【반도체 패키징】 6강-반도체 패키지 신뢰성 평가 방법

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이전 포스팅에서 Advanced Package 공정의 이해를 주제로 RDL공정과 Damascene기법, TSV 공정 WLCSP공정, PLP공정 그리고 Interposer 기술과 3D Stacked 패키징에 대하여 포스팅하였음
 
https://nate0707.tistory.com/171

【반도체 패키징】 5강-Advanced Package 공정의 이해: TSV, WLP, PLP

 
반도체 패키지는 다양한 환경적, 전기적 스트레스에 노출되며, 이를 견딜 수 있는 신뢰성을 확보하는 것이 중요함. 신뢰성 평가를 통해 제품의 내구성을 확인하고 예상되는 불량을 사전에 방지할 수 있음. 이러한 신뢰성 시험은 국제반도체표준협의기구(JEDEC)에서 표준화하고 있음
 

1. 조기 고장률(EFR, Early Failure Rate) 평가

 
EFR은 제품의 조기 불량을 평가하는 시험으로, 번인(Burn-in) 과정을 통해 초기 고장 수준을 검토함
반도체 소자는 초기 결함이 존재할 가능성이 있으며, 이를 걸러내기 위해 일정 시간 동안 고온 및 고전압 스트레스를 가하는 방식으로 진행됨
일반적으로 6개월에서 1년 이상 설정하여 제품의 신뢰성을 확보함
 

 

2. 수명 평가 시험

 

- HTOL (High Temperature Operating Life Test)

 
HTOL은 고온 및 고전압 환경에서 장시간 작동하면서 제품의 신뢰성을 평가하는 방법임
이 시험을 통해 반도체 소자의 장기적인 내구성과 성능 저하 여부를 확인할 수 있음
반도체의 주요 열화 메커니즘을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나로, 설계 및 공정상의 문제점을 효과적으로 검토할 수 있음
 

- LTOL (Low Temperature Operating Life Test)

 
LTOL은 저온에서의 장기적인 동작 신뢰성을 평가하는 시험으로, 핫 캐리어(Hot Carrier) 영향에 따른 제품 불량 발생 가능성을 분석하는 데 활용됨
특히, 핫 캐리어에 의한 성능 저하가 예상되는 고속 동작 반도체에서 중요한 시험임
 

- HTSL (High Temperature Storage Life)

 
 
HTSL은 반도체 소자를 장기간 고온 환경에 보관했을 때의 신뢰성을 평가하는 시험임
반도체 패키지가 고온에서 보관될 경우, 재료 간 화학 반응, 열 확장 등에 의해 성능 저하가 발생할 수 있음
이 시험을 통해 장기 보관 시에도 제품이 정상적으로 작동할 수 있는지를 확인함
 

- LTSL (Low Temperature Storage Life)

 
LTSL은 저온 환경에서의 장기 보관 신뢰성을 평가하는 시험으로, 극저온 환경에서 반도체 소자의 물리적, 전기적 특성이 유지되는지를 확인하는 과정임
낮은 온도에서 재료의 물성이 변할 수 있기 때문에 극한 환경에서 사용될 반도체 제품에 필수적인 평가 항목임
 

3. 프리컨디셔닝(Preconditioning) 시험

-  프리컨디셔닝 시험

 
반도체 제품은 제조 이후 유통 및 보관을 거쳐 최종적으로 고객의 생산 공정을 통해 조립됨
이 과정에서 습기 흡수, 온도 변화 등의 외부 요인으로 인해 신뢰성이 저하될 수 있음
프리컨디셔닝 시험은 이러한 스트레스를 유사한 조건에서 미리 부여하여 내성을 평가하는 과정임
 

- 프리컨디셔닝 시험 후 추가적 시험

프리컨디셔닝 시험 후에는 추가적인 환경 신뢰성 시험이 적용되며, 일반적으로 THB, HAST, TC 등의 시험이 포함됨. 시험 과정은 다음과 같은 단계를 거침
 
TC (Thermal Cycle): 온도 변화를 가하여 패키지 내부의 응력 테스트 
Bake: 고온에서 일정 시간 보관하여 수분 제거 
Soak: 습기 흡수 환경을 조성하여 열적 스트레스 테스트 
Reflow: 실제 솔더링 공정과 유사한 환경을 조성하여 패키지 열적 안정성 평가
 

4. 온도 변화에 따른 내성 평가 (TC, Thermal Cycle)

 
TC(Thermal Cycle) 시험은 제품 운송 및 실제 사용 중 급격한 온도 변화에 따른 내성을 평가하는 시험임
반도체 패키지 내의 서로 다른 재료들은 각기 다른 열팽창 계수를 가지므로, 반복적인 온도 변화는 수축과 팽창을 유발하여 기계적 피로 및 불량을 발생시킬 수 있음
이 과정에서 제품이 위로 볼록하거나 아래로 볼록한 형태(Warpage)가 나타날 수 있으며, 이는 solder 접합부의 크랙(crack) 발생을 유도할 수 있음
온도 변화에 따른 신뢰성 평가를 수행함으로써 실제 사용 환경에서 반도체 패키지가 견딜 수 있는 수준을 확인할 수 있음
특히, 자동차 및 항공우주 산업에서 요구되는 극한 환경 내구성을 확보하는 데 필수적인 평가 항목임