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온도테스트

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온도테스트는 반도체 디바이스가 다양한 온도 조건에서 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 수행하는 중요한 검사 과정이다. 온도 변화가 반도체의 전기적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 높은 온도와 낮은 온도에서의 테스트가 필요하다.

개요

반도체 테스트는 제품의 다양한 특성에 맞춰 품질과 신뢰성을 확보할 수 있도록 다양한 항목을 테스트 해야한다.

테스트는 테스트할 대상의 형태에 따라 웨이퍼 테스트, 패키지 테스트로 구별할 수 있지만, 테스트 항목에 대해서는 온도별 테스트, 속도별 테스트, 동작별 테스트 이렇게 3가지 형태로 구별할 수 있다.

온도별 테스트는 테스트 대상에 인가되는 온도가 기준이다. 고온 테스트는 제품의 스펙에 있는 온도 범위에서 최대 온도보다 10% 이상의 온도를 인가한다. 저온 테스트는 최저 온도보다 10% 이하의 온도를, 상온 테스트는 보통 25℃ 온도를 인가한다. 반도체 제품이 실제 사용될 때는 다양한 온도의 환경에서 사용되기 때문에, 다양한 온도에서의 동작 여부와 온도 마진을 검증하기 위함이다. 메모리 반도체의 경우엔 보통 고온 시험은 85~90℃, 저온 시험은 -5~-40℃를 인가한다.

목적

  • 성능 검증: 반도체는 작동 온도에 따라 전기적 특성이 달라질 수 있다. 극단적인 온도에서의 성능을 확인하여 장치가 규격을 만족하는지 평가한다.
  • 신뢰성 평가: 온도 변화는 반도체의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 열적 스트레스를 통해 장치의 내구성과 수명을 평가한다.
  • 열관리 능력 테스트: 특히 전력 소모가 큰 장치의 경우, 높은 온도에서의 작동 능력과 발열 관리 성능을 평가한다.

테스트 방법

  • 온도 범위 설정: 일반적으로 -40°C부터 +125°C까지의 온도 범위에서 테스트가 수행됩니다. 산업용 반도체의 경우 더 넓은 범위가 요구되기도 한다.
  • 온도 챔버 사용: 온도 챔버(temperature chamber)를 통해 반도체 디바이스를 설정된 온도로 유지합니다. 온도를 조절하여 원하는 테스트 조건을 구현한다.
  • 온도 사이클링: 특정 온도에서 디바이스를 일정 시간 동안 유지한 후 급격하게 온도를 변화시켜 열적 스트레스를 반복적으로 가하는 방식이다.
  • 결과 분석: 테스트 후 디바이스의 전기적 특성 변화를 측정하고 분석하여 문제 여부를 판단한다.

온도테스트의 유형

  • 정적 온도 테스트: 특정 온도에서 일정 시간 동안 디바이스의 성능을 평가하는 방법이다. 높은 온도나 낮은 온도에서만 성능을 확인할 수 있다.
  • 동적 온도 테스트: 온도를 주기적으로 변화시키며 디바이스의 성능을 평가한다. 이는 온도 변화에 따른 디바이스의 반응을 더 잘 파악할 수 있도록 해준다.
  • 열충격 테스트: 매우 낮은 온도에서 매우 높은 온도로 급격히 변환하여 열적 충격을 가하는 방식입니다. 디바이스의 열적 안정성과 결함 여부를 테스트한다.

반도체 온도테스트

웨이퍼 온도 테스트

웨이퍼 테스트는 테스트 대상이 웨이퍼다. 웨이퍼에는 수많은 칩들이 만들어져 있는데, 이 칩들의 특성과 품질을 웨이퍼 테스트를 통해서 확인하고 검증해야 한다. 이를 위해서는 테스트 장비와 칩을 연결해 칩에 전류와 신호를 인가해야 한다.

패키지가 완료된 제품들은 시스템에 연결하기 위해 솔더 볼 같은 핀(pin)들이 만들어져 있으므로 테스트 장비와 전기적 연결이 비교적 용이하다. 하지만 웨이퍼 형태의 경우에는 특별한 방법이 필요하다. 이 때문에 필요한 것이 프루브(Probe) 카드이다.

프루브 카드는 그림에서 볼 수 있듯이 웨이퍼의 패드와 물리적으로 접촉할 수 있도록 수많은 탐침이 카드 위에 형성되어 있다. 그리고 탐침과 테스트 장비를 연결할 수 있는 배선이 카드 내에 만들어져 있다. 이 프루브 카드는 웨이퍼가 로딩되는 웨이퍼 이송 설비에서 웨이퍼와 접촉할 수 있도록 테스터 헤드 부분에 장착된다.

웨이퍼 테스트 시스템 모식도(ⓒ한올출판사/photograph.Formfactor)

웨이퍼의 전면이 위를 보게 로딩되면 오른쪽의 프루브 카드가 뒤집어진다. 그리고 탐침이 아래를 향하게 테스터 헤드에 장착되고 웨이퍼와 프루브 카드가 접촉할 수 있게 된다. 이때 온도조절 장치는 테스트 온도 조건에 따라 온도를 인가할 수 있다. 테스트 시스템은 실제 프루브 카드를 통해서 전류와 신호를 인가하고 읽어서 테스트 결과를 얻을 수 있다.

프루브 카드는 테스트하고자 하는 칩의 패드 배열, 그리고 웨이퍼에서의 칩의 배열에 따라 그에 맞는 프루브 카드를 따로 제작해서 사용한다. 프루브 카드에서 탐침의 배열은 테스트하고자 하는 칩의 패드 배열과 같다. 그리고 칩의 배열에 따라 탐침의 배열은 반복된다. 그러나 한 번 접촉만으로는 웨이퍼의 모든 칩을 테스트하지는 못한다. 실제 양산에서는 2~3번의 접촉이 진행된다.

웨이퍼 테스트는 보통 'EPM(Electrical Parameter Monitoring) → 웨이퍼 번인(Wafer Burn in) → 테스트 → 리페어(Repair) → 테스트'순으로 진행한다.

패키지 온도 테스트

  1. 제품의 잠재 불량을 초기에 제거하기 위해 제품에 전압과 온도로 스트레스를 가하는 번인(Burnin)테스트를 진행한다. 패키지로 만든 후 실시하는 번인은 TDBI라고 부른다.
  2. 데이터시트에 정의된 동작이 사용자 환경에서 정상적으로 동작하는지 판단하는 코어&스피드 공정을 진행한다. 온도 코너 테스트를 실시하여, 제품에 AC/DC 인자 약점 및 Cell & Peri 영역에서 고객이 요구하는 동작이 스펙을 만족하는지 검증한다.

참고자료

같이 보기


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