신뢰성(반도체)

Reliability (semiconductor)

반도체 소자의 신뢰성은 다음과 같이 요약할 수 있다.

  1. 반도체 소자는 불순물과 입자에 매우 민감하다. 따라서 이러한 기기를 제조하기 위해서는 불순물과 입자의 수준을 정확하게 제어하면서 많은 공정을 관리할 필요가 있다. 완제품 품질은 금속화, 칩 소재(반도체 소재 목록), 패키지 등 반도체 내 상호 작용하는 각 물질의 다층적 관계에 따라 달라진다.
  2. 미세 공정과 박막의 문제점은 야금화와 와이어 본딩에 적용될 때 충분히 이해되어야 한다. 박막의 측면에서 표면현상을 분석할 필요도 있다.
  3. 기술의 급속한 발전으로 인해 많은 새로운 기기들이 신소재와 공정을 이용하여 개발되고 있으며, 설계달력 시간은 비반복적인 엔지니어링 제약조건과 더불어 시장 관심에 대한 시간적 제약으로 인해 제한되고 있다. 따라서 기존 장치의 신뢰성에 기초하여 새로운 설계를 할 수 없다.
  4. 규모의 경제를 달성하기 위해 반도체 제품을 대량으로 생산한다. 게다가, 완성된 반도체 제품의 수리는 비현실적이다. 따라서 설계 단계에서 신뢰성의 통합과 생산 단계의 변동성의 축소가 필수적이 되었다.
  5. 반도체 소자의 신뢰성은 조립, 사용, 환경 및 냉각 조건에 따라 달라질 수 있다. 기기 신뢰성에 영향을 미치는 스트레스 요인에는 가스, 먼지, 오염, 전압, 전류 밀도, 온도, 습도, 기계적 스트레스, 진동, 충격, 방사선, 압력 및 자기장과 전기장의 강도가 포함된다.

반도체 신뢰성에 영향을 미치는 설계 요인으로는 전압, 전력 및 전류 희석, 전이성, 로직 타이밍 여유(로직 시뮬레이션), 타이밍 분석, 온도 희석, 프로세스 제어 등이 있다.

개선방법

반도체의 신뢰도는 몇 가지 방법을 통해 높게 유지된다. 클린룸은 불순물을 제어하고, 공정 제어 처리 및 번인(극단에서의 단기 작동)을 제어하며, 탐침 및 시험으로 탈출량을 감소시킨다. 프로브(웨이퍼 프로버)는 테스트 장비에 연결된 마이크로 프로브를 통해 포장 전 반도체 다이(Die)를 테스트한다. 최종 테스트는 작동을 보장하는 일련의 매개 변수에 대해 포장된 장치(흔히 사전 및 사후 번인)를 테스트한다. 공정 및 설계 약점은 AEC Q100 및 Q101 스트레스 자격에 따라 시장 도입 전 반도체 품질 단계에서 일련의 스트레스 테스트를 적용함으로써 파악된다.[1] 부품 평균시험은 신뢰도 고장 확률이 높은 반도체 다이를 인식하고 격리하기 위한 통계적 방법이다. 이 기법은 높은 신뢰도 적용에 적합하지 않은 위험 이상값으로 해당 모집단에 대한 정규 분포를 벗어나지만 사양 범위 내에 있는 특성을 식별한다. 테스터 기반 부품 평균 시험 품종으로는 파라메트릭 부품 평균 시험(P-PAT)과 지리적 부품 평균 시험(G-PAT)이 있다. I-PAT(인라인 부품 평균 테스트)는 생산 공정 제어 검사 및 계측학 데이터를 사용하여 특이치 인식 기능을 수행한다.[2][3]

본드 강도 측정은 당김 시험과 전단 시험의 두 가지 기본 유형으로 수행된다. 둘 다 파괴적으로 행해질 수 있는데, 이것은 더 흔하거나 파괴하지 않는 것이다. 비파괴 시험은 일반적으로 군사용 또는 항공우주용 애플리케이션과 같이 극도의 신뢰성이 요구되는 경우에 사용된다.[4]

고장 메커니즘

전자 반도체 소자의 고장 메커니즘은 다음과 같은 범주에 속한다.

  1. 물질간 상호작용 유도 메커니즘
  2. 스트레스로 인한 메커니즘.
  3. 기계적으로 유도된 고장 메커니즘
  4. 환경 유발 고장 메커니즘

물질간 상호작용 유도 메커니즘

  1. 전계효과 트랜지스터 게이트-금속 싱킹
  2. 옴 접촉 저하
  3. 채널 열화
  4. 표면 상태 효과
  5. 패키지 몰딩 오염—포장 화합물의 불량이 전기적 고장을 유발

응력에 의한 고장 메커니즘

  1. 전기화 – 칩 내 재료의 전기적 유도 이동
  2. 번아웃 – 국부적 과부하
  3. 핫 일렉트로닉 트래핑 – 전력 RF 회로의 과부하로 인한 현상
  4. 전기적 응력 – 정전기 방전, 고자기장(HIRF), 래치업 과전압, 과전류

기계적으로 유도된 고장 메커니즘

  1. 다이 파단 - 열팽창 계수의 불일치로 인한 고장
  2. 다이애치 공극 – 제조 결함 - Scanning Acoustic Microcycopy로 화면 가능.
  3. 크리프 피로 또는 금속 간 균열에 의한 솔더 조인트 고장.
  4. 열순환에 의한 다이패드/몰딩 복합탈출

환경 유발 고장 메커니즘

  1. 습도 효과 – 패키지 및 회로에 의한 수분 흡수
  2. 수소 효과 – 회로 부분의 수소 유도 분해(금속)
  3. 기타 온도 영향 - 노화 가속화, 온도에 따른 전기 마이그레이션 증가, 연소율 증가

참고 항목

참조

  1. ^ AEC 문서
  2. ^ "AEC Q001" (PDF).
  3. ^ "D.W. Price and R.J. Rathert (KLA-Tencor Corp.). "Best Known Methods for Latent Reliability Defect Control in 90nm – 14nm Semiconductor Fabs". Nineteenth Annual Automotive Electronics Reliability Workshop. Novi, Michigan. April 2017".
  4. ^ Sykes, Bob (June 2010). "Why test bonds?". Global SMT & Packaging magazine.

참고 문헌 목록