반도체 입문 · 22강
신뢰성, 출하, 그리고 제품 속으로
테스트는 칩이 ‘지금 괜찮은가’만 묻지만, 칩은 제품 속에서 여러 해를 버텨야 한다. 이번 강에서는 몇 주 만에 몇 년 뒤의 일을 알아내는 방법, 취약한 칩을 걸러 내는 방법, 그리고 칩이 포장되어 출하되고 회로 기판에 납땜되어 우리 손에 든 제품 속으로 들어가는 과정을 살펴본다.
학습 목표
- 신뢰성 시험이 무엇을 묻는지, 가속 조건으로 몇 주 만에 몇 년을 어떻게 추산하는지, 그리고 흔히 쓰는 몇 가지 시험이 각각 무엇을 보는지 말할 수 있다.
- 욕조 곡선을 읽을 줄 알고, 신뢰성 시험(샘플링)과 번인(전수)을 구별하며, 수율이 유난히 나쁜 로트를 왜 더 조심해야 하는지 안다.
- 칩을 어떻게 테이프 앤 릴에 담는지, 습기에 약한 칩은 왜 방습 포장을 해야 하는지, 조립 공장이 SMT로 칩을 회로 기판에 어떻게 납땜하는지 말할 수 있다.
한 단계씩
- 양산 전에 신뢰성 시험을 한다: 여러 로트에서 샘플링해, 더 뜨겁고 전압이 더 높은 조건에서 1,000시간 넘게 돌린다.
이유칩은 여러 해를 써야 하지만 실제로 몇 년을 기다릴 수는 없다. 조건을 가혹하게 하면 노화가 몇 주 안에 먼저 일어난다.
하지 않으면갓 만들었을 때 괜찮은지만 보면, 배선이 가늘어지거나 절연층이 파괴되는 것처럼 몇 년 뒤에야 생기는 일은 알 수 없다.
- 출하 전에 취약한 칩을 처리한다: 요구 수준이 높은 제품은 전수 번인으로 약한 것을 걸러 내고, 전수 번인을 하지 않는 경우에는 흔히 한 로트에서 수백 개를 뽑아 하루이틀 돌려 그 로트가 대체로 괜찮은지 본다.
이유작은 결함이 있는 칩도 테스트는 모두 통과하고, 몇 주에서 몇 달을 쓴 뒤에야 고장 난다. 이를 초기 고장이라고 한다.
하지 않으면취약한 칩은 사용자의 손에 들어간 뒤에야 고장 난다. 자동차나 병원에서 고장 나면 대가가 아주 크다.
- 테스트에 합격한 칩만 테이프의 작은 포켓에 하나씩 같은 방향으로 담아, 릴 하나로 감는다.
이유고객의 장비는 테이프를 한 칸씩 보내며 칩을 하나씩 흡착해 집어 올리는데, 방향이 모두 같아야 1번 핀이 어느 쪽인지 알 수 있다.
하지 않으면방향이 반대로 들어가도 장비는 그대로 실장하므로, 기판이 작동하지 않거나 타 버릴 수도 있다.
- 습기 민감도 등급(MSL)을 확인한다. 습기에 약한 것은 먼저 베이킹해 건조한 뒤, 건조제, 습도 표시 카드와 함께 방습백에 밀봉한다.
이유플라스틱 패키지는 수분을 흡수하는데, 납땜할 때 200여 도까지 가열되면 수분이 수증기가 되어 패키지를 벌리거나 갈라지게 할 수 있다.
하지 않으면칩이 운송 중에, 창고에서 날마다 수분을 흡수해 고객에게 도착했을 때는 이미 습기를 머금고 있다.
- 릴마다, 백마다 라벨을 붙인다. 습기에 약한 것에는 등급, 밀봉 날짜, 개봉 후 얼마 안에 납땜해야 하는지도 적는다.
이유고객은 이 라벨로 앞으로 얼마나 더 보관할 수 있는지 계산하고, 문제가 생기면 로트 번호로 팹의 해당 로트까지 거슬러 추적한다.
하지 않으면밀봉 날짜가 빠지면 고객은 이 백을 얼마나 더 보관할 수 있는지 계산할 수 없다.
- 조립 공장에서는 백을 개봉하면 먼저 습도 표시 카드를 보고, 정해진 시간 안에 납땜을 마친다. 카드 색이 이미 변했거나 시간을 넘겼다면 먼저 베이킹해 건조한다.
이유백을 여는 순간 칩은 다시 수분을 흡수하기 시작한다. 습기에 약한 등급일수록 개봉 후 둘 수 있는 시간이 짧다.
하지 않으면너무 오래 두었다가 베이킹 없이 리플로우를 거치면 수분이 수증기가 되어 외장과 칩을 벌려 놓는다. 이를 팝콘 현상이라고 한다.
- SMT로 회로 기판에 납땜한다: 솔더 페이스트를 인쇄하고, 부품을 올리고, 리플로우 오븐을 통과시킨 뒤, 마지막으로 솔더 접합부를 검사한다.
이유땜납이 녹았다가 다시 굳어야 단단히 붙는다. 큰 부품은 늦게 데워지므로, 오븐은 먼저 천천히 가열한 뒤 200여 도까지 올린다.
하지 않으면온도가 너무 낮거나 시간이 너무 짧으면 접합부가 약하고, 너무 뜨겁거나 길면 부품이 손상된다. 불량 기판을 제품에 넣은 뒤에야 발견하면 찾기도 더 어렵고 비용도 더 든다.
핵심 설명
테스트는 ‘지금 괜찮은가’, 신뢰성은 ‘몇 년을 써도 괜찮은가’를 묻는다
칩은 출하 전에 모두 전기를 걸어 테스트하며, 보통 두 번 테스트한다. 하지만 칩도 노화한다. 배선 속 금속 원자는 전류에 떠밀려 이동하고, 시간이 지나면 선이 가늘어지거나 끊어지기까지 한다. 트랜지스터 안의 아주 얇은 절연층은 늘 전압을 받고 있어, 오래되면 절연이 파괴될 수 있다. 칩, 플라스틱 외장, 솔더 접합부는 열팽창과 수축의 정도가 서로 달라, 온도가 오르내릴 때마다 서로 잡아당긴다. 이런 일은 몇 년이 지나야 드러나는데, 몇 년을 기다렸다가 팔 수는 없다. 그래서 ‘가속’에 기댄다. 칩을 노화시키는 화학 반응 상당수는 온도가 높을수록 빨리 진행된다. 우유를 식탁 위에 두면 냉장고에 둘 때보다 빨리 상하는 것과 같다. 전압을 조금 높이면 약점도 더 빨리 드러나고, 습기와 급격한 온도 변화도 마찬가지다. 조건을 평소보다 가혹하게 하면 노화가 몇 주 안에 먼저 일어나고, 그 결과로 평소 사용에서 얼마나 버틸지를 거꾸로 추산한다. 하지만 한없이 가속할 수는 없다. 너무 뜨거우면 재료가 물러지는 것처럼 평소에는 일어나지 않는 고장이 나타날 수 있고, 그러면 시험 결과는 실제 사용과 무관해진다.
시험 방법: 여러 로트에서 샘플링하고, 중간에 측정하고, 고장 나면 원인을 찾는다
신뢰성 시험은 샘플링으로 한다. 여러 로트에서 각각 수십 개씩 뽑되, 양산과 같은 방식으로 만들고 패키징한 것이어야 한다. 한 로트에서만 뽑으면 하필 가장 좋은 로트를 뽑았을 수도 있다. 칩을 보드에 꽂아 오븐에 넣고, 전기를 걸고 가열한 채 계속 돌리며, 수백 시간마다 꺼내 하나씩 측정한다. 중간에 측정해야 언제부터 나빠지기 시작했는지 알 수 있다. 흔히 하는 시험 하나가 고온 동작 시험(HTOL)이다. 100도가 넘는 온도에서 전압을 걸고 1,000시간, 약 6주 동안 돌리며, 흔한 기준은 3로트, 로트당 77개로 단 하나도 고장 나서는 안 된다. 그 밖에 온도 사이클(패키지 안의 접합부에 균열이 생기는지), 고온 고습(습기가 플라스틱으로 스며들어 배선을 부식시키는지), 정전기(보호 회로가 막아 내는지) 시험이 있다. 고장 난 칩이 있으면 뜯어서 원인을 찾는다. 원인은 공정, 설계, 패키징 가운데 어디에나 있을 수 있고, 그에 따라 대책은 전혀 다르다. 어떤 시험을 하고 몇 개를 뽑을지는 공개된 표준에 정해져 있으며, 자동차에 들어가는 칩은 더 많은 항목을 더 엄격하게 시험한다. 신뢰성은 대개 양산 전에 시험하며, 양산 팹으로 넘기기 전에 확인해야 할 항목 가운데 하나다.
욕조 곡선: 사용 초기의 고장은 번인으로 걸러 낸다
똑같은 칩을 대량으로 사용하면서 기간마다 몇 개가 고장 났는지 기록해 그래프로 그리면 욕조 모양이 된다. 사용 초기에는 고장이 비교적 많은데, 대부분 제조 과정에서 남은 작은 결함 때문이다. 예를 들어 가는 와이어 하나가 단단히 붙지 않은 칩은 테스트를 모두 통과하고도 몇 주에서 몇 달을 쓴 뒤에 고장 난다. 이를 초기 고장이라고 한다. 그 뒤 긴 중간 구간에서는 고장이 드물고, 나더라도 운에 가깝다. 여러 해를 쓰면 재료가 마모되어 고장이 다시 늘어난다. 신뢰성 시험은 양쪽 끝을 모두 본다. 왼쪽이 얼마나 높은지, 그리고 오른쪽이 올라가기 전까지 충분히 오래 버티는지다. 또 샘플링이므로 묻는 것은 ‘이 종류의 칩이 얼마나 버티는가’다. 번인(burn-in)은 맨 왼쪽만 다루지만, 칩 하나하나를 전수로 처리한다. 출하 전에 흔히 100도 이상, 평소보다 조금 높은 전압에서 몇 시간에서 며칠 동안 전기를 걸어 돌려, 취약한 칩이 공장 안에서 먼저 고장 나게 한다. 그런 다음 다시 테스트해 고장 난 것을 걸러 내고 출하한다. 모든 칩을 번인하지 않을 때의 절충안으로, 한 로트에서 수백 개를 뽑아 하루이틀 돌려 보고 그 로트가 대체로 괜찮은지 판단하는 방법이 있다. 고장이 많으면 원인을 먼저 밝힌 뒤 출하한다. 하지만 샘플링으로는 취약한 칩을 하나하나 걸러 낼 수 없어, 뽑히지 않은 칩은 그대로 출하된다.
포장하고 출하해, 회로 기판에 납땜하기까지
칩을 출하할 때는 ‘방향’과 ‘건조’를 함께 챙겨야 한다. 테스트를 마친 칩은 대부분 테이프 앤 릴의 작은 포켓에 하나씩 담는데(튜브나 트레이에 담기도 한다), 모두 같은 방향으로 넣어야 고객의 장비가 1번 핀(핀 번호가 시작되는 곳)이 어느 쪽인지 알 수 있다. 칩을 감싼 플라스틱은 공기 중의 수분을 서서히 흡수한다. 납땜할 때 200여 도까지 가열되면 이 수분이 한꺼번에 수증기로 변해, 가벼우면 플라스틱과 칩이 벌어지고(박리), 심하면 패키지 전체가 갈라진다. 이를 흔히 팝콘 현상이라고 한다. 그래서 기판 표면에 실장하는 플라스틱 패키지는 종류마다 습기 민감도 등급(MSL)이 정해져 있다. 습기에 약한 것은 먼저 베이킹해 건조한 뒤 방습백에 밀봉하고, 개봉 후에는 정해진 시간 안에 납땜을 마쳐야 한다. 납땜은 대개 조립 공장에서 SMT(표면 실장 기술)로 한다. 부품을 기판의 구멍에 꽂지 않고 표면에 바로 올려 납땜하므로, 더 작게 만들 수 있고 기판 양면에 모두 부품을 올릴 수 있다. 팹에는 SMT 라인이 없다. 후공정 공장이 칩을 패키징해 테이프 앤 릴에 담으면, 조립 공장이 회로 기판에 납땜해 휴대폰과 컴퓨터에 넣는다.
흔한 오해
- 흔히 듣는 말수율이 나쁜 로트라도 골라낸 양품 칩은 모두 테스트를 통과했으니, 다른 로트만큼 믿을 만하다.
- 실제로는꼭 그렇지는 않다. 수율이 유난히 나쁜 것은 흔히 그 웨이퍼들, 그 로트들이 결함을 특히 많이 맞았기 때문이다. 어떤 결함은 칩을 그 자리에서 망가뜨릴 만큼 크지 않아, 테스트는 통과하지만 상대적으로 취약한 작은 결함으로 남는다. 연구에 따르면 수율이 유난히 나쁜 웨이퍼와 로트에서는 테스트를 통과한 칩도 나중에 초기 고장이 나는 비율이 더 높다. 이는 통계적 경향이지 모든 칩에 문제가 있다는 뜻은 아니다. 요구 수준이 높은 제품은 이런 칩을 한 번 더 선별한다. 예를 들어 번인을 먼저 하거나, 따로 처리한다.
- 흔히 듣는 말번인으로 취약한 칩을 걸러 낼 수 있으니, 모든 종류의 칩을 하나하나 더 오래 번인하는 것이 가장 안전하다.
- 실제로는번인에는 대가가 따른다. 로트마다 몇 시간에서 며칠을 더 기다려야 하니 출하도 늦어진다. 전용 설비가 필요하고 칩마다 전기를 걸어야 하므로 공간도 차지하고 전력도 든다. 번인 중에 고장 난 칩은 원래 양품으로 셀 수 있었던 것이니 수율도 떨어진다. 너무 오래 번인하면 좋은 칩도 수명을 조금 써 버려, 욕조의 오른쪽으로 일찍 떠미는 셈이 된다. 그래서 번인은 주로 자동차나 의료기기처럼 고장 나면 대가가 아주 큰 제품에 쓴다. 더 근본적인 방법은 작은 결함이 어느 공정에서 생기는지 찾아 공정을 개선하는 것이다. 초기 고장이 충분히 줄면 번인 시간을 줄이거나, 차츰 없앨 수도 있다.
살펴보기: 분해해 보는 장비
신뢰성 시험 오븐
부품 실장 라인필독
- 신뢰성 테스트란? 칩은 몇 년을 써야 하는데, 몇 주 만에 어떻게 알 수 있을까
- 칩은 어떻게 출하할까? 테이프 앤 릴, 방습 포장과 습도 민감도 등급
- 칩은 어떻게 회로 기판에 납땜할까? SMT 표면 실장과 리플로우
더 읽기
플레이
챕터 12 ‘출하 전날 밤’부터 시작하기: 샘플링해 이틀 동안 돌려 초기 고장을 볼지, 내일 예정대로 출하할지 직접 결정하고, 출하 구역에서 마지막 관문인 방습 포장 확인하기 →
생각해 보기
- 내일 아침이면 출하해야 한다. 신뢰성 시험실에서는 먼저 수백 개를 뽑아 고온에서 전압을 걸고 이틀 동안 돌려 초기 고장을 확인할 수 있다고 하지만, 그러면 물량 전체가 일주일 늦어진다. 직접 결정한다면 무엇을 먼저 알고 싶은가? 또 누구와 먼저 이야기하겠는가?
- 방습백 겉면의 경고 라벨에는 등급, 밀봉 날짜, 개봉 후 얼마 안에 납땜해야 하는지 같은 몇 칸의 글자만 적혀 있다. 조립 공장에서 부품을 장비에 올리는 일을 맡았다면, 모든 백이 그대로 처리되도록 어떻게 하겠는가? 한 칸이 비어 있으면 누가, 언제 곤란을 겪게 될까?
수업 자료: 슬라이드
이 강의의 핵심, 모식도, 장비, 토론 질문을 슬라이드 한 벌로 만들었다. 그대로 화면에 띄워도 되고, 자신의 강의 자료에 넣어도 된다.
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