[건강한 반도체 이야기] 무병장수를 위한 반도체 패키지 건강 검진항목

요즘 여기저기 봄을 만끽할 수 있는 연노란 산수유, 샛노란 개나리, 연분홍 진달래, 우유 빛깔 목련, 하얀 벚꽃, 매화 등등의 예쁜 꽃들이 피어 나는 걸 보며 진짜 봄이 왔다는 걸 시각적으로 느낍니다. 독자분들은 혹시 아시나요? 위에 언급한 꽃들의 공통점을요. ”예쁘다?” 음, 전형적인 문과생 성향이신 듯하군요. 이과생이라면 다른 답변을 하실 거라 믿습니다. 그렇다면 뭘까요? 이거 지면이라 들을 수도 없네요. ^^ 저도 몰랐는데 제 아이가 초등학교 1학년 때 「슬기로운 생활」에서 배우더군요. (슬기로운 생활은 초등학교 저학년이 배우는 일종의 과학 교과서입니다) 정답은 “푸른 잎보다 꽃이 먼저 핀다.”입니다.

과학적으로 관찰적 사실에 근거한 공통점, 맞지요? 봄이 왔다는 걸 하루라도 빨리 알려주기 위해 나뭇가지에 푸른 잎이 돋아나기도 전, 꽃망울부터 맺고 꽃을 피워 봄소식을 알려주는 사랑스러운 봄꽃들. 이 봄꽃들은 꽃이 다 지고 나서야 그 자리에 푸른 잎들이 돋아난답니다. 그런데 왜 갑자기 꽃 타령이냐고요? 처음 과학이라는 걸 접하는 초등학교 1학년 학생들에게 사물을 바라보는 과학적 시각을 키워 줄 수 있는 것 같아 참 신선하게 다가왔던 내용이라, 함께 여러분과 공유하고 싶었습니다. 이번 달에는 ‘무병장수하는 반도체 패키지 이야기’라 그림이 두 컷에 글밥이 많아 내용이 다소 딱딱해 보이네요. 중간중간에 봄꽃 사진이라도 삽화로 넣어볼까 합니다.

자, 이제 시작해 볼까요? 지난달에는 ‘수분을 싫어하는 반도체 패키지’에 대해 살펴보았고, 이번 달에는 반도체 패키지가 실제 사용환경 아래에서 무병장수하기 위한 건강검진항목들을 살펴보겠습니다. 우리 독자들도 1년에 한 번씩 건강검진을 받으시지요? 건강검진항목을 보면 정말 다양한 항목들이 많다는 것을 아실 겁니다. 그중에는 키, 몸무게, 시력, 청력, 비만도, 혈액검사, 소변검사, X-ray 등과 같은 기본항목이 있는가 하면, 사람에 따라 염려되는 신체 부위 및 질병에 따라 선택적으로 받는 위내시경, 장내시경, 복부초음파, 심장초음파, 심전도 검사 등등의 추가항목이 있고, 검사항목별 건강과 이상 여부를 판정하는 기준들이 있습니다. 반도체 패키지도 기본적으로 검사하는 항목과 기준이 있고, 사용환경 및 어떤 제품에 사용하느냐에 따라 특별 요청으로 진행되는 검사항목들이 있습니다.

기본 신뢰성 테스트항목

제품개발단계나 대량생산하는 데 있어 새로운 구조나 재료 선정, 프로세스 등이 최적화되었는지 패키지 레벨로 확인하는, 가장 기본이 되는 검사항목들을 살펴보면 아래와 같습니다.

 

• TCT (Thermal Cycling Test) 
• THT (Temperature / Humidity Test) 
• HAST (Highly Accelerated Stress Test) 
• HTST (High Temperature Storage Test) 

기본 검사항목들의 내용을 이해하기 위해서는 실제 반도체 패키지가 보드에 실장된 후 어떤 상황에 놓이는가를 살펴볼 필요가 있습니다. 반도체 패키지는 기본적으로 IC chip을 동작시키기 위한 전압과 전류가 흐르면서 IC chip 자체에서 열이 발생하게 되어 패키지의 내부 온도가 올라갑니다. 즉, 반도체 패키지의 수명은 항상 열과 떼려야 뗄 수 없기에 발생하는 열에 대한 기계적, 전기적 신뢰성이 어떠한지 검사해야 하지요. 그래서 위에 언급한 기본항목의 이름이나 조건을 보면 모두 ‘Thermal’ 혹은 ‘Temperature’ 등의 온도에 관한 용어가 들어가며, 일정 고온 조건에서 테스트해서 양/불량을 검사합니다. 자, 하나씩 자세히 살펴볼까요?

▲ 신뢰성 테스트 종류별 온 / 습도 조건 및 Duration Time

TCT (Thermal Cycling Test)

TCT 테스트는 제품 구동 on/off 상황에서 패키지 내부 온도가 올라가거나 내려가는 것뿐만 아니라, 반도체 패키지가 사용되는 사용환경이 영하의 겨울인지, 40도 이상의 여름인지, 혹은 사용되는 지역이 추운 시베리아인지, 뜨거운 적도 근처인지 등의 외부환경에 따라서도 반복되는 고온과 저온 상황을 경험하게 됩니다. 이러한 반복되는 고온-저온에 노출되면 패키지에 사용되는 재료의 열팽창계수가 달라서 위로 불룩하거나 아래로 불룩한 변형(Warpage라고 부름)을 반복적으로 하게 되어 계면 박리나 크랙 등과 같은 불량이 생길 수 있고, 그러한 물리적 결함이 전기적인 신호 path인 solder나 wire interconnection 접합 부분에 과도한 스트레스를 유발해 떨어지게 하여 전기적으로 open 불량이 생기게 됩니다. 이러한 반복되는 고온-저온 노출 실험을 TCT라고 합니다. 가장 범용으로 사용하는 온도 조건은 condition B (-55C / 125C)와 condition C (-65C / 150C)이며, 각각 1000 cycle, 500 cycle을 가해서 규정하는 criteria 범위 내에서 패키지 내 외부 기계적 결함 없어야 하고 전기적 Open/Short test에서 pass 해야 합니다. Condition B는 주로 Substrate를 이용하는 laminated product에, 좀 더 온도 구간 폭이 넓은 condition C는 Cu metal lead frame을 사용하는 L/F product에 적용합니다.

THT (Temperature / Humidity Test)

지난달에 온도-습도 조건에 따른 MRT level test를 소개해 드렸는데요, 목적 및 MRT level 별 조건 및 의미, 다 잊으신 건 아니겠지요? Level 1 조건이 85%/85C에 168hrs이었습니다. 168hrs이 보드실장을 위한 storage/shipping 기간에 해당하는 시간이었다면, 같은 Level 1 온습도 조건에 1000hrs로 장기간 노출한 뒤 TCT와 같이 내외부 기계적, 전기적 결함 없이 pass 해야 합니다. TCT 와 다른 것은 습도 조건이 병행되기 때문에 moisture에 따른 패키지 내 금속 접합부의 Metal Ion Migration 유무에 의한 leakage 불량이나 산화에 따른 High Resistance, open 불량 유무도 평가할 수 있습니다.

HAST (Highly Accelerated Stress Test) 

HAST 테스트는 위에서 설명한 THT 테스트가 1000hrs이 소요되는 조건이라, 날짜로 따지면 대략 42일이 걸리고 그 후에나 신뢰성 결과를 알 수 있습니다. 요즘처럼 6개월 혹은 3개월 만에 신제품들이 시장에 나오는 상황에서 신뢰성 테스트 만을 위해 한 달 반이 걸린다는 것은 비효율적이겠지요? 그래서 85%/85C 조건에서 온도만 더 높여 130C/85%로 가속화시키고 96hrs으로 시간을 단축하여 테스트합니다. 96hrs면 4일에 해당하기 때문에 한 달 반이 길 때는 THT 대신에 HAST를 선호합니다. 평가 내용은 THT와 동일합니다.

HTST (High Temperature Storage Test) 

HTST는 150C 고온에서 1000hrs 동안 노출함으로써 패키지 내부 다양한 이종금속재료 접합부의 IMC (Inter-Metallic Compound) 성장 특성 및 IMC 성장에 따른 접합부의 기계적, 전기적 성능을 평가합니다. 대표적인 이종 금속 재료 접합은 Gold, Silver, Copper 등의 Wire와 Al metal pad 접합, 혹은 Eutectic/Lead Free C4 bump와 Cu Trace 간 접합이 있습니다.

사용환경에 따른 신뢰성 테스트항목

위 기본 조건에 실제 사용환경을 더 반영하거나 좀 더 가속화해서 진행하는 신뢰성 테스트 항목들은 아래와 같습니다.

• TST (Thermal Shock Test) 
• BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test) 
• PCT (Pressure Cooker Test) 

▲ 사용환경에 따른 가속 조건의 신뢰성 테스트 종류별 조건 및 Duration Time

TST (Thermal Shock Test)

TST 테스트는 TCT 테스트가 Air to Air 환경이지만, Liquid to Liquid로 고온-저온부로의 온도변화를 20초 이내로 규정하고 있어 단시간 내 최악의 열충격을 주어 패키지의 기계적, 전기적 신뢰성을 평가합니다.

BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test)

BHAST는 HAST 조건에 온습도뿐만 아니라 실제 디바이스의 동작 전압을 인가하여 패키지의 성능을 평가합니다. 기본 신뢰성 항목처럼 BHAST도 주로 많이 테스트하는 항목입니다.

PCT (Pressure Cooker Test)

PCT 테스트는 온도뿐만 아니라 100% RH 습도 상황에서 패키지 내부로 최대한 수분을 침투시키기 위해 대기압의 2배에 해당하는 가압 챔버에 패키지를 넣어 실험합니다. 기계적, 전기적 뿐만 아니라 수분에 의한 metal corrosion, dendrite growth 등을 평가합니다. 주로 Laminated product보다는 L/F product에 적용합니다.

이 이외에도 온도, 습도, DC bias 인가, power cycling 등등의 기본 조건들을 두세 개 이상의 조합하여 실제 사용환경과 가장 근접하게 테스트하는 항목들도 많이 있습니다. 그리고 고객에 따라 위 JEDEC 조건이 아닌 고객사의 Specific 조건으로 실험하고 진행하는 때도 많습니다.

제품 application에 따른 구분 및 추가 신뢰성 테스트항목

제품의 사용환경이나 Application 별로 아래와 같은 신뢰성 항목들이 추가될 수 있답니다.

• 휴대용 전자제품 : Drop test, Bend test
• Network server / Graphic 카드전자제품 : Bend test, Shock test 
• 자동차 전자제품 : Vibration test, Power cycling test, 고온, 수천 시간의 장시간 테스트

자, 이번 달에는 패키지 레벨에서의 다양한 조건별 기계적, 전기적 신뢰성 검사항목들을 살펴보았습니다. 이 테스트항목들을 모두 통과한다면 그 패키지는 무병장수한다고 볼 수 있겠지요? 다음 달에는 패키지를 실제 보드에 실장한 상황인 보드레벨 신뢰성 검사항목들을 살펴보겠습니다.

[참고 문헌] 각 신뢰성 테스트항목별 JEDEC Spec# 

추가로 자세히 더 공부하고 싶은 독자들을 위해 각 신뢰성 항목별 JEDEC spec#를 적어 보았습니다. 인터넷에서 찾아보거나 JEDEC 사이트에 회원가입하시면 무료로 다운받을 수 있으니 참고하세요~!

• TCT (Thermal Cycling Test) JESD22-A104
• TST (Thermal Shock Test) JESD22-A106
• THT (Temperature / Humidity Test) J-STD-020D.1
• HAST (Highly Accelerated Stress Test) JESD22-A110 
• BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test) JESD22-A101
• HTST (High Temperature Storage Test) JESD22-A103 
• PCT (Pressure Cooker Test) JESD22-A102