반도체 신뢰성 : TC (Temperature Cycling) 의 이해
반도체 신뢰성 항목중에는 환경시험 (Environment Reliability Test) 의 일환으로, TC (Temperature Cycling) 시험이 있습니다. 해당 시험은 JEDEC 에서 요구하는 필수 시험중 하나이며, 거의 모든 종류의 반도체 제품은 이 시험을 통해 그 신뢰성을 확보해야만 합니다. 이번 글에서는 TC 시험에 대해 알아보고자 합니다.
Table of Contents
1. TC (Temperature Cycling) 시험이란?
Temperature Cycling 시험은 반도체 제품이나 전자 부품의 내열성을 평가하기 위한 신뢰성 시험입니다.
이 시험은 반도체가 극한의 온도 변화에 어떻게 반응하는지 확인하는 데 중점을 두며, 구체적으로, 제품이 고온과 저온 사이를 반복적으로 오가는 상황에서 견딜 수 있는지를 평가합니다.
1.1 TC 시험의 목적
TC 시험은 여러 목적을 이유로 반도체 제품에서 필수로 시험되어집니다.
(1) 열 스트레스 검증을 주 목적으로 합니다. 제품이 온도 변화에 따른 열적 스트레스를 견딜 수 있는지 확인하는 것이라 할 수 있습니다.
(2) 열팽창 및 수축 영향을 알아보기 위해 TC 시험이 이루어 집니다.
이러한 TC 시험을 통해 향후 발생될 수 있는 잠재적인 결함을 발견하여 미래의 불량을 미리 예측하여 사전에 개선해 나갈 수 있는 기회를 주게 됩니다.
1.2 일반적인 TC 시험 환경 및 방법
기본적으로 TC 시험은 반도체 전처리 과정 (Precondition) 이후에 수행되어야 합니다.
Precondition 에 대한 내용은 하기 링크를 참조하시면 되겠습니다.
시험은 프로그램된 온도 변화를 제공할 수 있는 환경 챔버에서 수행됩니다.
그리고, 시험시 적용될 제품의 사용 환경에 맞는 고온과 저온 범위를 설정합니다. 예를 들어, -40°C에서 125°C까지의 범위를 설정할 수 있습니다.
온도조건이 설정되었으면, 제품이 온도 범위 내에서 일정 시간 동안 머문 후, 반대 온도로 전환되는 사이클을 반복하는데, 몇번의 사이클을 반복할지를 설정합니다. 시험 사이클 수는 보통 수백에서 수천 회로 설정됩니다.
사이클 진행시, 온도 변화 속도도 중요한 요소입니다. 일반적으로 5°C/min 이상의 속도로 온도를 변경합니다.
2. JEDEC 요구사항 TC (Temperature Cycling)
신뢰성 시험의 표준 기준문서라 할 수 있는 JEDEC 에서는 TC 시험에 대해 시험 조건과 방법 절차등에 대해 가이드라인을 제시합니다. 일반적으로 반도체 업계에서는 해당 요구사항을 준수하며 TC 시험을 진행합니다.
TC 에 대해 자세히 설며오딘 JEDEC 표준 중 하나는 JESD22-A104입니다. 이 표준은 반도체 디바이스의 신뢰성을 평가하기 위한 TC 시험 절차와 조건을 정의하고 있습니다.
2.1 JESD22-A104 의 온도 조건 : 범위, 변화 속도, 유지 시간
시험 온도 범위는 시험 대상 부품의 요구 사항 및 예상 사용 환경에 따라 설정됩니다. 일반적인 온도 범위는 다음과 같습니다.
Condition A: –55°C to +125°C
Condition B: -55°C to +150°C
Condition C: -65°C to +150°C
Condition D: -55°C to +200°C
Condition E: 0°C to +100°C
Condition F: -65°C to +175°C
이렇게 온도가 변화 할 때, 온도 변화의 속도는 최소 5°C/min 이상이어야 합니다. 빠른 온도 변화는 열 스트레스를 극대화하여 결함을 유발할 가능성이 높습니다.
그리고, 각 극한 온도에서 유지 시간은 최소 10분 이상이어야 합니다. 이는 제품이 온도 변화에 충분히 적응하도록 하기 위함입니다.
2.2 JESD22-A104 에 따른 결과 확인 : 전기적 시험
TC 시험 전후에 부품의 전기적 특성을 평가하여 성능 변화나 결함 여부를 확인해야 합니다. 전기적 시험 항목은 제품의 특성에 따라 다를 수 있습니다. TC 시험 전 제품의 DC, AC 값등의 특성들을 측정하고, TC 시험 이후 제품의 DC, AC 특성값들을 측정함으로써, 전기적으로 TC 의 스트레스를 겪은 후 발생하는 전기적 변화를 확인해 보아야 합니다.
3. TC 시험을 통한 불량 사전 확인
TC 시험 후에는 제품의 물리적 상태와 전기적 특성을 평가하여 결함 여부를 확인해야 합니다.
3.1 크랙 및 물리적 손상
Temperature Cycling 시험 동안 반도체 제품은 고온과 저온 사이를 반복적으로 오갑니다. 이 과정에서 제품은 급격한 온도 변화를 경험하게 됩니다.
이러한 온도 변화는 제품 내외부에 열적 스트레스를 발생시킵니다. 스트레스의 원인은 크게 열팽창 계수적 관점과 열적 피로의 관점으로 두가지로 나누어 생각해 볼 수 있습니다.
반도체 제품을 구성하는 재료들은 각각 고유의 열팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)를 가지고 있습니다. 온도가 상승하면 재료가 팽창하고, 온도가 하강하면 수축합니다. 서로 다른 재료들 간의 열팽창 계수 차이는 열적 스트레스를 유발합니다.
결과적으로 패키지 내의 다양한 층들 간에 발생하는 열적 응력은 층간 분리나 크랙을 유발할 수 있습니다.
반복적인 온도 변화는 재료의 피로를 가중시켜 미세 구조의 변형이나 결함을 초래할 수 있습니다.
3.2 전기적 특성 변화
고온과 저온을 반복적으로 경험하면 반도체 재료의 물리적 특성이 변할 수 있습니다. 예를 들어, 열에 의해 산화층이 손상되거나, 금속 배선의 저항이 증가할 수 있습니다.
반도체 표면 및 인터페이스에서 발생하는 열화는 전기적 특성 변화의 주요 원인 중 하나입니다.
반도체 내부의 배선과 패드 사이의 인터커넥트는 온도 변화에 민감하며, 이는 전기적 연결의 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.
또한 산화층의 열적 열화는 게이트 산화막의 유전 특성을 변화시키고, 전류 누설 및 게이트 전압 변화를 초래할 수 있습니다.
Memory 반도체는 데이터를 저장하고 유지하는 데 사용되는 반도체입니다.
데이터를 일시적으로 또는 영구적으로 저장하는 데 중점을 두는데, 메모리 반도체는 데이터를 저장하기 위해 많은 셀을 가지고 있으며, 각 셀은 데이터를 저장할 수 있는 트랜지스터 또는 캐패시터로 구성됩니다.
Memory 반도체에 대한 자세한 설명은 다음 글에 자세히 설명되어 있습니다.
4. TC 시험 장비
Temperature Cycling 시험 장비는 고성능과 신뢰성으로 잘 알려진 장비들입니다. 대표적인 TC 시험이 가능한 장비들을 몇몇개 소개하고자 합니다.
4.1 ESPEC Corporation
ESPEC은 신뢰성 시험 장비 분야에서 세계적으로 인정받는 기업으로, 한국 반도체 회사에서도 많이 사용됩니다.
ESPEC의 Temperature Cycling 챔버는 다양한 크기와 온도 범위를 제공하며, 신뢰성이 높아 많이 사용됩니다.
대표적인 모델로는 Platinous 시리즈, Global-N 시리즈가 있습니다.
4.2 Thermotron Industries
Thermotron은 환경 시험 장비 분야에서 널리 알려진 브랜드로, Thermotron의 Temperature Cycling 챔버는 견고한 성능과 다양한 옵션을 제공합니다.
넓은 온도 범위, 고속 온도 변화, 정밀한 제어 시스템을 특징으로, S/SM 시리즈, SE 시리즈 등이 있습니다.
4.3 Weiss Technik
Weiss Technik의 Thermal Cycling 장비는 다양한 환경 시험 솔루션을 제공하며, 고품질의 챔버를 생산합니다.
고속 온도 변화, 정확한 온도 및 습도 제어, 사용자 친화적인 인터페이스가 특징이며, TempEvent 시리즈가 대표 모델입니다.
4.4 JEIO TECH
JEIO TECH는 한국의 시험 장비 제조업체로, 반도체 산업에서 신뢰성 시험 장비로 널리 사용됩니다. JEIO TECH의 장비는 가격 대비 성능이 뛰어나며, 다양한 고객 요구를 충족시킬 수 있습니다.
정확한 온도 제어, 다양한 크기와 옵션, 내구성이 특징이며, 대표 모델로는 TH-T 시리즈가 있습니다.
