신뢰성 테스트란? 칩은 몇 년을 써야 하는데, 몇 주 만에 어떻게 알 수 있을까

신뢰성 테스트(reliability test, 신뢰성 시험이라고도 한다)가 묻는 것은 이것이다. 칩을 몇 년 쓴 뒤에도 괜찮을까? 일반 테스트는 ‘지금 괜찮은지’를, 신뢰성 테스트는 ‘몇 년을 써도 괜찮은지’를 묻는다. 방법은 칩을 평소보다 뜨겁고, 전압이 높고, 차가웠다 뜨거웠다 하거나, 덥고 습한 환경에 넣어, 원래 몇 년이 지나야 일어날 노화를 몇 주 안에 먼저 일어나게 한 다음, 평소 사용에서 얼마나 견딜지 거꾸로 추산하는 것이다.

테스트를 다 통과했는데 왜 신뢰성을 또 시험할까?

칩은 출하 전에 하나하나 모두 전기를 넣어 테스트하며, 보통 두 번이다. 웨이퍼 상태에서 한 번(웨이퍼 테스트), 패키징한 뒤 다시 한 번(파이널 테스트) 테스트한다(‘칩은 어떻게 테스트할까?’ 참고). 하지만 칩도 늙는다. 안에 든 것이 조금씩 변한다.

• 배선 속 금속 원자가 전류에 떠밀려 이동하고, 오래되면 선이 가늘어지거나 끊어지기까지 한다.
• 트랜지스터 안의 아주 얇은 절연막은 전압을 계속 받다 보면 결국 절연이 파괴될 수 있다.
• 칩, 플라스틱 외장, 솔더 연결부는 열팽창·수축 정도가 서로 달라서, 차가워졌다 뜨거워질 때마다 서로 잡아당긴다.

이런 일은 몇 년이 지나야 문제가 되지만, 몇 년을 기다렸다가 팔 수는 없다. 신발이 얼마나 오래가는지 시험할 때 실제로 3년을 신어 보지 않고, 기계로 수없이 구부려 보는 것과 같다.

욕조 곡선: 칩은 언제 고장 나기 쉬울까?

똑같은 칩을 대량으로 쓰면서 기간마다 몇 개가 고장 났는지 기록해 그래프로 그리면 욕조 모양이 되는데, 이를 욕조 곡선(bathtub curve)이라고 한다.

1. 쓰기 시작할 무렵: 고장이 비교적 많다. 대개 제조 때 남은 작은 결함 때문이며, 이를 초기 고장이라고 한다. 이 구간은 금방 내려간다.
2. 중간의 긴 구간: 고장이 드물다. 가끔 하나씩 고장 나는데, 운에 가깝다.
3. 여러 해를 쓴 뒤: 재료가 서서히 마모되고 노화해 고장이 다시 늘어난다.

신뢰성 테스트는 양쪽을 모두 본다. 왼쪽이 얼마나 높은지, 오른쪽이 올라가기 전까지 충분히 오래 버티는지다. 더 자세한 설명은 ‘번인이란?’에 있다.

몇 년 뒤의 일을 몇 주 만에 어떻게 알까?

비결은 ‘가속’이다. 칩을 늙게 하는 화학 반응 중 상당수는 온도가 높을수록 빨라진다. 우유를 식탁에 두면 냉장고에 둘 때보다 빨리 상하는 것과 같다. 전압을 조금 높이면 약점도 더 빨리 드러난다. 습기와 급격한 온도 변화도 마찬가지다. 그래서 조건을 평소보다 가혹하게 하면 노화가 앞당겨진다.

하지만 한없이 가혹하게 할 수는 없다. 너무 뜨거우면 재료가 물러지는 것처럼 평소에는 일어나지 않는 고장 모드가 나타날 수 있고, 그러면 시험 결과가 실제 사용과 무관해진다. 그래서 ‘평소에 일어날 고장 모드를 빠르게 하는’ 조건을 골라야 한다. 몇 배나 빨라지는지도 고장 모드에 따라 다르다. 고장 모드마다 온도에 민감한 정도가 다르기 때문이다.

신뢰성 테스트는 어떻게 할까? 단계별로 보기

1단계: 샘플을 고른다

여러 로트에서 각각 수십 개씩 뽑아, 양산과 같은 방식으로 만들고 패키징한다. 로트마다 조금씩 다르기 때문에, 한 로트에서만 뽑으면 마침 가장 좋은 로트를 뽑았을 수도 있고, 그러면 결과는 그 몇 개만 대표하게 된다.

2단계: 가속 조건에 넣는다

칩을 보드에 꽂아 오븐이나 항온항습기에 밀어 넣고, 전원을 걸고 가열하며 계속 돌려 노화를 앞당긴다. 가속하지 않으면 정말로 몇 년을 기다려야 한다.

3단계: 일정 간격으로 꺼내 측정한다

예를 들어 수백 시간마다 꺼내 하나씩 측정한다. 기능이 여전히 맞는지, 누설 전류가 늘지 않았는지 보고 다시 넣어 돌린다. 시험 전체는 1,000시간이 넘게 걸리는 경우가 많아 몇 주가 소요된다. 중간에 측정해 두어야 언제부터 나빠지기 시작했는지, 서서히 틀어지고 있는지 알 수 있다. 마지막 한 번만 보면 구별할 수 없다.

4단계: 몇 개가, 어떻게 고장 났는지 본다

흔한 합격 기준은 하나도 고장 나지 않는 것이다. 고장 난 것이 있으면 분해하고 잘라서 원인을 찾는다(‘불량 분석(FA)이란?’ 참고). 원인은 공정에 있을 수도, 설계나 패키징에 있을 수도 있고, 그에 따라 대책은 완전히 달라진다. 원인을 찾지 않으면 엉뚱한 곳을 고칠 수 있다.

5단계: 평소 사용에서 얼마나 견딜지 추산한다

‘온도가 높을수록 반응이 빠르다’는 관계를 이용해 오븐 속 시간을 평소 사용 시간으로 환산하고, ‘몇 년을 쓸 수 있는가’에 답한다. 하나도 고장 나지 않았다고 해서 보장이 되는 것은 아니다. ‘고장 비율이 얼마 이하’라고 어느 정도의 신뢰도로 말할 수 있다는 뜻일 뿐이다. 샘플이 너무 적거나 시험 시간이 너무 짧으면 이 말도 정확하지 않다.

대표적인 시험 항목에는 무엇이 있을까?

• 고온 동작(HTOL, 고온 동작 수명): 100℃가 넘는 온도에서 전압을 걸어 칩을 1,000시간 이상 계속 동작시킨다. 트랜지스터와 배선이 서서히 노화하는지 본다. 칩은 매일 전기를 받고 열을 내기 때문이다.
• 온도 사이클링: 영하 수십 도와 100℃가 넘는 온도 사이를 여러 번 오간다. 패키지 안의 연결부에 금이 가지 않는지 본다. 재료마다 열팽창·수축 정도가 달라서, 휴대폰을 에어컨이 켜진 방에서 뙤약볕 아래로 들고 나갈 때마다 한 번씩 잡아당겨지기 때문이다.
• 고온고습: 80℃ 남짓, 습도 80% 이상에서 전압을 걸어 1,000시간 이상 돌린다. 습기가 플라스틱 외장으로 스며들어 금속 배선을 부식시키지 않는지 본다. 플라스틱이 물을 완전히 막지는 못하기 때문이다.
• 정전기: 사람 손이 핀에 닿는 상황이나, 칩 자체가 전기를 띤 채로 금속에 닿는 상황을 모사해 방전을 가한다. 칩 안의 보호 회로가 막아 내는지 본다. 사람 몸의 정전기는 1,000볼트가 넘는 경우가 많고, 칩은 공장에서 조립까지 가는 내내 무언가에 닿기 때문이다.

어떤 항목을 시험하고 몇 개를 뽑을지는 업계에 공개된 표준이 있고, 제품이 어디에 쓰이는지에 따라서도 다르다. 자동차에 들어가는 칩은 더 많이, 더 엄격하게 시험한다(뉴스에 나오는 ‘차량용 반도체’는 무엇이 다를까? 참고).

수율이 유난히 나쁜 로트는 왜 더 조심해야 할까?

수율이 유난히 나쁜 것은 그 웨이퍼, 그 로트에 결함이 유난히 많이 생겼기 때문인 경우가 많다. 어떤 결함은 칩을 그 자리에서 고장 낼 만큼 크지 않아서, 테스트는 통과하지만 더 약한 작은 흠으로 남는다. 연구에 따르면 수율이 유난히 나쁜 웨이퍼와 로트에서는 테스트를 통과한 칩이 나중에 초기에 고장 나는 비율도 더 높았다.

이것은 통계적 경향이지 모든 칩에 문제가 있다는 뜻은 아니다. 하지만 요구 수준이 높은 제품은 이런 칩을 한 번 더 선별한다. 예를 들어 먼저 번인을 하거나 따로 처리한다(‘칩이 클수록 수율은 왜 낮아질까?’ 참고).

신뢰성 테스트와 번인은 무엇이 다르고, 언제 할까?

신뢰성 테스트는 샘플링이다. 일부를 뽑아 ‘이 칩 종류, 이 제조 방식이 얼마나 견디는지’를 시험한다. 번인은 전수다. 출하 전에 하나하나 일정 시간 동작시켜, 타고나기를 약해 일찍 고장 날 칩을 골라낸다. 신발에 비유하면, 신뢰성 테스트는 몇 켤레를 뽑아 닳아서 못 쓸 때까지 신어 보며 이 모델을 얼마나 오래 신을 수 있는지 보는 것이고, 번인은 모든 켤레를 먼저 신고 조금 걸어 보며 밑창이 제대로 붙지 않은 것을 골라내는 것이다.

신뢰성 시험은 대개 양산 전에 한다. 새 칩은 먼저 R&D 라인에서 시생산하는데, 양산 팹으로 넘기기 전의 기술 이전 심사에서 신뢰성은 대조해야 할 항목 중 하나다(‘개발 PIE 엔지니어는 무슨 일을 할까?’, ‘새 기술이 논문에서 양산까지 가는 데 얼마나 걸릴까?’ 참고). 시험이 끝나기 전에 양산 팹에서 먼저 웨이퍼를 투입하는 것을 리스크 투입(risk start)이라고 한다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 PIE 엔지니어를 찾는다. 저녁 근무는 기술 이전 심사 전날 밤이다. 8개 항목 체크리스트의 ‘신뢰성(HTOL)’은 막 500시간 중간 측정을 마쳤다. 세 로트, 로트당 77개, 고장 0개이고, 아직 3주를 더 돌려야 한다. 전기 측정실의 샤오원은 “경험상 처음 500시간 동안 문제가 없으면 뒤에도 보통은 괜찮아요. 하지만 보통이지, 반드시는 아니에요.”라고 말한다. 보청기 칩 ‘Glowmere’의 고객은 2주 일찍 칩을 받고 싶어 한다. HTOL이 끝날 때까지 기다릴지, 먼저 리스크 투입을 할지는 내가 권고한다. 이날 밤이 바로 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 4 ‘2주 앞당기기’다.

후공정 공장의 신뢰성 시험실에는 오븐이 있고, 벽에는 욕조 곡선이 한 장 걸려 있다. 메인 스토리 챕터 12 ‘출하 전날 밤’에서는 신뢰성 엔지니어 샤오팡이 몇백 개를 뽑아 이틀 동안 돌려 초기 고장을 확인할 수 있다고 말한다. 홈 화면의 ‘학습’에서 ‘31대 전체’를 누르면 신뢰성 시험 오븐을 분해해, 샘플링한 모듈을 어떻게 보드에 꽂고 밀어 넣어 가열하고 전원을 거는지 볼 수 있다.

게임 속 팹, Glowmere, 인물, ‘500시간’ ‘3주’ 같은 수치는 모두 가상의 설정이며, 신뢰성 테스트가 무엇이고 어떻게 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.