KR101869804B1 - 정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법 - Google Patents

정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법에 관한 것으로, 반도체 소자가 갖는 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자에 형성되는 접합 부분의 양불량을 검사하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 접합 부분을 갖는 반도체 소자에 입력 전류를 인가한다. 입력 전류의 인가 후 접합 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 입력 전류에 대해서 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정한다. 그리고 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 반도체 소자의 접합 부분의 양불량을 판단한다.

Description

정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법{Apparatus and method for testing semiconductor device using dynamic characteristics of junction temperature}
본 발명은 반도체 소자의 검사 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자가 갖는 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자에 형성되는 칩 본딩(chip bonding) 부분의 양불량을 검사하는 정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제조 공정에 의해 제조된 반도체 소자는 출하되기 전에 전기적 특성 검사, 기능 검사(function test), 신뢰성 평가 등과 같은 다양한 검사를 거치게 된다.
하지만 기존의 검사는 반도체 소자의 전기적 특성이나 기능에 초점이 맞추어져 있기 때문에, 반도체 소자의 제조 과정에서 발생되는 문제로 인한 특성 불량을 검사하는 데는 한계가 있다.
예컨대 반도체 소자의 제조 공정 중, 기판에 반도체 칩을 본딩하는 칩 본딩 공정에 있어서, 기판과 반도체 칩 사이에 형성되는 접착층에 기공(void)이 발생될 수 있다.
이러한 접착층에 형성된 기공은 반도체 소자의 동작 중 발생되는 열이 외부로 빠져나가는 시간을 지연하여 반도체 칩의 온도 상승에 따른 반도체 칩에 열적 스트레스를 줄 수 있고, 이러한 열적 스트레스가 반복되면서 반도체 칩의 열화나 접착층에 크랙을 발생시킬 수 있다.
이러한 접착층에 형성된 기공이나 크랙, 플립 칩 본딩된 금속 범프에 형성된 크랙은 반도체 소자의 접합 특성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하지만, 기존의 전기적 특성 검사나 기능 검사로는 이러한 불량을 신속하게 검출하는 데 한계가 있다.
그리고 반도체 소자에 대한 전기적 특성 검사나 기능 테스트에서는 양품으로 판정된 반도체 소자라 하더라도, 반도체 소자에 열, 습도 등의 스트레스를 인가하는 신뢰성 검사 공정을 진행하는 과정에서, 예컨대 기판과 반도체 칩 사이에 형성되는 접착층에 크랙이 발생될 수 있다.
또한 접착층에 형성된 기공은 신뢰성 검사를 하는 과정에서 인가되는 열적 스트레스에 의해서도 접착층에 크랙을 발생시킬 수 있다.
이러한 접착층에 형성된 기공이나 크랙은 반도체 소자의 접합 특성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하지만, 기존의 신뢰성 검사로 이러한 불량을 검출하는 데 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1261761호(2013.04.30.)
따라서 본 발명의 목적은 반도체 소자에 형성되는 칩 본딩 부분의 양불량을 검사할 수 있는 정션 온도의 동적특성을 이용한 반도체 소자의 검사 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 칩 본딩 부분을 갖는 반도체 소자에 입력 전류를 인가하는 인가 단계, 상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 입력 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정하는 측정 단계, 및 상기 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 상기 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 양불량을 판단하는 판단 단계를 포함하는 반도체 소자의 검사 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 측정 단계에서, 상기 일정 시점은 상기 입력 전류의 인가 후 상기 접합 부분으로 열이동이 발생하는 시점일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 측정 단계에서, 상기 일정 시점은 상기 반도체 소자의 열시정수분석을 통해서 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 인가 단계는 상기 반도체 소자에 제1 전류를 인가하는 단계와, 상기 반도체 소자에 제1 전류의 세기와 차이가 있는 입력 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 제1 전류가 상기 반도체 소자의 구동 전류라면, 상기 입력 전류는 센싱 전류일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 제1 전류가 센싱 전류라면, 상기 입력 전류는 구동 전류일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 기준 전압의 변화량은 상기 입력 전류에 대해서 상기 일정 시점에서 양품의 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법은 상기 판단 단계 이후에 수행되는, 상기 판단 결과에 따라 상기 반도체 소자를 양품과 불량품으로 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법에 있어서, 상기 인가 단계는 상기 반도체 소자에 구동 전류를 인가하면서 열 또는 습도와 같은 스트레스를 인가하는 단계, 및 상기 스트레스 인가 중인 반도체 소자에 상기 구동 전류의 세기와 차이가 있는 입력 전류로 스위칭하여 인가하는 인가 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 칩 본딩 부분을 갖는 반도체 소자에 입력 전류를 인가하는 전류 인가부, 상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 입력 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정하는 측정부, 및 상기 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 상기 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 양불량을 판단하는 제어부를 포함하는 반도체 소자의 검사 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 장치는 상기 제어부의 판단 결과에 따라 상기 반도체 소자를 양품과 불량품으로 분류하는 분류부를 더 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 장치는 상기 반도체 소자에 구동 전류를 인가하면서 열 또는 습도와 같은 스트레스를 인가하는 스트레스 인가부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 전류 인가부는 스트레스 인가 중인 상기 반도체 소자에 상기 구동 전류를 상기 입력 전류로 스위칭하여 인가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자가 갖는 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자에 형성되는 칩 본딩 부분의 양불량을 검사할 수 있다.
예컨대 반도체 소자에 인가되는 입력 전류에 대한 시간에 따른 출력 전압의 변화량을 모니터링함으로써, 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 접합 특성을 간편하면서 쉽게 평가할 수 있다. 즉 반도체 소자에 입력 전류가 인가되면 반도체 칩의 정션에서 열이 발생되고, 발생된 열은 칩 접착부를 통해서 외부로 빠져나가게 된다. 그런데 칩 접착부에 기공이나 크랙이 있는 경우, 열이 빠져나가는 시간을 지연시킨다. 이로 인해 칩 접착부에 기공이나 크랙이 있는 경우, 기공이나 크랙이 없는 경우 보다 정션 온도는 더욱 올라가고, 정션 온도에 반비례하게 출력 전압은 떨어진다.
따라서 입력 전류에 대한 시간에 따른 출력 전압의 변화량을 체크함으로써, 반도체 소자의 칩 접착부의 접합 특성을 간편하면서 쉽게 평가할 수 있다.
또는 반도체 소자에 대한 스트레스를 인가하는 공정 중 특정 시점에, 반도체 소자에 인가되는 입력 전류에 대한 시간에 따른 출력 전압의 변화량을 모니터링함으로써, 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 신뢰성을 간편하면서 쉽게 평가할 수 있다.
그리고 전기적 특성 검사나 기능 테스트에서 양품으로 판정된 반도체 소자라 하더라도, 스트레스를 반복적으로 인가하는 과정에서 반도체 칩의 칩 접착부에 기공이나 크랙이 발생될 수 있다.
따라서 스트레스를 인가하는 검사 중 일정 시점에서, 입력 전류에 대한 시간에 따른 출력 전압의 변화량을 체크함으로써, 반도체 소자의 칩 본딩 신뢰성을 간편하면서 쉽게 평가할 수 있다.
여기서 출력 전압의 변화량 측정은 입력 전류의 인가 후 접합 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서, 입력 전류에 대해서 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정함으로써, 해당 접합 부분의 양불량 여부를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 장치는 입력 전류를 인가한 이후에 임의의 시간 때에서 출력 전압의 변화량을 측정하는 것이 아니라, 반도체 소자 내의 접합 부분에서 온도 변화가 발생되는 시간 때에서 출력 전압의 변화량을 측정함으로써, 해당 접합 부분에서의 양불량 여부를 보다 정확히 측정할 수 있다.
도 1은 기판에 반도체 칩이 본딩된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2는 기판에 반도체 칩이 플립 칩 본딩된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 특성을 평가하는 반도체 소자의 검사 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 특성 검사 방법에 따른 흐름도이다.
도 5는 도 4의 접합 특성 검사 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 4의 접합 특성 검사 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화에 대응하는 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 반도체 소자의 접합 특성을 평가하는 데 사용된 반도체 소자를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7의 반도체 소자를 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 특성 평가 방법에 따라 접합 특성 검사가 이루어지는 상태를 보여주는 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 반도체 소자의 전단 검사 결과를 보여주는 사진이다.
도 10은 비교예 1에 따른 반도체 소자의 전단 검사 결과를 보여주는 사진이다.
도 11는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 전단 검사 결과를 비교하여 보여주는 사진이다.
도 12는 실시예의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다.
도 13은 비교예 1의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다.
도 14는 비교예 2의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다.
도 15는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 비교하여 보여주는 사진이다.
도 16은 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자에 구동 전류를 인가한 상태에서의 출력 전압을 보여주는 그래프이다.
도 17은 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자의 입력 전류를 인가한 상태에서의 특정 시점에서 측정한 출력 전압을 보여주는 그래프이다.
도 18은 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 반도체 소자의 입력 전류를 인가한 후 일정 시점에서 측정한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 19는 도 18의 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자의 출력 전압의 변화를 정규화 하여 비교한 그래프이다.
도 20은 실시예에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 21은 비교예 1에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 22는 비교예 2에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 23은 도 20 내지 도 22의 열시정수분석 결과를 중첩하여 보여주는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 신뢰성을 평가하는 반도체 소자의 검사 장치를 보여주는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 소자의 신뢰성 검사 방법에 따른 흐름도이다.
도 26은 도 25의 신뢰성 검사 방법에 따른 시간에 대한 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 27은 도 25의 신뢰성 검사 방법에 따른 시간에 대한 정션 온도의 변화에 대응하는 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 28의 도 25의 신뢰성 검사 방법의 구체적인 일 예에 따른 시간에 대한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 29는 도 25의 신뢰성 검사 방법에 따른 시간에 대한 출력 전압차의 변화를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
여기서 반도체 소자의 검사는 반도체 소자에 입력 전류를 인가하여 쿨링 모드(cooling mode) 및 히팅 모드(heating mode) 중에 하나를 수행한다. 쿨링 모드는 반도체 소자에 현재 인가된 전류 보다 낮은 입력 전류를 인가하여 반도체 소자를 검사하는 모드이다. 히팅 모드는 반도체 소자에 현재 인가된 전류 보다 높은 입력 전류를 인가하여 반도체 소자를 검사하는 모드이다. 히팅 모드는 반도체 소자가 꺼진 상태에서 입력 전류를 인가하는 경우를 포함한다.
예컨대 쿨링 모드에서 입력 전류로 센싱 전류가 사용되고, 히팅 모드에서 입력 전류로 구동 전류가 사용될 수 있다. 즉 쿨링 모드에서, 반도체 소자의 구동에 필요한 구동 전류를 인가하여 가열한 후 1mA 내지 10mA의 센싱 전류로 스위칭하여 반도체 소자를 검사할 수 있다. 히팅 모드에서, 반도체 소자가 꺼진 상태 또는 1mA~10mA의 센싱 전류가 입력된 상태에서 구동 전류로 스위칭하여 반도체 소자를 검사할 수 있다.
반도체 소자의 제조 공정 중, 기판에 반도체 칩은 도 1 및 도 2와 같은 방식으로 본딩될 수 있다.
도 1은 기판에 반도체 칩이 본딩된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(11) 위에 접착제가 도포된 상태에서 접착제 위에 반도체 칩(13)이 본딩될 수 있다. 접착제는 경화 또는 솔더링 과정을 통해서 접착층(15)으로 형성되어 반도체 칩(13)을 기판(11) 위에 접합한다. 이때 반도체 칩(13)은 배면이 기판(11) 위에 접합된다. 이때 접착제로는 에폭시 계열의 액상 접착제 또는 솔더가 사용될 수 있다. 접착제로 에폭시 계열의 액상 접착제가 사용되는 경우 경화 공정으로 접착층(15)을 형성하고, 접착제로 솔더를 사용하는 경우 솔더링 공정을 통해서 접착층(15)을 형성할 수 있다.
도 2는 기판에 반도체 칩이 플립 칩 본딩된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(11) 위에 금속 범프(17)를 매개로 반도체 칩(13)이 플립 칩 본딩 방식으로 접합된다. 이때 반도체 칩(13)은 활성면이 기판(11) 위를 향하게 접합된다.
도 1 및 도 2에서 반도체 칩(13)은 인가되는 입력 전류에 따른 동작(구동) 전압을 갖는 능동 소자로서, 예컨대 다이오드, 트랜지스터, LED, 집적회로(IC) 소자 등이 될 수 있다. 또는 반도체 칩(13)으로 수동 소자가 사용될 수 있다.
반도체 소자는 도 1 및 도 2의 칩 본딩 방식 중의 방식으로 본딩된 반도체 칩을 구비할 수 있다.
[제1 실시예 : 접합 특성 평가 장치]
이와 같은 칩 본딩 구조를 갖는 반도체 소자의 접합 특성을 평가하는 반도체 소자의 검사 장치에 대해서 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 특성을 평가하는 반도체 소자의 검사 장치(20; 이하 '접합 특성 평가 장치'라 함)를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 접합 특성 평가 장치(20)는 반도체 소자(10)가 갖는 열특성을 이용하여 반도체 소자(10)의 제조 공정을 완료한 이후에 또는 중간에 칩 본딩의 접합 특성을 평가한다.
여기서 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 상승하면, 온도 상승에 반비례하게 출력 전압이 떨어지는 특성을 말한다. 또한 반대로 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 하강하면, 온도 하강에 반비례하게 출력 전압이 상승하는 특성을 말한다. 즉 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 따른 출력 전압의 변화하는 특성을 말한다.
접합 특성 평가 장치(20)에 의한 반도체 소자(10)의 접합 특성 평가는 제조 공정이 진행 중 또는 완료된 전체의 반도체 소자(10)에 대해서 수행될 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 접합 특성 평가 장치(20)는 전류 인가부(21), 측정부(23) 및 제어부(25)를 포함하며, 분류부(27)를 더 포함할 수 있다.
전류 인가부(21)는 반도체 소자(10)에 입력 전류를 인가한다. 전류 인가부(21)는 반도체 소자(10)의 반도체 칩 구동에 필요한 전류를 인가하는 수단으로서, 통상적인 전원 공급 장치일 수 있다. 전류 인가부(21)는 제어부(25)의 제어에 따라 반도체 소자(10)에 입력 전류를 인가한다.
측정부(23)는 입력 전류 인가 후 일정 시점에서 입력 전류에 대해서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정한다. 또한 측정부(23)는 입력 전류 인가 후 일정 시점에서 입력 전류에 대해서 반도체 소자(10)의 정션 온도의 변화량을 측정할 수 있다.
이때 일정 시점은 입력 전류의 인가 후 반도체 소자(10)의 칩 접착부로 열이동이 발생하는 시점이다. 즉 일정 시점은 입력 전류의 인가에 따라 칩 접착부에 정션 온도에 따른 온도 변화가 발생되고, 이로 인해 출력 전압의 변화가 발생하는 시점이다. 예컨대 이러한 일정 시점은 반도체 소자(10)의 열시정수(타우함수)분석을 통해서 결정할 수 있다.
측정부(23)는 정션 온도 변화에 대응하는 출력 전압의 변화량을 측정하기 위한 전압계를 포함할 수 있다. 또한 측정부(23)는 전압계에서 측정되는 출력 전압을 활용하여 아래의 수학식 1을 통해 정션 온도를 산출할 수 있다. 수학식 1을 통한 정션 온도의 산출은 제어부(25)가 수행할 수 있다. 수학식 1과 관련된 설명은 후술하도록 하겠다.
그리고 제어부(25)는 접합 특성 평가 장치(20)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세스를 포함한다. 제어부(25)는 반도체 소자(10)가 갖는 열특성을 이용하여 칩 본딩의 접합 특성 평가를 수행한다. 즉 제어부(25)는 측정부(23)에서 수신되는 전압 또는 온도의 측정값을 활용하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가한다.
예컨대 제어부(25)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가한다. 제어부(25)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이값이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 초과하는 경우 불량품으로 판정한다. 이때 기준 전압의 변화량은 입력 전류에 대해서 일정 시점에서 양품의 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량일 수 있다. 기준값은 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 불량 경향을 반영하여 설정하거나, 반도체 소자(10)에 내장되는 반도체 칩의 종류에 따라 설정할 수 있다.
또는 제어부(25)는 측정부(23)를 통하여 반도체 소자(10)의 정션 온도의 변화량을 측정한다. 제어부(25)는 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가한다. 제어부(25)는 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량의 차이값이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 초과하는 경우 불량품으로 판정한다. 이때 기준 온도의 변화량은 입력 전류에 대해서 일정 시점에서 양품의 반도체 소자의 정션 온도의 변화량일 수 있다.
또는 제어부(25)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이와, 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량 차이를 함께 반영하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가할 수 있다.
즉 반도체 소자(10)에 입력 전류가 인가되면 반도체 칩의 구동에 따라 열이 발생되고, 발생된 열은 칩 본딩된 부분을 통해서 외부로 빠져나가게 된다. 그런데 칩 본딩된 부분에 기공이나 크랙이 있는 경우, 열이 빠져나가는 시간을 지연시킨다. 이로 인해 칩 본딩된 부분에 기공이나 크랙이 있는 경우, 정션 온도는 기준 온도에 비해서 올라가고, 정션 온도에 반비례하게 출력 전압은 떨어진다.
따라서 제어부(25)는 입력 전류에 대한 시간에 따른 정션 온도의 변화량 또는 출력 전압의 변화량을 체크함으로써, 반도체 소자(10)의 칩 본딩 부분의 접합 특성을 쉽게 평가할 수 있다.
한편 제어부(25)는 전술된 바와 같이 전압계에서 측정되는 출력 전압을 활용하여 아래의 수학식 1을 이용하여 정션 온도를 산출할 수도 있다. 수학식 1은 반도체 칩이 LED인 경우를 예시하였다.
Figure 112015124238998-pat00001
Tj : 반도체 소자의 정션 온도
Ta : 전류가 인가되기 전의 주변 온도(정션 온도)
ΔV : V1-V2[V1(입력된 전류에 대해 t1 시점에 측정된 전압값), V2(입력된 전류에 대해 t1 이후 t2 시점에 측정된 전압값)]
k : 정션 온도 변화에 대한 동작 전압의 변화율(케이-인자; k-factor)
LED와 같은 반도체 칩은 열이 발생하면 점차 전압이 떨어지는 현상이 발생하게 된다. 일반적으로 반도체 칩에서는 pn 정션 온도는 전압과 상관 관계가 있기 때문에, 전압을 정확히 측정할 수 있다면 정션 온도를 수학식 1을 이용하여 정확히 산출할 수 있다.
측정부(23)는 입력 전류가 공급되는 상태에서, 일정 시간 동안의 전압값인 V1과 V2을 측정한다. 일정 시간에 있어서, V1은 시작점(t1 시각)의 전압값이고, V2은 종착점(t2 시각)의 전압값이다.
LED에서는 일반적으로 온도와 전압의 관계 값을 케이-인자(k-factor)라고 하며, 통상적으로 알려진 방법으로 측정이 가능하다. 일반적으로 케이-인자의 대략적인 값은 -2 내지 -1.5 mV/℃으로 알려져 있다.
따라서 측정한 전압값의 차이값(ΔV), 주변 온도(Ta) 및 케이-인자(k)를 수학식 1에 대입함으로써, 제어부(25)는 반도체 칩의 정션 온도를 산출할 수 있다.
이때 반도체 칩의 정션 온도는 접착층과 금속 범프의 상태에 따라 변하게 된다. 예컨대 접착층에 기공이 있는 경우, 기공이 없는 양품의 정션 온도에 비해서 측정된 정션 온도는 상승하게 된다. 또한 금속 범프에 크랙이 있는 경우에도, 측정된 정션 온도는 양품의 정션 온도에 비해서 상승하게 된다.
따라서 제어부(25)는 산출한 반도체 소자(10)의 시간에 따른 정션 온도의 변화량과 기준 정션의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가할 수 있다. 이때 기준 정션의 변화량은 양품의 반도체 소자에서 산출되는 정션 온도의 변화량이다.
그리고 분류부(27)는 제어부(25)의 반도체 소자(10)에 대한 평가 결과에 따라 반도체 소자(10)를 양품과 불량품으로 분류한다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 접합 특성 평가 장치(20)를 이용하여 반도체 소자(10)의 접합 특성 평가 방법을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자(10)의 접합 특성 평가 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 접합 특성 평가는 접합 특성 평가 장치(20)에 접합 특성 평가를 진행할 반도체 소자(10)가 로딩된 상태에서 시작한다. 이때 반도체 소자(10)는 하나씩 접합 특성 평가 장치(20)에 로딩되어 접합 특성 평가가 이루어질 수도 있지만, 일반적인 경우 반도체 소자(10)는 복수 개가 테스트 트레이에 수납된 형태로 접합 특성 평가 장치(20)에 로딩될 수 있다.
S51단계에서 접합 특성 평가 장치(20)는 전류 인가부(21)를 통하여 반도체 소자(10)에 입력 전류를 인가한다.
다음으로 S53단계에서 접합 특성 평가 장치(20)는 입력 전류를 인가 후 일정 시점이 되었는 지의 여부를 판단한다. 이때 일정 시점은 측정부(23)를 통하여 출력 전압 또는 정션 온도를 측정하는 시점이다. 일정 시점은 입력 전류의 인가 후 반도체 소자(10)의 칩 접착부로 열이동이 발생하는 시점이다. 이러한 일정 시점은 반도체 소자(10)의 열시정수분석을 통해서 결정할 수 있다.
S53단계의 판단 결과 일정 시점이 된 경우, S55단계에서 접합 특성 평가 장치(20)는 측정부(23)를 통하여 반도체 소자(10)의 출력 전압의 변화량 또는 정션 온도의 변화량을 측정한다. 즉 일정 시점에서 (t2-t1)의 시간에서 출력 전압의 변화량 또는 정션 온도의 변화량을 측정한다. 측정하는 시점은 t1과 t2 이다.
다음으로 S57단계에서 접합 특성 평가 장치(20)는 측정된 출력 전압의 변화량 또는 정션 온도의 변화량을 기반으로 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가한다. 예컨대 접합 특성 평가 장치(20)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가할 수 있다. 또는 접합 특성 평가 장치(20)는 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가할 수 있다. 또는 접합 특성 평가 장치(20)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이, 및 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량의 차이를 함께 반영하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 접합 특성을 평가할 수 있다.
그리고 S59단계에서 접합 특성 평가 장치(20)는 접합 특성 평가 결과에 따라 반도체 소자(10)을 양품과 불량품으로 분류한다.
도 5는 도 4의 접합 특성 평가 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 5는 반도체 소자를 가열하면서 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자의 접합 특성을 평가한 경우이다.
도 5를 참조하면, 반도체 소자의 접합 특성 평가가 상온(25℃)에서 진행된다고 가정했을 때, 평가 소자인 반도체 소자에 입력 전류가 인가되면 반도체 소자의 온도가 상승하게 된다. 예컨대 반도체 소자가 꺼진 상태에서, 입력 전류로 구동 전류인 350mA를 입력하는 경우이다.
그리고 반도체 소자의 접착층에 기공 또는 크랙이 있는 경우, 양품의 반도체 소자에 비해서 온도가 더 상승하게 된다.
일정 시점(t1,t2)에서 반도체 소자의 정션 온도의 변화량(ΔT)을 측정하면, 기공 또는 크랙이 있는 반도체 소자의 정션 온도가 양품의 반도체 소자의 기준 온도의 변화량(ΔTref)보다 높게 측정된다. 즉 평가 소자인 반도체 소자에 대해서 일정 시간(t2-t1)에서의 정션 온도의 변화량(ΔT)을 측정한다.
접합 특성 평가 장치는 정션 온도의 변화량(ΔT)과 기준 온도의 변화량(ΔTref)의 차이값(ΔT-ΔTref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정한다.
도 6은 도 4의 접합 특성 평가 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화에 대응하는 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 반도체 소자의 접합 특성 평가가 상온(25℃)에서 진행된다고 가정했을 때, 반도체 소자에 입력 전류가 인가되면 반도체 소자의 온도가 상승하게 된다.
그리고 반도체 소자의 접착층에 기공 또는 크랙이 있는 경우, 양품의 반도체 소자에 비해서 온도가 상승하게 된다. 반도체 소자의 온도 상승으로 인해 출력되는 출력 전압은 양품의 반도체 소자의 출력 전압과 비교했을 때 떨어지게 된다.
일정 시점(t1,t2)에서 반도체 소자의 출력 전압의 변화량(ΔV)을 측정하면, 기공 또는 크랙이 있는 반도체 소자의 출력 전압이 양품의 반도체 소자의 출력 전압인 기준 전압의 변화량(ΔVref)보다 낮게 측정된다. 즉 평가 소자인 반도체 소자에 대해서 일정 시간(t2-t1)에서의 출력 전압의 변화량(ΔV)을 측정한다.
접합 특성 평가 장치는 출력 전압의 변화량(ΔV)과 기준 전압의 변화량(ΔVref)의 차이값(ΔV-ΔVref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정한다.
한편 도 5 및 도 6에서는 입력 전류로 반도체 소자의 구동 전류를 입력하는 히팅 모드를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구동 전류를 입력한 후, 입력 전류로 구동 전류보다 낮은 전류, 예컨대 1mA의 센싱 전류를 입력한 후 출력 전압의 변화량을 측정하는 쿨링 모드를 수행할 수 있다. 쿨링 모드의 경우, 출력 전압의 변화량을 측정하는 일정 시점에서의 온도-시간 그래프는 (-) 기울기로 표시되고, 전압-시간 그래프는 (+) 기울기로 표시된다. 즉 반도체 소자를 냉각하면서 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자의 접합 특성을 평가할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 접합 특성 평가 장치를 이용한 반도체 소자의 접합 특성 방법을 통하여 칩 본딩 부분의 양불량을 검사할 수 있음을 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자들을 사용하여 확인하였다.
여기서 실시예에 따른 반도체 소자들은 양품 시료로서, 반도체 칩을 300℃에서 유테틱 본딩(eutetic bonding) 방식으로 세라믹 기판 위에 플립 칩 본딩하였다.
비교예 1에 따른 반도체 소자들은 보통 시료로서, 반도체 칩을 280℃에서 유테틱 본딩 방식으로 세라믹 기판 위에 플립 칩 본딩하였다.
비교예 2에 따른 반도체 소자들은 불량품 시료로서, 반도체 칩을 270℃에서 유테틱 본딩 방식으로 세라믹 기판 위에 플립 칩 본딩하였다.
실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 반도체 소자는 도 7에 따른 구조를 갖는다. 여기서 도 7은 본 발명에 따른 반도체 소자의 접합 특성을 평가하는 데 사용된 반도체 소자를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 반도체 소자(10)는 기판(11), 반도체 칩(13) 및 수지 봉합부(19)를 포함한다. 기판(11) 위에 금속 범프(17)를 매개로 반도체 칩(13)이 플립 칩 본딩 방식으로 접합된다. 그리고 기판(11) 위의 플립 칩 본딩된 반도체 칩(13) 부분은 수지 봉합부(19)에 의해 봉합된 구조를 갖는다. 금속 범프(17)의 소재로 솔더를 사용하였다.
이때 기판(11)은 세라믹 소재의 기판으로서, 상부면에 반도체 칩(13)의 금속 범프(17)가 접합되는 기판 패드(12)가 형성되고, 하부면에 기판 패드(12)와 비아(14)를 통하여 전기적으로 연결된 외부 접속 패드(16)가 형성되어 있다.
반도체 칩(13)으로는 LED 칩을 사용하였다.
그리고 수지 봉합부(19)는 반도체 칩(13)이 플립 칩 본딩된 기판(11)의 상부면을 봉합한다. 반도체 칩(13)에서 출력되는 광을 수지 봉합부(19)를 통하여 외부로 출력할 수 있도록, 수지 봉합부(19)를 형성하는 소재로는 광투과성을 갖는 수지를 사용한다.
이와 같은 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 반도체 소자(10)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스테이지(22)에 탑재한 상태에서 접합 특성 평가를 수행하였다. 여기서 도 8은 도 7의 반도체 소자(10)를 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 특성 평가 방법에 따라 접합 특성 검사가 이루어지는 상태를 보여주는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 스테이지(22) 위에 열매개물질(30; thermal interface material; TIM)을 매개로 인쇄회로기판(40)이 탑재된다.
인쇄회로기판(40) 위에 반도체 소자(10)가 전기적으로 연결된다. 이때 인쇄회로기판은 상부면에 반도체 소자(10)의 외부 접속 패드(16)가 전기적으로 연결되는 연결 패턴(41)이 형성되어 있다. 연결 패턴(41) 위에 외부 접속 패드(16)은 기계적인 접촉 또는 접합에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고 연결 패턴(41)은 전기적 연결 부재(50)를 매개로 접합 특성 평가에 필요한 신호를 입출력하는 접합 특성 평가 장치에 연결된다. 이때 전기적 연결 부재(50)로 와이어를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 전기적 연결 부재(50)로 접속 핀, 포고 핀 등을 사용할 수 있다.
도 8을 통한 반도체 소자의 접합 특성 평가를 수행하기 전에, 도 9 내지 11에 도시된 바와 같이, 실시예, 비교예 1 및 2에 따른 반도체 소자에 대한 전단 검사(shear test)를 수행하였다.
도 9는 실시예에 따른 반도체 소자의 전단 검사 결과를 보여주는 사진이다. 도 10은 비교예 1에 따른 반도체 소자의 전달 테스트 결과를 보여주는 사진이다. 그리고 도 11는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 전단 검사 결과를 비교하여 보여주는 사진이다. 여기서 도 9 내지 도 11의 전단 검사는 기판에 반도체 칩을 플립 칩 본딩한 상태에서 수행하였다. 기판에서 반도체 칩이 떨어져 나간 전단면을 보기 위해서, 전단 검사는 수동 방식으로 수행하였다. 도 9 및 도 10에서 ① 내지 ⑩은 실시예 및 비교예 1에 따른 시료들을 나타낸다.
도 9 내지 11을 참조하면, 실시예 및 비교예 1의 경우 파단면에서 반도체 칩과 함께 기판의 기판 패드의 일부가 벗겨진 것을 확인할 수 있다. 특히 실시예의 경우 반도체 칩의 크기에 대응되게 기판의 기판 패드 부분이 벗겨진 것을 확인할 수 있다. 비교예 1의 경우 반도체 칩의 크기를 기준으로 30~40%에 해당되는 기판 패드 부분이 벗겨진 것을 확인할 수 있다. 반면에 비교예 2의 경우 반도체 칩이 플립 칩 본딩 부분에서 기판 패드 부분이 벗겨지지 않은 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 전단 검사를 통하여, 기본적으로 실시예가 비교예 1 및 2에 비해서 양호한 접합 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
다음으로 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 반도체 소자에 대해서, 도 12 내지 도 15에 도시된 바와 같이, X-선 검사를 수행하였다. X-선 검사를 통하여 플립 칩 본딩 부분의 내부에 어느 정도의 기공이 발생되어 있는 지를 확인할 수 있다.
도 12는 실시예의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다. 도 13은 비교예 1의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다. 도 14는 비교예 2의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 보여주는 사진이다. 그리고 도 15는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 반도체 소자의 X-선 관찰 결과를 비교하여 보여주는 사진이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 플립 칩 본딩 부분의 내부에 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 실시예의 경우 10% 미만의 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 비교예 1의 경우 30 내지 50%의 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 비교예 2의 경우 100%에 가까운 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 한편 이러한 X-선 검사는 인-라인(in-line)에서 빠른 속도로 전수 검사로 수행하는 데는 한계가 있다.
다음으로 도 8을 통한 반도체 소자의 접합 특성 평가를 수행하였다. 반도체 소자의 접합 특성 평가는 반도체 소자에 350mA의 구동 전류를 30초 인가하여 반도체 소자를 가열한 후, 10mA의 입력 전류를 인가하여 30초 동안 출력 전압을 측정하는 쿨링 모드로 진행하였다. 측정 결과는 도 16 내지 도 23의 그래프로 표시하였다.
도 16은 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자에 구동 전류를 인가한 상태에서의 출력 전압을 보여주는 그래프이다. 그래프에서 오른쪽의 A01 내지 A09로 표시된 부분은 실시예에 따른 반도체 소자의 시료들이다. 그래프에서 중간에 B02 내지 B10로 표시된 부분은 비교예 1에 따른 반도체 소자의 시료들이다. 그리고 그래프에서 오른쪽에 C01 내지 C09로 표시된 부분은 비교예 2에 따른 반도체 소자들의 시료들이다. 실시예는 10개, 비교예 1은 10개, 비교예 2는 8개의 시료를 사용하였다.
도 16을 참조하면, 구동 전류를 인가한 상태에서 출력 전압을 검출할 경우, 비교예 2의 반도체 소자들 중 일부에 불량품이 있음을 확인할 수 있다.
하지만 실시예 및 비교예 1에 따른 반도체 소자는 양불량 구분이 어려움을 알 수 있다.
즉 구동 전류를 인가한 상태에서, 특정 시점에 출력 전압을 검출하는 것으로는 해당 반도체 소자가 양품인지 불량품인지를 구분할 수 없음을 알 수 있다.
도 17은 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자의 입력 전류를 인가한 상태에서의 특정 시점에서 측정한 출력 전압을 보여주는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 10mA의 입력 전류를 인가한 경우, 실시예, 비교예 1 및 비교예 2 모두 출력 전압의 검출 만으로는 양품인지 불량품인지 구분할 수 없음을 알 수 있다.
즉 입력 전류를 인가한 상태에서, 특정 시점에 출력 전압을 검출하는 것으로는 해당 반도체 소자가 양품인지 불량품인지를 구분할 수 없음을 알 수 있다.
하지만 본 실시예와 같이, 입력 전류를 인가한 후 일정 시점에서 출력 전압의 변화량을 비교함으로써, 해당 반도체 소자가 양품인지 불량품인지의 여부를 정확히 구분할 수 있다. 도 18 내지 도 23에는 반도체 소자를 냉각하면서 정션 온도의 동적특성을 이용하여 반도체 소자의 접합 특성을 평가할 수 있다. 즉 구동 전류를 입력한 후, 입력 전류로 구동 전류의 세기 보다 낮은 입력 전류를 입력한 후 출력 전압의 변화량을 확인하여 반도체 소자의 접합 특성을 평가하였다.
도 18은 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 반도체 소자의 입력 전류를 인가한 후 일정 시점에서 측정한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 18에서, 파란색은 실시예의 반도체 소자들이고, 빨강색은 비교예 1의 반도체 소자들이고, 초록색은 비교예 2의 반도체 소자들이다. 350mA의 구동 전류를 인가 중인 상태에서, 입력 전류로 10mA를 인가하여 출력 전압의 변화를 검출하였다.
도 18을 참조하면, 반도체 소자에 입력 전류를 인가한 후 일정 시점 이후에 시간에 따른 출력 전압을 검출하여 표시한 실제 측정 데이터이다. 출력 전압은 2.55 내지 2.61V로 0.01V 단위로 표시하였다.
시간에 따른 출력 전압의 변화를 좀 더 명확히 확인할 수 있도록, 도 19에 도시된 바와 같이, 출력 전압을 2.556 내지 2.570V로 0.001V 단위 표시하였다. 여기서 도 19는 도 18의 실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자의 출력 전압의 변화를 정규화 하여 비교한 그래프이다.
도 19를 참조하면, 출력 전압의 변화가 실시예, 비교예 1, 비교예 2 순으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉 칩 본딩 부분의 접합 특성이 떨어질수록, 출력 전압의 변화가 크게 일어나는 것을 확인할 수 있다.
한편 출력 전압은 입력 전류를 인가한 이후에 일정 시간 동안은 변화하다가 일정 시간 이후에는 변화하지 않게 된다. 따라서 출력 전압의 변화량을 측정하는 일정 시점이 중요하며, 이러한 일정 시점은 도 20 내지 도 23에 도시된 바와 같은 반도체 소자의 열시정수분석을 통해서 결정할 수 있다.
도 20은 실시예에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다. 도 21은 비교예 1에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다. 도 22는 비교예 2에 따른 반도체 소자의 열시정수분석 결과를 보여주는 그래프이다. 그리고 도 23은 도 20 내지 도 22의 열시정수분석 결과를 중첩하여 보여주는 그래프이다.
도 20을 참조하면, 실시예 1에 따른 반도체 소자의 타우함수의 그래프를 참조하면, A, B, C, D와 같은 4개의 피크를 확인할 수 있다. 4개의 피크는 도 8의 반도체 소자가 검사되는 조건과 관계된다. 여기서 A는 반도체 칩이 플립 칩 본딩된 부분과 관계되고, B는 기판과 관계되고, C는 인쇄회로기판과 관계되고, D는 열매개물질과 관계된다.
따라서 일정 시점은 입력 전류의 인가 후 칩 본딩 부분으로 열이동이 발생하는 시점 즉, A 피크가 검출되는 시간에서 출력 전압의 변화량을 측정하는 것이 바람직하다.
도 23을 참조하면, 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 A 피크에서 서로 차이가 있음을 쉽게 화인할 수 있다.
[제2 실시예 : 신뢰성 평가 장치]
다음으로 칩 본딩 구조를 갖는 반도체 소자의 접합 신뢰성을 평가하는 신뢰성 평가 장치에 대해서 도 24를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 소자의 접합 신뢰성을 평가하는 반도체 소자의 검사 장치(120; 이하 '신뢰성 평가 장치'라 함)를 보여주는 도면이다.
도 24를 참조하면, 제2 실시예에 따른 신뢰성 평가 장치(120)은 반도체 소자(10)가 갖는 열특성을 이용하여 반도체 소자(10)의 제조 공정을 완료한 이후에 칩 본딩의 신뢰성을 평가한다.
여기서 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 상승하면, 온도 상승에 반비례하게 출력 전압이 떨어지는 특성을 말한다. 또한 반대로 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 하강하면, 온도 하강에 반비례하게 출력 전압이 상승하는 특성을 말한다. 즉 열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 입력 전류에 따른 출력 전압의 변화하는 특성을 말한다.
신뢰성 평가 장치(120)에 의한 반도체 소자(10)의 신뢰성 평가는 제조 공정이 완료된 전체의 반도체 소자(10)에 대해서 수행할 수도 있지만, 제조된 반도체 소자 중 샘플링한 반도체 소자에 대해서 수행한다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 신뢰성 평가 장치(120)은 스트레스 인가부(29), 전류 인가부(21), 측정부(23) 및 제어부(25)를 포함하며, 분류부(27)를 더 포함할 수 있다.
스트레스 인가부(29)는 반도체 소자(10)에 구동 전류를 인가하면서 열, 습도와 같은 스트레스를 인가한다. 예컨대 스트레스 인가부(29)는 열 또는 습도를 인가할 수 있는 챔버 형태를 가질 수 있다.
전류 인가부(21)는 반도체 소자(10)에 전류를 인가하되, 구동 전류 또는 입력 전류를 인가한다. 전류 인가부(21)는 반도체 소자(10)의 반도체 칩 구동에 필요한 전류를 인가하는 수단으로서, 통상적인 전원 공급 장치일 수 있다. 전류 인가부(21)는 제어부(25)의 제어에 따라 스트레스가 인가되는 반도체 소자(10)에 입력 전류를 인가한다.
측정부(23)는 스트레스 인가 중 특정 시점에 구동 전류를 입력 전류로 스위칭한 후, 일정 시점에서 입력 전류에 대해서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정한다. 또한 측정부(23)는 스트레스 인가 중 특정 시점에 구동 전류를 입력 전류로 스위칭한 후, 일정 시점에서 입력 전류에 대해서 반도체 소자(10)의 정션 온도의 변화량을 측정할 수 있다. 측정부(23)는 신뢰성 평가가 이루어지는 시간 중에 적어도 1회 이상 수행될 수 있다. 예컨대 신뢰성 평가는 1000 시간 이상 수행될 수 있다.
반도체 소자(10)에 인가되는 전류에 따른 출력 전압의 변화를 측정하기 위해서, 입력 전류는 구동 전류보다는 낮은 전류값을 가지며, 예컨대 10mA 이하의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 1mA 이하의 값을 가지는 것이다. 또는 반대로 반도체 소자(10)에 구동 전류보다는 높은 전류를 인가하여 출력 전압의 변화량을 측정할 수도 있다. 입력 전류에 따른 출력 전압은 라이프 동작 전압일 수 있다.
측정부(23)는 정션 온도 변화에 대응하는 출력 전압의 변화량을 측정하기 위한 전압계를 포함할 수 있다. 또한 측정부(23)는 전압계에서 측정되는 출력 전압을 활용하여 수학식 1을 통해 정션 온도를 산출할 수 있다. 수학식 1을 통한 정션 온도의 산출은 제어부(25)가 수행할 수 있다.
그리고 제어부(25)는 신뢰성 평가 장치(120)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세스를 포함한다. 제어부(25)는 반도체 소자(10)가 갖는 열특성을 이용하여 칩 본딩의 신뢰성 평가를 수행한다. 즉 제어부(25)는 측정부(23)에서 수신되는 전압 또는 온도의 측정값을 활용하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가한다.
예컨대 제어부(25)는 신뢰성 평가가 이루어지는 시간 중 특정 시점에서 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가한다. 제어부(25)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이값이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 초과하는 경우 불량품으로 판정한다. 이때 기준 전압의 변화량은 입력 전류에 대해서 일정 시점에서 양품의 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량일 수 있다. 기준값은 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 불량 경향을 반영하여 설정하거나, 반도체 소자(10)에 내장되는 반도체 칩의 종류에 따라 설정할 수 있다.
또는 제어부(25)는 측정부(23)를 통하여 반도체 소자(10)의 정션 온도의 변화량을 측정한다. 제어부(25)는 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가한다. 제어부(25)는 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량의 차이값이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 초과하는 경우 불량품으로 판정한다. 이때 기준 온도의 변화량은 입력 전류에 대해서 일정 시점에서 양품의 반도체 소자의 정션 온도의 변화량일 수 있다.
또는 제어부(25)는 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이와, 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량 차이를 함께 반영하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가할 수 있다.
즉 반도체 소자(10)에 입력 전류가 인가되면 반도체 칩의 구동에 따라 열이 발생되고, 발생된 열은 칩 본딩된 부분을 통해서 외부로 빠져나가게 된다. 그런데 칩 본딩된 부분에 기공이나 크랙이 있는 경우, 열이 빠져나가는 시간을 지연시킨다. 이로 인해 칩 본딩된 부분에 기공이나 크랙이 있는 경우, 정션 온도는 기준 온도에 비해서 올라가고, 정션 온도에 반비례하게 출력 전압은 떨어진다.
따라서 제어부(25)는 입력 전류에 대한 시간에 따른 정션 온도의 변화량 또는 출력 전압의 변화량을 체크함으로써, 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 쉽게 평가할 수 있다.
한편 제어부(25)는 전술된 바와 같이 전압계에서 측정되는 출력 전압을 활용하여 수학식 1을 이용하여 정션 온도를 산출할 수도 있다. 수학식 1은 반도체 칩이 LED인 경우를 예시하였다.
LED와 같은 반도체 칩은 열이 발생하면 점차 전압이 떨어지는 현상이 발생하게 된다. 일반적으로 반도체 칩에서는 pn 정션 온도는 전압과 상관 관계가 있기 때문에, 전압을 정확히 측정할 수 있다면 정션 온도를 수학식 1을 이용하여 정확히 산출할 수 있다.
측정부(23)는 입력 전류가 공급되는 상태에서, 일정 시간 동안의 전압값인 V1과 V2을 측정한다. 일정 시간에 있어서, V1은 시작점(t1 시각)의 전압값이고, V2은 종착점(t2 시각)의 전압값이다.
LED에서는 일반적으로 온도와 전압의 관계 값을 케이-인자(k-factor)라고 하며, 통상적으로 알려진 방법으로 측정이 가능하다. 일반적으로 케이-인자의 대략적인 값은 -2 내지 -1.5 mV/℃으로 알려져 있다.
따라서 측정한 전압값의 차이값(ΔV), 주변 온도(Ta) 및 케이-인자(k)를 수학식 1에 대입함으로써, 제어부(25)는 반도체 칩의 정션 온도를 산출할 수 있다.
이때 반도체 칩의 정션 온도는 접착층과 금속 범프의 상태에 따라 변하게 된다. 예컨대 접착층에 기공이 있는 경우, 기공이 없는 양품의 정션 온도에 비해서 측정된 정션 온도는 상승하게 된다. 또한 금속 범프에 크랙이 있는 경우에도, 측정된 정션 온도는 양품의 정션 온도에 비해서 상승하게 된다.
따라서 제어부(25)는 산출한 반도체 소자(10)의 정션 온도의 변화량과 기준 정션의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가할 수 있다. 이때 기준 정션의 변화량은 양품의 반도체 소자에서 산출되는 정션 온도의 변화량이다.
그리고 분류부(27)는 신뢰성 평가를 완료한 이후에, 제어부(25)의 반도체 소자(10)에 대한 평가 결과에 따라 반도체 소자(10)를 양품과 불량품으로 분류한다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 신뢰성 평가 장치(120)을 이용하여 반도체 소자(10)의 신뢰성 평가 방법을 도 1, 도 2, 도 24 및 도 25를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 25는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 소자(10)의 신뢰성 평가 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 신뢰성 평가는 신뢰성 평가 장치(120)에 신뢰성 평가 공정을 진행할 반도체 소자(10)가 로딩된 상태에서 시작한다. 이때 반도체 소자(10)는 복수 개가 테스트 트레이에 수납된 형태로 신뢰성 평가 장치(120)에 로딩될 수 있다.
S50단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 스트레스 인가부(29)를 통하여 반도체 소자(10)에 스트레스를 인가한다. 이때 스트레스는 열 또는 습도일 수 있다. 아울러 신뢰성 평가 장치(120)은 전류 인가부(21)를 통하여 반도체 소자(10)에 구동 전류를 인가한다.
S51단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 신뢰성 평가 중 특정 시각에 전류 인가부(21)를 통하여 반도체 소자(10)에 구동 전류를 입력 전류로 스위칭하여 인가한다.
다음으로 S53단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 입력 전류를 인가 후 일정 시점이 되었는 지의 여부를 판단한다. 이때 일정 시점은 측정부(23)를 통하여 출력 전압 또는 정션 온도를 측정하는 시점으로, 전체의 신뢰성 평가가 이루어지는 시간 중에서 적어도 하나 이상일 수 있다.
S53단계의 판단 결과 일정 시점이 된 경우, S55단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 측정부(23)를 통하여 반도체 소자(10)의 출력 전압의 변화량 또는 정션 온도의 변화량을 측정한다.
다음으로 S57단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 측정된 출력 전압의 변화량 또는 정션 온도의 변화량을 기반으로 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가한다. 예컨대 신뢰성 평가 장치(120)은 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가할 수 있다. 또는 신뢰성 평가 장치(120)은 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량을 비교하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가할 수 있다. 또는 신뢰성 평가 장치(120)은 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량의 차이, 및 정션 온도의 변화량과 기준 온도의 변화량의 차이를 함께 반영하여 반도체 소자(10)의 칩 본딩의 신뢰성을 평가할 수 있다.
다음으로 S58단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 신뢰성 평가의 종료 여부를 판단한다.
S58단계의 판단 결과 종료 시점이 아닌 경우, 신뢰성 평가 장치(120)은 S53단계부터 다시 수행한다. 즉 신뢰성 평가 장치(120)은 신뢰성 평가가 이루어지는 동안 칩 본딩의 신뢰성을 적어도 1회 이상 평가할 수 있다.
그리고 S58단계의 판단 결과 종료 시점이 된 경우, S59단계에서 신뢰성 평가 장치(120)은 신뢰성 평가 결과에 따라 반도체 소자(10)를 양품과 불량품으로 분류한다.
도 26은 도 25의 신뢰성 평가 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 26은 히팅 모드를 예시하였다.
도 26을 참조하면, 반도체 소자의 신뢰성 평가가 상온(25℃)에서 진행된다고 가정했을 때, 평가 소자인 반도체 소자에 입력 전류가 인가되면 반도체 소자의 온도가 상승하게 된다.
그리고 반도체 소자의 접착층에 기공 또는 크랙이 있는 경우, 양품의 반도체 소자에 비해서 온도가 더 상승하게 된다.
일정 시점(t1,t2)에서 반도체 소자의 정션 온도의 변화량(ΔT)을 측정하면, 기공 또는 크랙이 있는 반도체 소자의 정션 온도가 양품의 반도체 소자의 기준 온도의 변화량(ΔTref)보다 높게 측정된다. 즉 평가 소자인 반도체 소자에 대해서 일정 시간(t2-t1)에서의 정션 온도의 변화량(ΔT)을 측정한다.
신뢰성 평가 장치는 정션 온도의 변화량(ΔT)과 기준 온도의 변화량(ΔTref)의 차이값(ΔT-ΔTref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정한다.
도 27은 도 25의 신뢰성 평가 방법에 따른 시간에 따른 정션 온도의 변화에 대응하는 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 27은 히팅 모드를 예시하였다.
도 27을 참조하면, 반도체 소자의 신뢰성 평가가 특정 온도에서 진행된다고 가정했을 때, 반도체 소자에 입력 전류가 인가되면 반도체 소자의 온도가 상승하게 된다.
그리고 반도체 소자의 접착층에 기공 또는 크랙이 있는 경우, 양품의 반도체 소자에 비해서 온도가 상승하게 된다. 반도체 소자의 온도 상승으로 인해 출력되는 출력 전압은 양품의 반도체 소자의 출력 전압과 비교했을 때 떨어지게 된다.
일정 시점(t1,t2)에서 반도체 소자의 출력 전압의 변화량(ΔV)을 측정하면, 기공 또는 크랙이 있는 반도체 소자의 출력 전압이 양품의 반도체 소자의 출력 전압인 기준 전압의 변화량(ΔVref)보다 낮게 측정된다. 즉 평가 소자인 반도체 소자에 대해서 일정 시간(t2-t1)에서의 출력 전압의 변화량(ΔV)을 측정한다.
신뢰성 평가 장치는 출력 전압의 변화량(ΔV)과 기준 전압의 변화량(ΔVref)의 차이값(ΔV-ΔVref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정한다.
구체적으로 본 실시예에 따른 반도체 소자의 신뢰성 평가 방법에 대해서 도 28을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 28의 도 26의 신뢰성 평가 방법의 구체적인 일 예에 따른 시간에 대한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 24에서는 신뢰성 평가가 이루어지는 시간 중 두 번의 일정 시점(t1,t2)(t3,t4)에서 출력 전압의 변화량을 측정하여, 칩 본딩의 신뢰성을 평가하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 28을 참조하면, 반도체 소자에 구동 전류와 스트레스를 인가하는 공정 중 1차 특정 시각에, 1mA의 입력(센싱) 전류로 스위칭한다. 이때 입력 전류로 스위칭되더라도 반도체 소자는 미처 냉각될 시간이 없기 때문에, 입력 전류에 대한 기대 전압값보다는 낮은 턴오프 전압값을 가진 후 반도체 소자가 냉각되면서 기대 전압값으로 상승하게 된다. 이때 1차 특정 시각 1000시간이 되는 시각일 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 여기서 도 28은 쿨링 모드를 예시하였다.
이때 신뢰성 평가 장치는 턴오프 전압값에서 기대 전압값으로 상승하는 시간 사이의 1차 일정 시점(t1,t2)에서 반도체 소자의 출력 전압의 변화량(ΔV)을 측정한다.
그리고 신뢰성 평가 장치는 출력 전압의 변화량(ΔVa)과 기준 전압의 변화량(ΔVref)의 차이값(ΔVa-ΔVref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정하는 1차 칩 본딩의 신뢰성 평가를 수행한다.
이와 같이 1차 칩 본딩의 신뢰성 특성을 검사한 후, 반도체 소자에 구동 전류를 인가하여 반도체 소자의 신뢰성 평가를 계속적으로 수행하다.
2차 특정 시각에 1mA의 입력(센싱) 전류로 스위칭한 후, 2차 일정 시점(t3,t4)에 반도체 소자의 출력 전압의 변화량(ΔVb)을 측정한다. 이때 2차 특정 시각 2000시간이 되는 시각일 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 신뢰성 평가 장치는 출력 전압의 변화량(ΔVb)과 기준 전압의 변화량(ΔVref)의 차이값(ΔVb-ΔVref)이 기준값 이하인 경우 양품으로 판정하고, 기준값을 초과하는 경우 불량품으로 판정하는 2차 칩 본딩의 신뢰성 평가를 수행한다.
그리고 신뢰성 평가 장치는 두 번의 칩 본딩의 신뢰성 평가에서 모두 양품으로 판정된 경우에만 해당 반도체 소자를 양품으로 판정할 수 있다.
도 29는 도 25의 신뢰성 평가 방법에 따른 시간에 대한 출력 전압차의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 29를 참조하면, 신뢰성 평가 장치는 시간의 경과에 따라 출력 전압차(V6-V5)의 변화를 측정하여 해당 반도체 소자가 양품인지 불량품인지를 판정할 수 있다. V5는 t5 시간의 출력 전압이고, V6는 t6 시간의 출력 전압이다.
즉 신뢰성 평가 장치는 신뢰성 평가의 시간이 지남에 따라 또는 신뢰성 평가의 사이클 횟수에 따라서 반도체 소자의 출력 전압차의 변화를 측정함으로써, 해당 반도체 소자가 양품인지 불량품인지를 판정할 수 있다.
예컨대 신뢰성 평가를 시작한 이후에 1000시간(t5), 2000시간(t6)에 각각 출력 전압차(V6-V5)를 측정하였다.
측정한 출력 전압차의 변화가 없거나 일정 오차 범위에 있다면, 신뢰성 평가 장치는 해당 반도체 소자를 양품으로 판정한다.
하지만 측정한 출력 전압차가 증가한다면, 신뢰성 평가 장치는 해당 반도체 소자를 불량품으로 판정한다.
본 실시예에서는 1000시간, 2000시간에 각각 출력 전압차를 측정하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 반도체 소자
11 : 기판
13 : 반도체 칩
15 : 접착층
17 : 금속 범프
20 : 접합 특성 평가 장치
21 : 전류 인가부
23 : 측정부
25 : 제어부
27 : 분류부
29 : 스트레스 인가부
120 : 신뢰성 평가 장치

Claims (11)

  1. 칩 본딩 부분을 갖는 반도체 소자에 입력 전류를 인가하는 인가 단계;
    상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 입력 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정하는 측정 단계; 및
    상기 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 상기 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 양불량을 판단하는 판단 단계;를 포함하고,
    상기 일정 시점은 상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분으로 열이동이 발생하는 시점인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 측정 단계에서,
    상기 일정 시점은 상기 반도체 소자의 열시정수 분석을 통해서 결정하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 인가 단계는,
    상기 반도체 소자에 제1 전류를 인가하는 단계;
    상기 반도체 소자에 제1 전류의 세기와 차이가 있는 입력 전류를 인가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전류가 상기 반도체 소자의 구동 전류라면, 상기 입력 전류는 센싱 전류이고,
    상기 제1 전류가 센싱 전류라면, 상기 입력 전류는 구동 전류인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  6. 제1항에 있어서
    상기 기준 전압의 변화량은 상기 입력 전류에 대해서 상기 일정 시점에서 양품의 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 판단 단계 이후에 수행되는,
    상기 판단 결과에 따라 상기 반도체 소자를 양품과 불량품으로 분류하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 인가 단계는,
    상기 반도체 소자에 구동 전류를 인가하면서 열 또는 습도와 같은 스트레스를 인가하는 단계;
    상기 스트레스 인가 중인 반도체 소자에 상기 구동 전류의 세기와 차이가 있는 입력 전류로 스위칭하여 인가하는 인가 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 방법.
  9. 칩 본딩 부분을 갖는 반도체 소자에 입력 전류를 인가하는 전류 인가부;
    상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분에 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 입력 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 측정하는 측정부; 및
    상기 출력 전압의 변화량과 기준 전압의 변화량을 비교하여 상기 반도체 소자의 칩 본딩 부분의 양불량을 판단하는 제어부;를 포함하고,
    상기 일정 시점은 상기 입력 전류의 인가 후 상기 칩 본딩 부분으로 열이동이 발생하는 시점인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부의 판단 결과에 따라 상기 반도체 소자를 양품과 불량품으로 분류하는 분류부;
    를 더 포함하는 반도체 소자의 검사 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 소자에 구동 전류를 인가하면서 열 또는 습도와 같은 스트레스를 인가하는 스트레스 인가부;를 더 포함하고,
    상기 전류 인가부는 스트레스 인가 중인 상기 반도체 소자에 상기 구동 전류를 상기 입력 전류로 스위칭하여 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 검사 장치.
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