신뢰성이라는게 참 모호하면서도 이해하기 힘든 개념이기는 합니다. 그렇기 때문에 꾸준히 공부를 하지 않으면 금방 또 까먹는게 이 신뢰성이라는 개념인데요. 제가 일하는 분야가 자동차쪽이기는 하지만 반도체쪽은 어떻게 이뤄지는지 궁금해서 정확한 자료는 아니지만 참고가 될만 한 자료들로 해서 한번 정리를 해볼까 합니다.
반도체 관련 업무를 하고 있는 분들께서는 이 글을 패스 하시는게 좋을 것 같네요. 그럼 제가 수집해본 자료를 토대로 한번 글을 작성해보도록 하겠습니다.
신뢰성의 개념과 척도
소자의 신뢰성이란 그것이 부품의 일부로서 기기에 사용될 때 “목적으로 하는 기능을 지정된 시간 동안 고장 없이 발휘할 수 있을 것”이라고 정의할 수가 있다. 신뢰성을 정량적으로 표현한다면 신뢰도나 또는 고장율로 표현할 수가 있고 시간을 하나의 변수로 하는 분포 함수로 표현하여 지수 분포, Wieble 분포가 반도체에서는 주로 적용된다.
아래 그래프는 일반 전자 부품과 반도체 제품에 발생하는 고장에 대해 시간을 파라메터로 표현한 것으로 어떤 일정한 경향을 가지고 있다는 것이 잘 알려져 있다.
표1. 시간의 경과에 따른 고장 발생률 관계
고장기(Initial Failure Period) 우발 고장기(Random Failure Period) 마모 고장기(Wearout Failure Period) 라고 불린다.
특히 반도체 제품은 우발 고장기에 고장의 발생율이 점감현상(漸減現狀)을 보이는 것이 특징이라고 할 수가 있으나 이때의 고장은 우발적으로 발생하는 것을 의미하므로 이러한 고장의 발생을 최소화하는 것이 중요한 과제이다.
반도체 제품의 신뢰도를 표현할 때는 여러 가지 분포 함수를 이용하여 근사적으로 표현하며 전자 부품의 수명 분포의 형태인 지수 분포를 가정하는 경우에는 신뢰도 함수 R(t)는 다음의 식으로 표현된다.
R(t) = exp(-λt)
또 순간 고장율 λ(t)와 평균수명μ는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
λ(t) = λ(시간의 경과에 관계없이 일정)
μ = 1/λ = MTTF
통상 반도체 제품의 고장율은 시간(t) = 1,000 시간을 기준으로 %/1,000시간으로 표현하는 것이 일반적이다.
또 필드 데이터나 고장율 예측에서는 고장이 매우 적고 고장율이 낮으므로 이 값의 1/104 배 즉, 10-4(%/1,000시간) = 10-9(고장/시간)를 1Fit라고 하는 단위로 표현한다.
신뢰성의 요인
반도체 소자의 신뢰성은 소자 자체뿐만 아니라 필연적으로 가해지는 동작상의 스트레스와 환경상의 스트레스도 중요하게 취급하지 않으면 안 된다.이러한 스트레스는 상호간에 밀접한 관계가 있으므로 보다 신뢰도 높게 사용하기 위해서 여러 가지 요인들 중에서 보다 중요한 요인에 관하여 설명한다.
동작요건
반도체에 인가하는 전압, 전류나 기기에 사용되는 환경 조건은 신뢰도를 좌우하는 큰 요인이다. 목적으로 하는 회로에 따라 적정한 소자의 선택과 회로 설계에 의하여 알맞는 동작점을 설정하지 않으면 안 된다.집적회로의 고장율은 온도에 크게 영향을 받는 다는 것은 잘 알려진 바와 같고 온도가 높아짐에 따라서 고장율도 증대된다.
그러나 소신호용 집적회로는 인가되는 전압, 전류가 작으므로 특수한 회로를 제외하고는 온도에 대하여 크게 우려하지 않아도 좋다고 말할 수가 있다. 오히려 서지 전압의 인가나 특성의 편차에 주목하여 설계를 할 때 특성 변동의 허용 한계를 확인하고 여유를 줄 수가 있다면 소자의 수명 더 나아가서는 기기의 수명을 대폭 연장할 수가 있다.
한편 비교적 큰 전압과 전류를 인가하는 전력용 집적회로는 전압보다 전류가 크므로 소자 자체에서의 소비 전력이 매우 크다. 이때의 전력 소비는 집적회로의 자체 발열을 일으켜 특성적으로도 신뢰성적 측면에서도 좋지 않으므로 방열을 신경 쓰지 않으면 안 된다.집적회로를 신뢰도 높게 사용하기 위하여서는 최대 정격으로 규정된 전압, 전류, 온도에 대하여 체감하여 사용하는 것이 좋다.그러나 체감은 신뢰성과 경제성과의 타협점이 있으므로 일률적으로 얼마를 체감하라고 하는 것은 곤란하나 통상 다음과 같이 체감하는 것이 표준이라고 말할 수가 있다.
소자의 편차
제조 공정에 있어서 자동화나 제조 기술의 향상은 눈부실 정도로 발전과 적극적인 신기술의 도입으로 품질과 신뢰성은 매년 향상을 거듭하고 있다.따라서 공정의 완전 자동화는 말할 것도 없고 새로운 관리 기법의 도입 등으로 품질의 편차는 거의 없는 것에 가깝다고 말할 수가 있다.
그러나 반도체 제품은 그 형상, 구조, 치수가 매우 작고 물리적, 화학적인 기술을 기초로 하여 고정도의 제어 관리에 의한 정밀 기술로 만들어지지만 그 어떤 조그만 편차라도 특성에 미치는 영향은 매우 크고 최신 기술을 구사한다 해도 균일성을 유지한다는 것은 어려운 것이 현실이다.
내환경성
제품의 케이스는 플라스틱 수지 봉지형(樹脂封止形)과 금속 등에 의한 기밀 봉지형(氣密封止形)의 두 가지로 크게 나누어진다.최근에는 가격이 저렴하고 생산성이 높은 플라스틱 수지 봉지형이 주류를 이루고 있으며 소신호용에서 대전력용까지 응용 영역이 넓어져 가고 있다.
이것은 기계적 강도가 크고 전기적 절연성, 내환경성이 뛰어난 수지의 개발과 성형 기술이나 표면 처리 기술의 발달에 의한 것으로 이로 인하여 비약적인 신뢰성의 향상이 가능하게 되었다.현상적으로는 시장의 환경에도 기인하나 특수한 환경을 제외하면 금속 기밀 봉지형과 동등한 수준의 신뢰성을 실현할 수가 있다.
그러나 플라스틱 수지형은 기밀 봉지형이 아니어서 습기가 수지를 통하여 내부에 침투하므로 기기나 시스템의 사용하려 하는 환경이 사전에 예측 가능하다면 특별히 내환경성(耐環境性)이 요구되는 경우에는 금속 기밀 봉지형을 사용하는 것이 좋다.반도체 제품은 먼지나 유해 가스, 소금기, 방사선 등의 분위기에 직접 노출하면 특성 불안정이나 열화, 리드 부위의 부식 등을 일으키는 주된 원인이 되므로 주의할 필요가 있다.
신뢰성 테스트의 종류
신뢰성 시험규격
JEDEC
JJESD22반도체 소자의 시험 방법
일본 전자공업협회 표준규격 EIAJ 규격
EIAJ ED-4701반도체 부품에 대한 환경 및 내구성 시험 방법
EIAJ ED-4702표면실장 부품의 기계적 시험 방법
미국 군용 규격 MIL규격
MIL-STD-202전기 & 전자 부품의 시험 방법
MIL-STD-750반도체 소자의 시험 방법
MIL-STD-883극소 전자 부품 시험 방법 및 절차
일본 공업 규격 JIS 규격
JIS C7021개별 반도체 소자의 환경시험 방법 및 내구성 시험방법
JIS C7030트랜지스터 측정 방법
JIS C7032트랜지스터 총칙
JIS C7210신뢰성 보증 개별 반도체 디바이스 통칙
신뢰성 보증 프로세스
- 비정기적 신뢰성
- 개발품, 재료/공정/실비 변경 등의 해당 제품을 신뢰성측면에서 검증하기 위해 실시하는 평가(1,000Hr 평가)
- Lot Link
- 양산 시제품에 대해 양산성(유효성)을 확인하기위하여 실시하는 평가(168Hr 평가)
- 정기 신뢰성
- 양산 중인 제품에 대하여 신뢰성 측면의 품질을 확인,보증하기 위하여 정기적으로 실시하는 평가(1,000Hr 평가)
가속 테스트
대부분의 반도체 장치는 정상적으로 사용 시 수년이 넘는 수명을 제공합니다. 그러나 장치를 연구하기 위해 수년을 기다릴 수는 없기 때문에 도입 응력을 높여야 합니다. 도입 응력을 통해 잠재적 고장 메커니즘을 강화하거나 가속화하면 근본 원인을 파악하고 고장 유형을 방지하기 위한 조치를 취하는 데 많은 도움이 됩니다.
반도체 장치에서 일반적인 촉매는 온도, 습도, 전압 및 전류입니다. 대부분의 경우 가속 테스트가 고장의 물리학을 변화시키지는 않지만 관찰 시간은 변합니다. 가속화와 사용 조건 사이의 변화를 ‘디레이팅’이라고 합니다.
1. EM(Electromigration)
높은 전류 및 온도로 Metal의 Quality를 특성화하기 위하여 사용되는 시험.
2. HCI ( Hot carrier injection)
MOSFET 소자에서 channel영역의 carrier가 높은 에너지를 받고 SiO2(절연막)안으로
들어와서 소자의 Vth를 변화시키는 불량을 의미한다.
3. TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)
HCI의 연장선으로 시간이 지남에 따라서 Oxide에 injection되는 carrier양이 많아 지게 되면
처음에는 trap으로 듬성듬성 박혀있던 애들이 집합을 이루게 되며 연결되게 된다.
그러면 아래와 같이 절연체의 역할을 해줘야 하는 SiO2가 injection된 carrier에 의해 이어지게 되어
Gate와 기판이 short이 되버리는 불량이 발생하게 된다.
HCI와 유사하게 특정 TR이 너무 많이 injection 되는 것을 막기 위해 HCI와 같이 simulation 을 통해
spec in / out을 평가한다.
4. BTI (bias temperature instability)
쉽게 AC stress라고 이해할수 있다. (0 1 0 1 .. 반복될때 받는 stress에 의한 Vth shift)
HCI/TDDB는 트랜지스터가 얼마나 많이 on/off 됫냐
BTI는 트랜지스터가 얼마나 오랜시간 동안 01010101 반복되서 수행되었느냐를 대변한다
BTI는 NBTI/PBTI 두개로 나뉜다.
NBTI(negative bias temperature instability) : NFET이 받는 AC stress
PBTI(positive bias temperature instability) : PFET이 받는 AC stress
각 회사마다의 신뢰성 테스트가 존재한다. 그리고 없다고해도 신뢰성 테스트에 대한 각 회사별로 설정을 하고 기준을 잡는데 있어 상당한 시간과 노력이 필요하다.
어떤 환경인자 하나가 잘못들어가서 실제 필드 고장모드와 시험에서의 다른 고장모드가 발생시 그건 유효한 테스트라고 보기 힘들기 때문에 가속시험 이전에 많은 FMEA와 기능전개를 통한 고장모드 분석이 제대로 이뤄져야 하는 부담감이 존재합니다.
그런 실질적인 사전검토를 통해서 충분한 제품의 기능과 고장에 대한 분석의 데이터를 가지고 시험스펙이 없는 경우 시험방법을 만들고 필드 고장모드와 동일한 고장모드를 발견하는게 제일 먼저 해야 될 신뢰성 테스트이기도 합니다.
신뢰성 관련한 글은 꾸준히 포스팅 할 예정이며, 앞으로도 저의 업무에 어떻게 적용하게 될 것인지도 꾸준히 공부가 필요할 듯 보여집니다.
향후 품질관련된 최고봉 자격증을 준비할 예정이라서 더더욱 애착이가는 분야이기도 합니다. 도전없는 성공은 없습니다. 신뢰성 개념에 대한 어려움이 있더라도 꼭 포기하지 마시고, 한번 도전해 보시기를 바랍니다.
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