[논문]반도체 칩 테스트용 챔버 형상에 따른 유동 균일성에 대한 수치적 연구

이대규; 마상범; 김성; 김정열; 강채동; 김진혁

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.480

반도체 칩 테스트용 챔버 형상에 따른 유동 균일성에 대한 수치적 연구
A Numerical Study on the Flow Uniformity according to Chamber Shapes Used for Test of the Semi-Conductor Chip 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.5, 2020년, pp.480 - 488

이대규 (전북대학교 대학원 기계공학과) , 마상범 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 김성 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 김정열 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 강채동 (전북대학교 기계공학과) , 김진혁 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to improve the flow uniformity inside the chip tester through changing the flow path formation according to the inlet and outlet position of chamber. The internal flow and velocity distributions of the modified chamber models (Cases 1-3) were compared with the reference chamber model through three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with k-ε turbulence model. The modified chamber models showed the superior flow uniformity characteristics compared to the reference chamber model. To investigate the flow uniformity in the chip tester, the standard deviation of the velocity was defined and compared. Through the internal flow analysis and assesment of the standard deviation, Case 2 among the test cases including the reference model showed the best flow uniformity generally.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Cross-sectional view of the test chamber
그림 Fig. 2. Result of the grid dependency test
그림 Fig. 3. Grid system of the reference chamber
표 Table 1. Grid convergence index for the grid dependency test
그림 Fig. 4. Experimental set up for investigating the system loss
표 Table 2. Coefficients of Darcy's Law for chamber components
그림 Fig. 5. Three-dimensional geometry of the test chamber
그림 Fig. 6. Comparison of the streamline distribution
그림 Fig. 7. Location of comparison planes and points for measuring the velocity
그림 Fig. 8. Comparison of the velocity distribution
그림 Fig. 9. Comparison of the standard deviation in the chip testers
표 Table 3. Standard deviation of the comparison planes

AI 본문요약
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문제 정의

반도체 테스트는 칩 테스터(chip tester) 내부의 온도편차가 최소가 되는 조건에서 운전되는 것이 이상적이다. 그러므로 챔버 내부 형상 변경이나 주요 구성품들의 위치 변경을 통해 내부 유동 제어를 함으로써 온도편차를 작게 유지시키고자 하는 연구를 수행하였다.
본 연구는 기존에 사용되고 있던 챔버 내부의 온도 분포 균일성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 챔버 내부의 유동이 개선되면 온도 분포 균일성도 개선되므로^6,7) 본 연구에서는 열전달을 고려하지 않고 내부 유동의 균일성을 확인하는 목적으로 기존에 사용되고 있는 챔버를 대상으로 유동 해석을 진행하였으며, 챔버 내부의 유로 분석 및 칩 테스터 내부 공기 속도의 표준편차를 확인하였다.
본 연구는 반도체 칩 테스트를 위한 챔버의 내부온도 분포의 균일성을 개선하기 위한 연구의 일환으로 챔버 주요 구성품들의 위치 변경에 따른 내부 유로를 변경하여 칩 테스터 내부의 공기 속도분포의 균일성을 확인하는 연구를 수행하였다. 수치해석을 통해 기준 챔버 모델과 변경 챔버 모델의 내부 유동 및 유속분포를 비교하였다.
본 연구는 기존에 사용되고 있던 챔버 내부의 온도 분포 균일성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다. 챔버 내부의 유동이 개선되면 온도 분포 균일성도 개선되므로^6,7) 본 연구에서는 열전달을 고려하지 않고 내부 유동의 균일성을 확인하는 목적으로 기존에 사용되고 있는 챔버를 대상으로 유동 해석을 진행하였으며, 챔버 내부의 유로 분석 및 칩 테스터 내부 공기 속도의 표준편차를 확인하였다. 더불어 챔버 주요 구성품들의 위치 변경에 따른 내부 유로를 변경하여 칩 테스터 내부의 공기 속도분포의 균일성을 확인하기 위한 유동해석을 수행하였다.

가설 설정

반도체 챔버의 주요 구성품은 실제형상이 매우 복잡하기 때문에 원형 모델을 직접 모사하여 계산하면 많은 수의 격자가 필요하며 높은 계산비용 때문에 유동해석이 매우 어렵거나 불가능한 경우가 많다. 따라서 각 구성품의 형상을 단순화하여 다공성 매질로 가정하여 유동해석을 수행하였다. Jeong과 Lee¹²⁾ 및 Jung 등¹³⁾은 다공성 매질로 대체하는 모델링 기법의 유효성을 확인하기 위하여 원형모델과 다공성 모델을 선정하여 유동해석을 진행하였으며, 유동해석 결과 차이는 미비하고 전반적인 경향은 일치함을 확인하였다.
작동유체는 25°C의 공기를 사용하였으며, 입구의 경계조건으로는 송풍기 정격 사양의 유량이 흐르도록 9.57 m/s의 속도로 설정하였으며, 출구 경계조건은 표준 상태의 대기압으로 가정하여 부여하였다.
챔버의 벽 및 히터와 칩 테스터 1 사이에는 no-slip condition의 벽 경계조건을 부여하였다. 주요 구성품인 히터, 열교환기 및 칩 테스터는 다공성 매질(porous media)로 가정하였고, 각 구성품의 다공성질을 모사하기 위하여 손실모델을 적용하였다. 손실모델은 ANSYS CFX에서 다공성 매질로 해석하고자 하는 경우 사용하는 모델이다.

제안 방법

7과 같이 칩 테스터 내부에 수직방향으로 일정한 간격의 8개의 층을 생성하였으며, 각 층에서 동일한 간격으로 9개의 점을 찍어 속도를 측정하였다. 각 지점에서 측정한 속도는 송풍기의 유입 속도인 9.57 m/s로 나누어 무차원화 하였으며, 칩 테스터 1과 칩 테스터 2 내부의 평균유속을 비교하였다. 기준 챔버 모델은 칩 테스터 1 내부의 무차원화 된 평균 유속이 1.
Jeong과 Lee¹²⁾ 및 Jung 등¹³⁾은 다공성 매질로 대체하는 모델링 기법의 유효성을 확인하기 위하여 원형모델과 다공성 모델을 선정하여 유동해석을 진행하였으며, 유동해석 결과 차이는 미비하고 전반적인 경향은 일치함을 확인하였다. 다공성 매질로 모사하기 위하여 각 구성품에 대한 손실모델을 도출하였다. 이를 위해 챔버를 구성하는 각 구성품의 시스템 저항곡선을 Fig.
챔버 내부의 유동이 개선되면 온도 분포 균일성도 개선되므로^6,7) 본 연구에서는 열전달을 고려하지 않고 내부 유동의 균일성을 확인하는 목적으로 기존에 사용되고 있는 챔버를 대상으로 유동 해석을 진행하였으며, 챔버 내부의 유로 분석 및 칩 테스터 내부 공기 속도의 표준편차를 확인하였다. 더불어 챔버 주요 구성품들의 위치 변경에 따른 내부 유로를 변경하여 칩 테스터 내부의 공기 속도분포의 균일성을 확인하기 위한 유동해석을 수행하였다.
00172%로 매우 작은 수치적 불확실성이 확인되었다. 따라서 Richardson 외삽법을 기반으로 최적 격자계를 N₁으로 선정하였고, Fig. 2와 같이 격자수에 따른 칩 테스터 내부 평균유속을 도식화하였다. Fig.
아울러, 이러한 유동특성 변화로 인해서 칩 테스터 내부로 유입되는 유량 및 균일성도 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 따라서, 칩 테스터 내부의 유속 분포를 정량적으로 분석하기 위해 Fig. 7과 같이 칩 테스터 내부에 수직방향으로 일정한 간격의 8개의 층을 생성하였으며, 각 층에서 동일한 간격으로 9개의 점을 찍어 속도를 측정하였다. 각 지점에서 측정한 속도는 송풍기의 유입 속도인 9.
본 연구에서는 챔버의 유로 변경에 따른 칩 테스터 내부의 유속 표준편차 및 유동 특성 분석을 위해 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS CFX 19.1 (ANSYS Inc., Pennsylvania Cannonsburg, USA)⁸⁾을 이용하였다. 챔버 내부 유동영역은 삼차원 비압축성 정상상태 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 사용하여 유동해석을 수행하였으며, 난류모델로는 k-ε 난류 모델⁹⁾을 사용하였다.
본 연구는 반도체 칩 테스트를 위한 챔버의 내부온도 분포의 균일성을 개선하기 위한 연구의 일환으로 챔버 주요 구성품들의 위치 변경에 따른 내부 유로를 변경하여 칩 테스터 내부의 공기 속도분포의 균일성을 확인하는 연구를 수행하였다. 수치해석을 통해 기준 챔버 모델과 변경 챔버 모델의 내부 유동 및 유속분포를 비교하였다.
유동해석을 위한 삼차원 형상생성, 격자생성, 경계조건 부여, 유동해석 및 결과분석은 각각 Solidworks, ANSYS-Mesh, CFX-Pre, CFX-Solver 및 CFX-Post를 사용하였다.
주요 구성품에 대한 주 유동방향의 손실은 2차 저항계수 손실모델을 사용하였으며, 1차 및 2차 저항계수는 주요 구성품의 압력강하 실험결과로부터 계산된 값을 적용하였다. 주 유동방향에 대한 수직방향의 손실은 횡손실 옵션에서 주 유동방향 저항계수에 대한 지수를 적용하여 계산하였다.
손실모델은 ANSYS CFX에서 다공성 매질로 해석하고자 하는 경우 사용하는 모델이다. 주요 구성품에 대한 주 유동방향의 손실은 2차 저항계수 손실모델을 사용하였으며, 1차 및 2차 저항계수는 주요 구성품의 압력강하 실험결과로부터 계산된 값을 적용하였다. 주 유동방향에 대한 수직방향의 손실은 횡손실 옵션에서 주 유동방향 저항계수에 대한 지수를 적용하여 계산하였다.
5의 Cases 1-3과 같다. 칩 테스터는 기준 챔버 형상과 같이 2단으로 유지하였으며, 히터와 열교환기의 위치는 챔버의 입구와 출구의 위치에 따라 변경하였다. Case 1의 경우 챔버의 입구와 출구 위치를 각각 위·아래로 한 쌍으로 위치하며, 기존 송풍기의 절반 용량인 송풍기 2대가 각각 상단과 하단에 위치한다.

데이터처리

3으로 설정한 격자 의존성 시험 결과를 Table 1에 나타내었다. 이산화 오류를 비교하기 위해 칩 테스터 내부의 평균속도(V_c)를 사용하였으며, 송풍기 정격유량의 속도로 무차원 화한 속도(V_cn)가 비교되었다. 격자수가 증가할수록 칩 테스터 내부의 평균 유속이 점차 수렴하는 경향을 보이고 있으며, N₁을 사용한 경우 외삽 상대 오차(e_ext²¹)는 0.
칩 테스터 내부 유동 균일성을 보다 정량적으로 비교하기 위해 Fig. 7에 표기한 각 층마다 9개의 점에서 속도를 측정하여 표준편차를 비교하였다. 표준편차는 식 (2)를 사용하여 계산하였고, 정의는 다음과 같다.

이론/모형

각 구성품에 대한 속도에 따른 손실계수는 식 (1)의 손실법칙(Darcy’s Law)14)을 이용하여 구하였으며, 각 부품에 대한 계수값은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서 구성한 계산영역의 격자 의존성을 제거하기 위해 Roache¹⁰⁾, Celik과 Karatekin¹¹⁾에 의해 제안된 방법에 따라 격자 의존성 시험을 진행하였다. 이 방법은 Richardson 외삽법(extrapolation)을 기반으로 이산화 오류를 예측하여 수치해석의 불확실성을 지표로 나타내는 grid convergence index (GCI)를 분석하는 과정이다.
챔버 내부 유동영역은 삼차원 비압축성 정상상태 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 사용하여 유동해석을 수행하였으며, 난류모델로는 k-ε 난류 모델9)을 사용하였다.

성능/효과

이산화 오류를 비교하기 위해 칩 테스터 내부의 평균속도(V_c)를 사용하였으며, 송풍기 정격유량의 속도로 무차원 화한 속도(V_cn)가 비교되었다. 격자수가 증가할수록 칩 테스터 내부의 평균 유속이 점차 수렴하는 경향을 보이고 있으며, N₁을 사용한 경우 외삽 상대 오차(e_ext²¹)는 0.00138%, GCI_fine²¹은 0.00172%로 매우 작은 수치적 불확실성이 확인되었다. 따라서 Richardson 외삽법을 기반으로 최적 격자계를 N₁으로 선정하였고, Fig.
93을 나타내었다. 결과적으로 Case 2의 표준편차가 가장 작았으며, 기존 챔버 모델과 비교하여 유동 균일성이 약 4배 정도 향상되었다. 칩 테스터 내부의 유속분포는 Case 2일 때 가장 균일함을 Table 3과 Fig.
5[c] 내 A-A` 단면)에서 보는 바와 같이 송풍기로부터 유입되는 공기가 칩 테스터 내부로 직접 통과하여 상단과 하단에 위치한 챔버의 출구로 토출되는 것을 알 수 있다. 또한, 칩 테스터 전체 층으로 송풍기 유동이 고르게 유입되는 것을 관찰하였다.
앞서 살펴본 바와 같이 유동해석을 통해 챔버 형상 사례 연구를 수행하였으며, 각 구성품의 위치 변화에 따라서 챔버 내부의 유동특성에 상당한 영향을 미치는 것이 확인되었다. 아울러, 이러한 유동특성 변화로 인해서 칩 테스터 내부로 유입되는 유량 및 균일성도 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
Case 1은 상단부와 하단부에 위치한 각각의 송풍기로부터 공기가 유입되어 칩 테스터를 기준으로 대칭적으로 흐른다. 이러한 유동특성으로 인해 칩 테스터 1의 하단과 칩 테스터 2의 상단에 상대적으로 속도가 높게 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 칩 테스터 1의 상단과 칩 테스터 2의 하단의 경우 상대적으로 낮은 속도가 관찰되었다.
즉, 상단과 하단 송풍기로부터 유입되는 공기는 각각 반시계방향과 시계방향으로 토출된다. 이러한 유동특성으로 인해 칩 테스터 1의 하단과 칩 테스터 2의 상단으로 유동이 많이 유입되며, 칩 테스터 1의 상단과 칩 테스터 2의 하단의 경우 송풍기로부터 직접적으로 유입되지 않는 것이 관찰되었다.
5[a] 내 A-A` 단면)에서 보는 바와 같이 유선이 칩 테스터 2 아래에 상대적으로 많이 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 송풍기로부터 유입된 유동이 챔버의 벽면을 따라 진행하여 챔버의 출구부로 토출되고 있고, 칩 테스터 1 내부로의 공기 유입은 송풍기로부터 직접 유입되지 않고 칩 테스터 2를 통과한 공기가 유입됨이 관찰되었다.
93을 나타내었다. 해당연구를 통해 변경 챔버 모델 Case 2에서 칩 테스터 내부의 유속분포가 가장 균일함을 확인하였다.

후속연구

향후 기준 챔버 모델에 대한 실험을 통하여 해석결과와 비교를 진행할 예정이며, 챔버 형상 변경 및 공기 분배 장치를 설치하여 칩 테스터 내부 공기 속도의 표준편차를 줄이기 위한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테스트 공정은 무엇인가?	반도체 제조 공정은 크게 웨이퍼 위에 회로를 형성시키는 전공정(front-end process)과 패키지 공정 및 테스트 공정이 있는 후공정(back-end process)으로 분류된다1). 후공정 중 하나인 테스트 공정은 제조된 반도체에 대한 신뢰성 확보를 위하여 테스트 챔버(test chamber) 장비를 이용하여 일정 조건 하에서 반도체 소자에 전기적 신호를 인가하면서 정상 작동여부의 검사를 진행하는 공정이다. 테스트 공정에서는 반도체 제조비용의 절감을 위하여 대량의 소자를 검사하려는 시도가 진행되고 있다.
	테스트 공정의 문제점은 무엇인가?	테스트 공정에서는 반도체 제조비용의 절감을 위하여 대량의 소자를 검사하려는 시도가 진행되고 있다. 그러나 대량의 소자를 검사하기 위해 개발되고 있는 챔버는 챔버 내부 온도의 균일성, 내부 발열 제어 및 신속한 온도변화 대응 등 기술적 문제점을 겪고 있다. 대량의 반도체 소자들이 동일한 조건에서 테스트되어야 하므로 챔버 내부 온도의 균일성을 유지시켜주는 것이 매우 중요하며, 효과적으로 내부의 온도를 균일하게 유지하는 방법에 대하여 여러 연구들이 이루어졌다.
	반도체 제조 공정은 크게 보면 어떻게 분류되는가?	반도체 제조 공정은 크게 웨이퍼 위에 회로를 형성시키는 전공정(front-end process)과 패키지 공정 및 테스트 공정이 있는 후공정(back-end process)으로 분류된다1). 후공정 중 하나인 테스트 공정은 제조된 반도체에 대한 신뢰성 확보를 위하여 테스트 챔버(test chamber) 장비를 이용하여 일정 조건 하에서 반도체 소자에 전기적 신호를 인가하면서 정상 작동여부의 검사를 진행하는 공정이다.

참고문헌 (14)

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상세보기
I. Celik and O. Karatekin, "Numerical experiments on application of richardson extrapolation with nonuniform grids", J. Fluids. En. Sep., Vol. 119, No. 9, 1997, pp. 584-590, doi: https://doi.org/10.1115/1.2819284.
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I. S. Jung, J. H. Park, J. H. Bae, and S. Kang, "Porous modeling for the prediction of pressure drop through a perforated strainer", J. Korean Soc. Mar. Eng., Vol. 37, No. 4, 2013, pp. 358-367, doi: https://doi.org/10.5916/jkosme.2013.37.4.358.
M, Kaviany, "Principles of heat transfer in porous media", Springer-Verlag, USA, 1995.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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