[논문]반도체 테스트 소켓의 검사속도 및 반복 정밀도 개선형 검사장치에 관한 연구

박형근

doi:10.5762/kais.2021.22.1.327

반도체 테스트 소켓의 검사속도 및 반복 정밀도 개선형 검사장치에 관한 연구
A Study on the Test Device for Improving Test Speed and Repeat Precision of Semiconductor Test Socket 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.327 - 332

초록
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패키지레벨에서 반도체의 신뢰성 검사는 테스트 소켓에 반도체 칩 패키지를 탑재시킨 상태에서 테스트가 진행되며, 테스트 소켓은 기본적으로 반도체 칩 패키지의 형태에 따라서 그 모양이 결정되는 것이 일반적이다. 또한, 반도체 칩 패키지의 리드와 소켓 리드의 기계적인 접촉에 의해 테스트 장비와 연결하는 매개체의 역할을 하며, 신호전달 과정에서 신호의 손실을 최소화하여 반도체에 검사신호를 잘 전달할 수 있도록 하는 기능이 핵심이다. 본 연구에서는 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 상호 영향성을 검사 할 수 있는 기술을 적용함으로써 수명 검사와 정밀 측정뿐만 아니라 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 구조를 포함하여 단 한 번의 접촉을 통해 100개미만의 실리콘 테스트 소켓의 합선 테스트가 가능하도록 개발하였다. 개발된 장치의 테스트 결과 99%이상의 테스트 정밀도와 0.66이하의 동시 검사속도 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

At the package level, semiconductor reliability inspections involves mounting a semiconductor chip package on a test socket. The form of the test socket is basically determined by the form of the chip package. It also acts as a medium to connect with test equipment through mechanical contact of the leads and socket leads in the chip package, and it minimizes signal loss in a signal transmission process so that an inspection signal can be delivered well to the semiconductor. In this study, a technique was applied to examine the interdependence of adjacent electrical transfer routes and the structure of adjacent electrical transfer paths. The goal was to enable short-circuit testing of fewer than 100 silicon test sockets through a single interface for life tests and precision measurements. The test results of the developed device show a test precision of 99% or more and a simultaneous test speed characteristic of 0.66 sec or less.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Semiconductor test process
그림 Fig. 2. Conventional socket test method
그림 Fig. 3. Socket test location
그림 Fig. 4. Configuration of semiconductor test Equipment
그림 Fig. 5. Example of insert pocket shape
그림 Fig. 6. Position correction of ball array using alignment film
그림 Fig. 7. Example of short circuit test
그림 Fig. 8. Test Device for improving test speed and repeat precision
표 Table 1. Test Result

AI 본문요약
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문제 정의

이에 간단한 구조와 신속 한불, 양 판정을 결정 할 수 있는 구조의 One Shot 검사알고리즘을 개발하였다. 기존 방식은 1핀을 측정하는 데 5초가 소요되며, 본 기술 개발 시 핀수와 상관없이 5초에 검사가 가능하여 이론적으로 300 Ball 기준 1500초 소요되는 것 대비 300배의 생산효율 향상을 목표로 하였다.
본 논문에서는 동시에 수백개의 반도체를 검사하는 과정에서 불량 소켓으로 인하여 패키지레벨 테스트 오류가 발생하고 있는 문제점을 해결하기 위하여 단 한 번의 접촉을 통해 100개미만의 실리콘 테스트 소켓의 합선 테스트를 할 수 있는 검사장치를 제안하였다. 또한 소켓 자체의 불량을 검출하기 위하여 기존에는 전기적 도통 테스트 수준에서 일정 수준의 저항 값을 기준으로 양불을 판별하는 1차원 적인 검사방법을 사용하였으나본 논문에서는 300핀 테스트 소켓을 한 핀씩 측정하는 것이 아니라 이 배열의 전기 전달 경로를 직렬로 구현하고 단 한 번의 접촉을 통해 300개의 전기 접촉 경로를 측정할 수 있는 구조로 생산량의 혁신적인 증가를 통해 생산비용의 상당 부분을 차지하는 출하검사 공정을 수 백 분의 일로 줄일 수 있었다.

제안 방법

이렇게 구성된 모의 반도체 형상의 Test PCB를 통해 Socket의 100 Ball을 직렬로 연결된 구조에서 검사가 완료되는 시간을 측정하여 속도를 확인하였다. 검사 횟수는 10회로 실시하였으며, 검사 시작 후 완료되는 동안의 시간을 측정하기 위하여 10회 측정한 총 소요 시간을 10으로 나누어 결과를 도출하였다.
검사정확도는 검사장치가 검사대상물인 테스트 소켓을 측정함에 있어 저항 값의 측정이 얼마나 반복 정확도가 있는지에 대해 확인하는 것으로 측정된 저항 값의 측정회수에 따른 오차를 검사하였다. 측정방법으로는 검사 횟수는 100회로 설정하고 검사회로와 Jig를 연결한 후 100회 측정한 결과를 평균하여 결과를 도출하였다.
힘과 저항값을 측정한다. 그리고 좌표 2번으로 우측이동하여 Z축 로봇이 하강하고 누르는 힘과 저항값을 측정 측정한 후 좌표 3번으로 우측 이동하고 Z축 로봇이 하강하여 누르는 힘과 저항값을 측정한다. 이렇게 지그재그로 이동 후 최종 441번 좌표에서 마지막 핀 검사 후 좌우 또는 우좌 이동하여 Z축 하강, 전기접촉 측정, Z축 상승, 1핀 측정 완료 등의 순서로 진행된다.
따라서 본 연구에서는 개발한 검사장치의 기술적 차별성은 첫 번째로 실리콘 테스트 소켓의 수명테스트 기능 구현을 통해 실리콘 테스트 소켓의 전기적 특성과 물리적 특성을 통계 자료화하여 테스트 소켓의 수명을 예측하였다. 두번째로 기존의 기술은 수직 방향의 전기전달 경로만 검사할 수 있었으나, 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 상호 영향성 검사가 가능하며, 세 번째로 수명 검사와 정밀 측정 및 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 구조를 포함하여 단 한 번의 접촉을 통해 100개 미만의 실리콘 테스트 소켓의 합선 테스트가 가능도록 개발하였다.
따라서 기존의 수직 방향의 전기 전달 경로만 검사하고 전기적 도통테스트 수준으로 단순히 실리콘 테스트소켓의 생산 품질을 판단하는 기존의 제품과 달리 본 연구에서는 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 상호 영향성을 검사 할 수 있는 기술을 적용함으로써 수명 검사와 정밀 측정뿐만 아니라 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 구조를 포함하여 단 한 번의 접촉을 통해 100개미만의 실리콘 테스트 소켓의 합선 테스트가 가능하도록 개발하였다.
따라서 본 연구에서는 개발한 검사장치의 기술적 차별성은 첫 번째로 실리콘 테스트 소켓의 수명테스트 기능 구현을 통해 실리콘 테스트 소켓의 전기적 특성과 물리적 특성을 통계 자료화하여 테스트 소켓의 수명을 예측하였다. 두번째로 기존의 기술은 수직 방향의 전기전달 경로만 검사할 수 있었으나, 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 상호 영향성 검사가 가능하며, 세 번째로 수명 검사와 정밀 측정 및 이웃하고 있는 전기 전달 경로의 구조를 포함하여 단 한 번의 접촉을 통해 100개 미만의 실리콘 테스트 소켓의 합선 테스트가 가능도록 개발하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 300핀 테스트 소켓을 한 핀씩 측정하는 것이 아니라 이 배열의 전기 전달 경로를 직렬로 구현하고 단 한 번의 접촉을 통해 300개의 전기 접촉 경로를 측정할 수 있는 구조로 생산량의 혁신적인 증가를 통해 생산비용의 상당부분을 차지하는 출하검사 공정을 수 백 분의 일로 줄일 수 있도록 테스트 소켓 정렬 및 One shot 검사 알고리즘을 통해 소켓 테스터의 성능을 개선하였다.
측정 방법으로는 Push Block 밑에 인디게이터를 설치, 0점을 조정하고 수직으로 하강 이동 거리를 1mm로 설정하여 이동시킨 후 인디게이터에 표시된 값을 기록하였다. 또한 다시 상승시켜 0점으로 복귀시키며 이 과정을 10회 반복하여 측정하였다.
반복검사속도는 검사 PCB와 테스트 소켓으로 구성하여 5회에 걸쳐 최고 검사 속도를 측정하는 것으로 테스트 소켓이라는 검사대상물의 다양한 조건 및 특성에 따라 검사 시간이 다르게 운영되기 때문에 검사 횟수를 설정 후 최종 완료 시점의 시간을 계산, 확인하는 방법으로 하며 정확한 수치적 결과를 얻기 위해 검사 횟수를 10번으로 하고 합산 시간에 10을 나누어 1회의 소요 시간을 측정하였다.
신호처리 및 처리속도를 고려한 PCB 설계를 위하여비아 홀의 스터브를 줄일 수 있는 BVH(Bared Via Hole) 기술을 적용하고 PI(Power Integrity) 특성 개선을 위해 디캡(decap) 시뮬레이션을 적용하였다. 또한 데이터 에러율의 최소화를 위해 FPCB 임피던스 적용을 통해 내구성 개선과 데이터 손실을 줄일 수 있다.
움직이는 기계 장치의 정밀도는 목표 위치에 얼마나 정밀하게 위치 제어가 가능한가를 평가하는 것으로 움직임의 양의 오차를 측정하며, 반복 정밀도는 검사 장치가 일정 구간을 움직이게 제어하여 측정하였다. 측정 방법으로는 Push Block 밑에 인디게이터를 설치, 0점을 조정하고 수직으로 하강 이동 거리를 1mm로 설정하여 이동시킨 후 인디게이터에 표시된 값을 기록하였다.
6과 같은 정렬필름이 위치하여 장치의 Ball array의 위치를 보정 하게 된다. 이러한 Ball Array 구조의 Alignment를 완성하기 위해 Align 위치 결정 구조를 추가 적용하여 개발하였다.
한다. 이러한 위치 정밀도를 확보하기 위해 본개발 과제에서 실시 구현하고자 하는 방향은 정렬필름 (alignment film)을 적용하여 그 결정위치 공차를 해결 (alignment guide)할 수 있도록 개발하였다. 이를 위해 Fig.
측정방법으로는 일반적인 BGA Type의 반도체 형상을 하는 반도체 Test PCB를 Ball의 개수는 10열 10행으로 나열하여 100개를 구성하였다. 이렇게 구성된 모의 반도체 형상의 Test PCB를 통해 Socket의 100 Ball을 직렬로 연결된 구조에서 검사가 완료되는 시간을 측정하여 속도를 확인하였다. 검사 횟수는 10회로 실시하였으며, 검사 시작 후 완료되는 동안의 시간을 측정하기 위하여 10회 측정한 총 소요 시간을 10으로 나누어 결과를 도출하였다.
이를 해결하기 위해 많은 아이디어가 있었으나 투자 대비 효과 측면에서 실패를 거듭하였다. 이에 간단한 구조와 신속 한불, 양 판정을 결정 할 수 있는 구조의 One Shot 검사알고리즘을 개발하였다. 기존 방식은 1핀을 측정하는 데 5초가 소요되며, 본 기술 개발 시 핀수와 상관없이 5초에 검사가 가능하여 이론적으로 300 Ball 기준 1500초 소요되는 것 대비 300배의 생산효율 향상을 목표로 하였다.
제어 분해능은 검사장치가 정밀제어를 하는 것에 있어가장 작은 단위의 제어 능력을 얼마나 정밀하게 제어 가능한지 그 기본 단위의 구현 가능성을 확인하는 것으로 수직으로 하강 이동 거리를 2um로 설정 및 이동시킨 후인디게이터에 표시된 값을 기록하고 다시 상승시켜 0점으로 복귀시키며, 이 과정을 10회 반복하여 측정하였다.
측정 방법으로는 Push Block 밑에 인디게이터를 설치, 0점을 조정하고 수직으로 하강 이동 거리를 1mm로 설정하여 이동시킨 후 인디게이터에 표시된 값을 기록하였다. 또한 다시 상승시켜 0점으로 복귀시키며 이 과정을 10회 반복하여 측정하였다.
따른 오차를 검사하였다. 측정방법으로는 검사 횟수는 100회로 설정하고 검사회로와 Jig를 연결한 후 100회 측정한 결과를 평균하여 결과를 도출하였다.

대상 데이터

확인하였다. 측정방법으로는 일반적인 BGA Type의 반도체 형상을 하는 반도체 Test PCB를 Ball의 개수는 10열 10행으로 나열하여 100개를 구성하였다. 이렇게 구성된 모의 반도체 형상의 Test PCB를 통해 Socket의 100 Ball을 직렬로 연결된 구조에서 검사가 완료되는 시간을 측정하여 속도를 확인하였다.

성능/효과

동시검사속도는 검사장치가 다수개의 Test Point를 동시에 측정 가능한 최고 속도를 확인하는 것으로 테스트 소켓이라는 검사대상물의 다양한 조건 및 특성에 따라 검사 시간이 다르게 운영되기 때문에 측정 완료 시간을 확인하였다. 측정방법으로는 일반적인 BGA Type의 반도체 형상을 하는 반도체 Test PCB를 Ball의 개수는 10열 10행으로 나열하여 100개를 구성하였다.
할 수 있는 검사장치를 제안하였다. 또한 소켓 자체의 불량을 검출하기 위하여 기존에는 전기적 도통 테스트 수준에서 일정 수준의 저항 값을 기준으로 양불을 판별하는 1차원 적인 검사방법을 사용하였으나본 논문에서는 300핀 테스트 소켓을 한 핀씩 측정하는 것이 아니라 이 배열의 전기 전달 경로를 직렬로 구현하고 단 한 번의 접촉을 통해 300개의 전기 접촉 경로를 측정할 수 있는 구조로 생산량의 혁신적인 증가를 통해 생산비용의 상당 부분을 차지하는 출하검사 공정을 수 백 분의 일로 줄일 수 있었다. 향후 연구과제로는 다양한 반도체 검사환경에 특화된 검사장치 및 범용 검사장비에 적용하여 상품화하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이러한 테스트 소켓은 소모품으로 소켓 자체의 불량으로 인하여 생산된 반도체의 불량유무를 검출하는데 오류를 발생시킴으로써 결과적으로 수율 및 공정 효율을 떨어뜨리는 결과가 나타나고 있다. 기존의 소켓 테스터는 Fig.

후속연구

또한 소켓 자체의 불량을 검출하기 위하여 기존에는 전기적 도통 테스트 수준에서 일정 수준의 저항 값을 기준으로 양불을 판별하는 1차원 적인 검사방법을 사용하였으나본 논문에서는 300핀 테스트 소켓을 한 핀씩 측정하는 것이 아니라 이 배열의 전기 전달 경로를 직렬로 구현하고 단 한 번의 접촉을 통해 300개의 전기 접촉 경로를 측정할 수 있는 구조로 생산량의 혁신적인 증가를 통해 생산비용의 상당 부분을 차지하는 출하검사 공정을 수 백 분의 일로 줄일 수 있었다. 향후 연구과제로는 다양한 반도체 검사환경에 특화된 검사장치 및 범용 검사장비에 적용하여 상품화하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (5)

Hyoung-Keun Park, "Development of Machine Vision Monitoring System for Semiconductor Package Sorter", International Journal of Control and Automation, Vol. 9, No. 4, pp.63-72, 2016 DOI: https://dx.doi.org/10.14257/ijca.2016.9.4.07

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Hyoung-Keun Park, Keun-Wang Lee "Development of DWCCS for Chemical Temperature Control of Semiconductor Manufacturing", International Journal of Control and Automation, Vol. 6, No. 3, pp.125-132, 2013 Website: https://www.earticle.net/Article/A20769
Hyoung-Keun Park, "Study on the Silicon Pump and Control System for TFT-LCD Manufacturing Process," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 8, pp.3618-3622, 2012 DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.8.3618

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Hyoung-Keun Park, "Development of the Chemical Flow Control System for Spinner Equipment in Semiconductor Manufacturing Process," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 4, pp.1812-1816, 2011 DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.4.1812

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Hyoung-Keun Park, "Development on the Process Control System for Full Gate Visual Test of LCD Manufacturing Process", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 10, No. 7, pp.1725-1728, 2009 DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.7.1725

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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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