#목표
모든 산업의 핵심 부품인 반도체는 열, 진동, 충격 등의 stress에 취약한 편
이런 반도체의 신뢰성을 검증하려면 실제 사용 조건보다 강한 스트레스를 가하는 가속 테스트(acceleration test)를 수행함
반도체 신뢰성에 관련된 스트레스, 가속 테스트, 주요 신뢰성 인증 규격에 대해 살펴보는 것이 목표
#반도체 신뢰성 저하 원인
1. 온도 변화
- 내부 발열, 오동작, 속도 저하 유발
2. 충격 및 진동
- fatigue, intermetallic compound, 박막 들뜸, 균열, Bonding wire 끊어짐, Pad 접합 떨어짐
3. Electro-migration
전자가 한 방향으로 움직이며 금속 원자핵에 지속적인 힘을 가해 금속 원자핵이 한쪽으로 쏠려 배선이 끊어지는 경우
4. Hot electron
- 강한 전압으로 가속되면 절연체인 산화막을 뚫고 지나가서 원하지 않는 전류 생성
4. 제조 공정
- Sawing에 의한 문제일 수도 있음
∴신뢰성 저하는 복합 요인에 의한 것 > 신뢰성 강화를 위해 실제 스트레스를 가하여 failure가 생기는지 관찰 후, 해당 failure가 발생하는 양상에 따라 원인을 추정하여 보완/개선
#가속 테스트
- 반도체가 전체 동작 기간 동안 받을 스트레스와 동일한 효과를 내도록 단기간에 스트레스를 집중적으로 준 후, 정상 동작하는지 확인하는 것
- 스트레스 총량을 합하는 것이 아닌, 해당 반도체를 실제로 사용할 때와 동일한 고장률을 보이도록 가속 테스트에서 가하는 스트레스의 양을 정교하게 계산해야 함
- 일반적으로 고장률은 다음 3가지 요소의 합으로 결정되며 Bathub curve로 나타남
| 초기 고장 (Early failures) | 설계상, 공정상의 문제점으로 발생하며 초기에 집중됨 |
| 임의 고장 (Random failure) | 우발적 요인으로 발생하며 동일한 발생 확률을 가짐 |
| 노후 고장 (Wear-out failure) | 오랜 사용으로 노후화되어 발생하며 후기에 집중됨 |
- 가속 테스트를 개발할 때는
1) 정상적인 사용과 가속 테스트 시의 스트레스 결정
2) 스트레스의 크기로부터 AF를 계산
3) 정상적인 사용에서 보장해야 할 TTF를 결정
4) TTF와 AF로부터 가속 테스트의 진행 시간을 결정한다.
*무고장시간(TTF, Time-To-Failure): 고장이 발생할 때까지 걸리는 시간
*가속비 (AF, Acceleration Factor): 가속 테스트의 TTF와 정상 사용시 TTF 사이의 비율 / 가속 테스를 통해 단축할 수 있는 테스트 시간의 비율을 의미
- AF는 수학적, 물리적인 모델로 부터 결정됨
#반도체 신뢰성 규격
- 미국 국방부위 MIL-STD-750
- JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)의 규격 : 가장 넓은 범위를 다룸
- AEC (Automotive Electronics Council) : 자동차 반도체 분야
ex) AEC-Q100 (semiconductor), AEC-Q101 (discrete parts), AEC-Q102 (opto-electronics) AEC-Q104 (Multi-Chip-Module), AEC-Q200 (passive components)
- AEC-Q100은 반도체에서 나타날 수 있는 주요 고장 메커니즘을 고려하여 개발한 가속 테스트임 > 해당 반도체의 신뢰성을 인증할 뿐만 아니라 가속 테스트의 결과로부터 설계상, 제조상의 문제점을 쉽게 찾아낼 수 있음
- failure mechanism의 변화/반복 범위를 규정 > 반도체에 스트레스를 가함 > 동작/외관상의 변화 확인
- 테스트마다 중점적으로 확인할 고장 메커니즘이 결정 > 테스트를 통과하지 못할 경우 테스트의 결과로부터 설계/제조상 특정 부분을 재검토하여 고장의 원인을 찾아낼 수 있음
- A~G까지 7개의 테스트 그룹으로 구성
A: Accelerated environment stress tests
B: Accelerated lifetime simulation tests
C: Package assembly integrity tests
D: Die fabrication reliability tests
E: Electrical verification tests
F: Defect screening tests
G: Cavity package integrity test
몇 가지 단위 테스트의 예시
1) PC (preconditioning)
신뢰성 테스트 이전, 반도체가 부착된 테스트용 인쇄 기판에 스트레스를 가하여 부품이 정상적으로 장착되어 있는지 확인
이후, 다른 시험에서 결함이 발견되었을 때 해당 결함이 테스트용 인쇄 기판의 문제가 아닌 반도체 자체의 문제임을 보장하기 위해 필요
2) THB (Temperature-Humidity-Bias), HAST (Highly Accelerated Stress Test)
동작 상태에서 고온 다습을 견딜 수 있는지 테스트, 내부 금속 부식을 가속하는 목적
최대 전압을 가하고 THB는 85℃/85%RH에서 1,000hour / HAST는 110℃/85%RH에서 264hour or 130℃/85%RH에서 96hour 경과 후 정상 동작을 수행하는 지 측정
#ref.
[1] https://www.iitp.kr/kr/1/knowledge/periodicalViewA.itmasterCode=publication&searClassCode=B_ITA_01&identifier=130