반도체 환경 신뢰성 시험과 온도에 대한 변화

반도체 환경 신뢰성 시험

자유 컨디셔닝은 제품 출하 후 이동 및 보관 과정을 거쳐 고객의 생산 과정 중에 발생할 수 있는 흡습 및 열적 스트레스로 인해 발생할 수 있는 신뢰성 내성을 평가하기 위한 항목입니다. 반도체 패키지는 DIP 같은 쓰러 홀 타입에서 집적도를 향상하기 위하여 표면 실당형인 SMD 타입으로 변화되었습니다. 이에 따라 웨이브 솔더링에서 리플로 후 방식의 솔더링으로 전환이 되면서 패키지에 인가되는 열적 스트레스가 증가하여 불량 발생 가능성이 증가하였고 제품의 패키지 신뢰성이 요구되기 시작하였습니다. EMC 등을 사용하는 플라스틱 패키지는 흡습 특성이 있는 합성수지 계열의 물질이기 때문에 흡습 된 상태에서 리플로 후 스트레스가 인가될 경우 내부에 존재하고 있는 습기가 팽창함으로 인해 계면 박리나 균열 등의 불량이 발생할 수 있습니다. 자유 컨디셔닝은 제품을 판매하여 고객에게 운송되고 진공 포장을 개봉하여 시스템에 부착되는 순서에 대해 유사한 조건으로 시뮬레이션하여 흡습 상태의 패키지 신뢰성을 평가하는 방법이며, THB, HAST, TC 등 환경 신뢰성 시험의 전처리 조건으로 적용됩니다.

제품 생산 후에 포장, 운송 과정, 시스템의 부착 단계 등의 사용자 사용 순서와 자유 컨디셔닝 평가의 시뮬레이션 연관성을 나타냅니다. TC는 제품 운송 중에 발생할 수 있는 온도 변화에 의한 스트레스를 인가하는 것으로 조건은 -40도~-60도 환경에서 5회를 인가합니다. 건조는 JEDEC에서 규정한 흡습량만큼을 주입하기 위해 이미 패키지에 내재하여 있는 습기를 제거하는 과정으로 125도 24시간이면 모든 형태의 패키지가 탈삽이 완료됩니다. 경우에 따라 제품의 탈삽 특성을 평가하여 시험 시간을 단축할 수 있습니다. 침지는 JEDEC에서 규정한 흡습량을 주입하는 단계이며 인증하고자 하는 MSL에 따라 흡습 과정을 실시합니다. MSL은 제품의 습도 민감도에 대한 내성을 등급으로 분류하여 수준을 객관화하고 사용 조건의 허용 범위를 규정화한 것입니다. 흡습의 시간을 단축하기 위해 가속 등가 조건을 활용할 수 있습니다. 가속 조건은 패키지 재료의 흡습과 관련된 불량에 대해 활성화 에너지가 0.4~0.48eV에 해당하는 불량 형태에 대해 적용합니다.

리플로 우는 패키지 제품을 모듈 또는 기판에 신장시키는 과정으로 패키지 형태 및 무연 여부에 따라 해당 온도 프로파일로 3회 리 플로우를 실시합니다. 3회 실시하는 이유는 단면, 양면, 재작업의 공정이 적용될 수 있으므로 이를 보증하여야 하기 때문입니다.

2000년대 중반에 환경 유해 물질의 사용 제한에 따른 RoHS 규제로 인해 Sn-Pb 공정 조성 솔더에서 무연 솔더로 전환이 되어 리플로 후 실장이 온도 프로파일이 최고 온도 기준으로 235도에서 360도로 상향이 되어 본 시험 조건도 이에 맞춰 조정이 되었습니다. 지금까지 살펴본 바와 같이 반도체 제품은 흡습에 의해 영향을 받으므로 신제품 개발 및 인증 이후에도 양산 진행 시 이를 특별히 관리하여야 합니다. 반도체 제조사의 허용 시간 MET는 JEDEC에서의 24시간을 고려하나 실제 양산 관리를 위해서는 인라인 습도 허용 시간 기준을 별도 설정하여 운영합니다.

패키지 공정 이후 여러 단계의 테스트 공정이 진행되는 기간에 지속해서 흡습이 발생하는데 이를 고려하지 않고 포장하여 출하하게 되면 고객 보증 1주 이상의 수분이 패키지 내에 유입이 되어 고객의 리플로 후 실장 과정에서 불량이 발생할 수 있습니다. 그렇기 때문에 인라인 윈도 타임 2주+고객 사용 가능 기간 1주+마진 기간 1주 동안 흡습이 되는 정도를 고려하여 제품 인증 시 4주 보관 기간에 해당하는 MSL-2a 조건으로 평가해야 하며 양산 단계에서는 실험 등의 목적으로 라인 내에 제품을 보관할 때 2주를 초과하게 되면 별도의 건조 과정을 실시한 후에 포장해야 합니다.

온도 주기 시험

온도 주기 시험은 여러 가지 사용자의 사용 환경 중 순간적인 온도의 변화에 대한 제품의 내성을 시험하기 위한 항목입니다. 패키지 및 모듈은 많은 종류의 서로 다른 재료가 결합하여 구성되어 있으며 이들 재료는 열팽창 계수인 CTE가 서로 다르기 때문에 열적 변화에 따른 팽창과 응축의 불일치로 인해 제품의 불량이 발생할 수 있습니다. 물질은 열에 의해서 크기가 변하는데 온도 T1과 T2 사이의 온도 변화에 따라 발생하는 물질의 길이 변화에 대한 비를 열팽창 계수라 하며 1도 온도 상승에 따른 길이 변형률을 의미합니다. 반도체 패키지에 사용되는 여러 재료의 열팽창 계수를 그래프로 나타내었고 다양한 재료가 사용되면서 재료 간의 열팽창 계수의 차이도 큼을 알 수 있습니다. 패키지의 온도 변화가 발생하면 내부를 구성하는 물질들의 열팽창 계수 차이에 따라 수축과 팽창의 스트레스 피로가 발생하며 이로 인해 불량이 발생할 수 있습니다. TC는 온도 변화에 따른 반도체 패키지의 스트레스 내성을 측정하는 것이 기본 목적이나 고온과 저온의 온도 스트레스가 가해짐으로써 다른 유형의 여러 가지 불량이 발생할 수 있습니다. 장기간의 열 충격으로 패키지 각 재료의 응력, 열 팽창력 및 기타 요인에 의한 계면 간 박리, 내/외부 패키지 균열, 칩 균열 등을 검증하는데 효과적입니다.

또한 제품 친환경 규제로 인한 Pb와 같은 유해 물질의 사용 제한과 휴대용 모바일 기기와 같은 애플리케이션의 확대로 인해 솔더 접합부의 중요성이 증가하고 있는데 TC는 솔더 접합부의 신뢰성을 평가할 수 있는 좋은 검사 방법입니다.

기체 상태에서 패키지 환경 내성을 평가할 경우 패키지 타입에 따라 다르게 적용합니다.