 경우, 금속접점(9a)와 액정화면 패널 전극(3a)간 접속부위의 확대 단면도이며, 제8도 및 제9도는 이 발명에 따른 미소커넥터를 모듈별로 조절함으로서 접속할 수 있는 고집적 전극의 배치예 및 미소커넥터 배열 상태를 각각 설명하는 평면도이다.
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 다음과 같은 효과를 가진 고집적 미소커넥터 및 그 제조방법을 제공할 수가 있다.
1. 미소커넥터 사용의 효과
1) 이 발명에 따른 미소커넥터를 이용하여 LCD, 인쇄회로기판, 반도체칩 등 고집적 전극을 사용하는 부품을 대상으로 이들 부품의 생산공정 도중 혹은 출고직전에 고집적 전극을 동시에 일대일 개별 접속하여 전극별 통전시험을 행함으로서, 공정 및 부품의 불량을 검사할 수 있어 부품의 생산성 및 품질관리의 효율성을 향상시킬 수 있다.
2) 또한 상기 부품들을 최종 부품에 영구부착하기 직전에 전극별 통전시험을 통한 불량품 사전 추출이 가능하여, 조립생산성의 향상과 함께 불량품 조립으로 인한 시간 및 경비소모를 사전에 방지함으로서 최종제품 생산의 경제성을 향상시킬 수 있다.
2. 미소커넥터의 구조적 특징에 의한 효과
1) (110) 방향의 실리콘 기판을 가공하여 형성한 미소보의 길이 방향이 고집적 전극의 길이 방향과 일치하여 미소커넥터와 고집적 전극간의 일대일 정렬이 용이하다.
2) 미소커넥터와 고집적 전극과의 일대일 정렬시 미소커넥터의 정렬기준구조물이 고집적 전극의 기존 TAB 정렬기호를 이용하므로 이의 수정이나 고집적 전극면에 별도의 정렬기호를 작성할 필요가 없다.
3) 미소커넥터와 외부 검사 및 측정시스템의 유연전선을 TAB 접속하게 되어 있어 미소커넥터와 외부 시스템과의 안정된 전기적 접속을 형성할 수있으며, 기존 고집적 전극용 TAB을 미소커넥터용 TAB으로 활용할 수 있어 경제적이다.
4) 투명유리기판을 사용하여 미소커넥터의 미소구조물을 안전하게 보호할 수 있고 투명유리기판을 통하여 미소커넥터와 고집적 전극과의 일대일 정렬을 용이하게 할 수 있다.
5) 미소커넥터의 미소보, 접촉접점, 배선, 자체진단체, 정렬기준구조물, 커넥터용 전극 등이 모두 일체형으로 구성되어 있어 별도의 부품 조립 및 정렬공정이 필요없다.
6) 실리콘 재질의 미소보를 스프링으로 사용하여 미소보의 탄성변형을 조절함으로서 금속접점의 접촉력을 조정할 수 있다.
7) 미소보의 재질이 실리콘이어서 사용중 미소보의 소성변형으로 인한 금속접점의 높이 및 피치변환의 우려가 없다.
8) 자체진단체가 설치되어 있어서 미소커넥터 사용도중 미소보의 파손여부를 전기적으로 자동검사할 수 있다.
9) 고집적 전극간의 높이 오차 및 액정화면 패널 등 전극기판의 불균일성을 고려하여 미소보의 치수, 파손방지대 높이, 실리콘 이격판의 두께등을 결정함으로서 금속접점과 고집적 전극간의 안정된 전기적 접촉을 얻을 수 있다.
3. 미소커넥터 제조방법의 특징에 의한 효과
1) (110) 방향의 실리콘 기판면 상에서 실리콘 결정방향과 미소보의 길이방향과의 상대각도를 조절함으로서 비등방 식각공정을 이용하여 미소보의 길이방향이 고집적 전극의 길이방향과 일치하는 사각단면의 미소보를 형성할 수 있다.
2) 상기 1)의 특징을 이용하여 기존 전극의 TAB 정렬기호를 활용할 수 있는 단순하고도 효과적인 정렬기준구조물의 구조를 형성할 수 있다.
3) 미소커넥터의 주요 구성요소인 미소보 및 지지대, 정렬기준 구조물, 금속접점, 배선, 미소커넥터용 전극등을 모두 한장의 기판상에 일체형으로 구성할 수 있으므로 이들 주요 요소들의 제조공정을 단순화할 수 있고 요소들간의 정렬이나 별도 조립공정을 생략할 수 있다.
4) 두꺼운 절연막과 노광전사 그리고 전해도금을 이용하여 금속접점의 제조 및 접점 끝에 곡률을 형성하는 공정을 일원화 및 단순화시킬 수 있으며, 금속접점과 고집적 전극의 접속시 흠집(scratch)을 최소화하고 전기적 접속성을 향상시킬 수 있다.
이 발명의 이러한 효과는 액정화면, 인쇄회로기판, 반도체 칩용 고집적 전극의 단위전극별 통전시험 및 검사, 전자ㆍ통신용 고집적 릴레이(relay), 미소접속단자 및 미소스위치, 컴퓨터ㆍ전자제품용 신호검출 및 기록헤드, AFM(Atomic Force Microscope) 및 STM(Scanning Tunneling Microscope)용 미소탐침(microprobe), 미소격자(microgrid), 미소채널(microchnnel), 근육자극(stimulation)용 신호전달 및 신경신호 감지용 미소탐침의 구성 및 제조에 응용할 수 있다.
Claims (10)
- 접속하고자 하는 고집적 다수전극과 동일간격, 동일개수의 미소보와, 상기한 미소보의 바탕이 되는 미소보 지지대와, 고집적 다수전극과 상기한 미소보와의 일대일 정렬을 위한 정렬기준구조물과, 상기한 미소보의 끝 부분에 설치되어 전극과 접촉하는 급속접점과, 상기한 미소보의 파손여부를 판단할 수 있는 자체진단체와, 상기한 미소보 지지대상에 있으며 외부 계측 시스템과 TAB 접속을 위한 접점용 전극과, 상기한 자체진단체와 연결된 한쌍의 자체진단용 전극과, 외부 계측시스템과 연결하는 유연전선과 상기한 접점용 전극 및 상기한 자체진단용 전극과의 TAB 접합시 사용하기 위한 정렬표시와, 상기한 금속접점과 상기한 접점용 전극을 상기한 미소보를 따라 각각 일대일로 연결하는 금속배선과, 상기한 미소보 및 상기한 정렬기준구조물을 보호하고 상기한 정렬기준구조물과 외부의 TAB 정렬표시간의 정렬을 용이하게 하기 위한 투명덮개와, 상기한 투명덮개의 아래면 끝부분에 있으며 상기한 미소보의 과다변형을 방지하는 파손방지대와, 상기한 미소보 지지대와 상기한 투명덮개 사이를 연결하고 접합하기 위한 실리콘이격판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터.
- 제1항에 있어서, 상기한 미소보와 상기한 미소보 지지대와 상기한 정렬기준구조물이 일체형 실리콘 본체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 실리콘 재질의 상기한 미소보를 스프링으로 사용하고, 상기한 미소보의 탄성변형의 조절을 위해 상기한 금속접점의 접촉력을 조절하는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 실리콘 이격판의 아래면에 실리콘 본체의 상기한 미소보 지지대를, 윗면에 상기한 투명덮개를 각각 부착하여 일체형으로 구성함을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상하 양면으로 형성된 다수의 고집적 전극이나 상하 좌우로 반복배열된 다수의 고집적 전극에 접속할 수 있는 다수의 고집적 미소커넥터의 배열방법을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터.
- 양면가공된 (110) 방향면의 실리콘 기판의 윗면 일부를 비등방식각하여 각변이 (110) 결정면과 (111) 결정면의 교차선으로된 육각형 방향표시물을 형성하는 단계와, 상기한 실리콘기판 양면에 열산화막을 기르는 단계와, 노광전사 및 화학적 식각 공정을 이용하여 상기한 실리콘기판 윗면의 상기한 열산화막 일부를 식각하여 미소보, 정렬기준구조물을 형성하기 위한 식각 방지층을 만드는 단계와, 가공된 상기한 열산화막 위에 티타늄 등의 금속박막을 크베이포레이션 또는 스푸터링 공정으로 형성한 후 패터닝하여 금속배선 및 자체진단체, 이들의 접점용 전극 및 자체진단용 전극 그리고 정렬기호를 동시에 패터닝 또는 리프트-오프하는 단계와, 윗면에 감광제 또는 포리이미드 등의 두꺼운 부도체층을 도포한 후 금속접점 형성을 위하여 원하는 금속접점의 직경보다 작은 직경의 구멍을 패터닝 해내는 단계와, 상기한 실리콘 기판 전체를 니켈 전해욕조에 담그고 형성된 금속배선, 자체진단체 그리고 접점용 전극 및 자체진단용 전극을 사용하여 전해도금 함으로서 니켈 금속접점 등을 형성하는 단계와, 형성하였던 상기의 부도체층을 제거하고 형성한 상기의 산화막을 상기의 식각 방지층으로 하여 상기의 실리콘 기판의 노출부분을 KOH, EDP 등의 용액으로 상기의 실리콘 기판을 비등방 식각함으로서 미소보, 정렬기준 구조물 그리고 미소보 지지대의 구조를 일체형으로 동시에 형성하는 단계와, 상기한 실리콘 기판의 식각공정이 완료된 후, 상기한 실리콘 기판 아래면의 열산화막을 제거하고 정수로 세척하여 실리콘 본체를 완성하는 단계와, 먼저 완성된 상기의 실리콘 본체의 미소보 지지대와 투명유리판 사이에 실리콘 이격판을 넣고 양극접합 혹은 접착제를 이용한 방식으로 접합한 후, 미소커넥터상의 자체진단용 전극, 접점용 전극과 유연전선을 TAB 공정으로 부착함으로서 외부의 검사 및 측정시스템과 미소커넥터간의 연결을 완성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 접촉대상체인 고집적 미소전극 및 전극기판의 현실적인 두께편차, 표면굴곡오차, 상기한 미소보의 인장감도 그리고 안정된 전기적 접속을 위해 필요한 최소한의 접촉하중 등을 동시에 고려하여 상기한 미소보의 길이, 두께, 폭과 상기한 파손방지대의 높이 그리고 상기한 실리콘 이격판의 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기한 식각방지층을 만들때, 형성해둔 상기의 육각형 방향표시물을 이용하여 (110) 방향의 실리콘 기판면 상에서의 특정 (111)면의 방향과 미소보 길이방향을 일치시킴으로서 상기의 실리콘 본체가 형성되는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터의 제조방법.
- 제6항 또는 제8항에 있어서, 형성된 상기한 열산화막은 미소보를 형성하기 위한 식각방지층으로 이용됨과 동시에 이를 미소보에 설치될 금속접점, 금속배선, 자체진단체 등의 절연막으로 사용하는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기한 금속접점 형성시, 전해도금은 형성된 상기의 구멍의 아래부분 즉 금속도선 윗부분에서 부터 시작되어 상기의 구멍을 메우면서 올라오게 되고, 전해도금된 금속이 상기의 구멍을 완전히 메우고난 후에도 전해도금을 계속하면 상기한 구멍의 입구에서의 전장분포 특성에 의해 접점 끝부분에 곡률이 형성되고, 그 이후 접점의 전기적 접속성 향상을 위해 니켈접점 끝에 금도금을 하여 금속접점을 완성하는 것을 특징으로 하는 고집적 미소커넥터의 제조방법.
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