KR101289615B1 - 개선된 열 제어 방식의 전기적 신뢰도 테스트용 일체형 유닛 - Google Patents

개선된 열 제어 방식의 전기적 신뢰도 테스트용 일체형 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 형태에 따르면, 열-제어가능한 일체형 유닛이 적어도 하나의 DUT(Device Under Test)를 홀딩하도록 구성된다. 상기 일체형 유닛은, 열전도 물질로 구성되고, DUT 보드를 전역적으로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 전역 히터를 갖춘, 적어도 하나의 히터 보드를 포함한다. 상기 일체형 유닛의 DUT 보드는 상기 적어도 하나의 히터 보드와 열접촉하며, 상기 DUT 보드는 복수의 소켓을 포함하고, 각각의 소켓은 적어도 하나의 DUT를 홀딩하도록 구성된다. 상기 DUT는 소켓 내 DUT 단자들과 테스트 장비 사이에서 전기 신호를 전도하기 위한 전도체 경로를 갖는다. 각각의 소켓은 관련 온도 센서 및 개별적으로 제어가능한 국부 히터를 포함하며, 상기 국부 히터는, 온도 센서로부터의 온도 표시에 기초하여, 각각의 소켓에 대한 국부 히터를 작동시킨다.

Description

개선된 열 제어 방식의 전기적 신뢰도 테스트용 일체형 유닛 {INTEGRATED UNIT FOR ELECTRICAL/RELIABILITY TESTING WITH IMPROVED THERMAL CONTROL}
반도체 신뢰도 테스트는 정밀한 온도 제어 하에 정확한 전기적 응력 및 측정치를 필요로 한다. 전형적인 테스트 온도는 상온보다 약간 높은 온도부터 최대 350℃까지에 이르며, 하나의 DUT(Device Under Test: '피검사 장치'라고도 함)와 다른 하나의 DUT 간의 자연 발열(줄(Joule) 발열) 차로 인해 공간적 온도 변동이 악화된다. 더욱이, 250℃ 미만의 온도에서 쉽게 가용한 DUT 소켓, 인쇄 회로 보드(DUT 보드), 및 절연 물질이 고온용으로는 제조되기 어렵다.
최근 산업계에서, 요구되는 온도 범위에 대해 최적화된 대류형 오븐이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 오븐들은 그 성능을 제한시키는 두 가지 단점을 갖는데, 첫 번째는, 가열 메커니즘((고온 에어 대류)과 관련된 큰 부피로 인해 온도당 적은 수(5-15)의 DUT가 필요할 때 오븐이 비실용적이 된다는 것이고, 두 번째는, 정의에 의해, 온도 제어가 전역적이기 때문에, 국부적인 온도 변동 및 불균일성이 자주 문제가 된다는 것이다.
다른 기법은 단일 DUT 보드(종래 기술: 미국특허공보 제6,097,200호)와 일체형으로 구성된 소형 오븐 유닛을 도출하였으며, 이 경우 테스트되는 DUT가 요건 범위 내에서 제어되는 온도에서 유지된다. 이 개념은 여러 개의 금속판을 통해 DUT에 매우 가까이 위치한 래디에이터로 열을 전달하는 전기 가열 표면에 근거한다. 이 유닛이 컴팩트하고 에어 대류를 포함하지 않으나, 가열이 전체 유닛에 대해 전역적으로 이루어지고, DUT 보드 상에 단일 온도 센서가 위치한다. 다른 제한사항은 패키징된 DUT의 핀 할당이 변경될 때마다 DUT 보드를 변화시켜야한다는 점이다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 열-제어가능한 일체형 유닛이 적어도 하나의 DUT(Device Under Test)를 홀딩하도록 구성된다. 상기 일체형 유닛은, 열전도 물질로 구성되고, DUT 보드를 전역적으로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 전역 히터를 갖춘, 적어도 하나의 히터 보드를 포함한다. 상기 일체형 유닛의 DUT 보드는 상기 적어도 하나의 히터 보드와 열접촉하며, 상기 DUT 보드는 복수의 소켓을 포함하고, 각각의 소켓은 적어도 하나의 DUT를 홀딩하도록 구성된다. 상기 DUT는 소켓 내 DUT 단자들과 테스트 장비 사이에서 전기 신호를 전도하기 위한 전도체 경로를 갖는다. 각각의 소켓은 관련 온도 센서 및 개별적으로 제어가능한 국부 히터를 포함하며, 상기 국부 히터는, 온도 센서로부터의 온도 표시에 기초하여, 각각의 소켓에 대한 국부 히터를 작동시킨다.
도 1은 일 형태에 따른 DUT 보드 조립체의 전개도.
도 2는 버퍼 보드없는, DUT 보드 조립체의 전개도.
도 3은 DUT 소켓의 상부 사시도.
도 4는 도 3의 DUT 소켓의 단면도.
도 5는 온도 센서를 갖춘, 소켓 하판의 평면도.
도 6은 DUT 소켓 및 관련 온도 센서의 전개도.
본 발명자는 전역 히터 및 국부 전기 히터가 인쇄되는 특별히 설계된 히터 보드가 DUT 보드와 일체로 구성될 수 있어서, DUT 소켓이 국부 히터와 물리적으로 직접 접촉할 수 있는, 가열 및 집적 기술을 실현하였다. 추가적으로, 전용 온도 센서가 각각의 DUT 소켓 내에 물리적으로 일체로 구성된다. 그 결과, 실제로, 하나의 DUT와 다른 DUT 간의 줄(joule)열의 차이 및 공간적 불균일성에 관계없이, 각각의 매 DUT마다 우수한 온도 제어가 구현된다. 마지막으로, 유닛은 가열된 영역 외부의 쉽게 접근가능한 인쇄 회로 보드를 포함할 수 있고, 필요한 본딩은 플러그-인 점퍼에 의해 수작업으로 "프로그래밍"될 수 있어서, 넓은 범위의 본딩 구조에 대해 이를 적합하게 한다.
이제 도 1을 참조하면, 일 형태에서, "DUT 보드 조립체"라 불리는 주 구성요소는 2개의 동일한 히터 보드, 2개의 동일한 버퍼 보드, DUT 보드, 그리고 소켓을 포함한다. 일례의 DUT 보드 조립체의 사시도 및 전개도가 도 1에 도시된다. 각각의 히터 보드(THB: Top Heater Board와, BHB: Bottom Heater Board)는 금속으로 만들어질 수 있고, 얇은 유전 필름이 절연을 위해 금속 위에 인쇄된다. 가열 요소(heating element)는 (인쇄에 의해) 유전 층의 상부에 위치하게 된다. 인쇄된 금 트레이스는 외부 자극에 대해 견고하고 저저항성인 연결을 제공할 뿐 아니라, 필요에 따라, 가열 요소 간의 상호연결도 제공한다. 버퍼 보드는 전기적으로 절연성이지만 열적으로 전도성인 물질(가령, 운모(mica))로 만들어질 수 있고, 히터 보드와 DUT 보드 사이에 위치하여, DUT 보드의 인쇄층 상에 과도한 기계적 응력을 방지하게 된다. 이러한 버퍼 보드는 본질적으로 어떠한 기능적 용도도 갖지 않고, 따라서, 도 1에 참고용으로만 제시된다. 다음의 설명은 도 1과 유사한 도 2를 기초로 하지만, 버퍼 보드가 없다는 점에 차이가 있다. 도시되는 실시예에서, 조립체는 "양면형"이다. 즉, DUT 보드의 양면에 DUT가 구성된다.
도 2를 이제 참조하면, 상부 히터 보드(THB)가 DUT 보드(DUTB)의 상부에 기계적으로 부착되고, 하부 히터 보드(BHB)가 DUT 보드의 하부에 기계적으로 부착된다. 도 2와 관련하여, "상부" 및 "하부"는 임의적인 것이다. 왜냐하면 본질적으로 상부 또는 하부가 존재하지 않으며, 양면이 대칭 구조 및 대칭 레이아웃이기 때문이다. 도 2에서, 각각의 히터 보드는 총 8개의 가열 요소를 갖지만, 그 개수는 실시예마다 다를 수 있다. 4개의 가열 요소(LH1, LH2, LH3, LH4)는 "국부적(local)"이다. 즉, 각각의 국부 가열 요소(local heating element)가 단일 소켓 아래에 위치한다. 전역 가열 요소(global heating element)(GHL, GH)는 히터 보드의 좌측 및 우측에 각각 위치하며, 이와 같이, 하나의 특정 소켓보다는 전체 DUT 보드를 가열시킨다. 2개의 나머지 요소, 하부 히터(BH)와 상부 히터(TH)는 히터 보드의 하부와 상부에 각각 위치한다. 이 히터들은 상부 및 하부 소켓의 국부적 온도를 제어하고, 상부 및 하부 에지에서의 열 손실을 보상한다. 모든 가열 요소는 적절한 레벨로 개별적으로 작동하거나 턴 오프되며, 다른 히터의 상태에 영향을 미치지 않는다. 일례로서, 가열 요소의 독립적 제어는 스프링-부하 페그("포고 핀"(pogo pin))를 이용하여 달성되어, 금 도금 패드(도 2의 PCS)를 통해 전기 자극을 전달한다.
일반적으로, 대부분의 열은 전역 히터에 의해 전달될 수 있고, 국부 히터는 DUT 온도를 정밀 조정하는 데 주로 사용된다. 전역 히터와 DUT 보드 간, 그리고, 모든 DUT 패키지, 그 소켓과 그 하부의 국부 히터 간의 강한 열적 결합은 정확하고 안정적이며 빠른 DUT 온도 제어로 귀속된다.
도 3, 4, 5는 DUT 주변의 열 작용을 상세하게 도시하는데 사용된다. 본 출원에서 도시되는 특정 소켓(미국특허공보 제6,798,228호 참조) 및 DUT 패키지는 일례를 나타내며, 일반적으로, 국부 가열 요소와 열적으로 접촉하는 일체형 온도 센서를 구비한 임의의 고온 소켓이 사용될 수 있으며, 적절한 DUT 보드 및 히터 보드가 이를 수용하도록 제작될 수 있다.
도시되는 예에서 DUT 소켓은 2개의 판, 즉, 하판(Sb)과 상판(St)으로 만들어진다. 온도 센서(SENT)는 하판의 그루브 내로 삽입되고, 그 리드들은 전도성 스프링(SPR) 및 리셉터클(PIN)에 의해 연결된다. 마찬가지로, 패키징된 DUT의 단자들은 리셉터클 및 상판의 구멍 내로 삽입되고, DUT 보드(DUTB) 상의 하부 패드(SPAD)와 접촉한다. 스프링 작용, 리셉터클의 기계적 부착, 및 이러한 접촉 기법의 장점에 관한 세부사항은 이미 알려져 있으며(미국특허공보 제6,798,228호 참조), 더 자세히 설명하지 않는다.
리셉터클 핀의 영역이 부풀어오르도록 하부 소켓판(Sb)가 형성되어, 히터 보드(THB 또는 BHB)의 절단부(CUTO)와 끼워맞춰진다. 온도 센서를 구비한 Sb의 중앙부는 히터 보드의 관련 국부 히터와 실제 접촉한다. 소켓, 국부 가열 요소, 온도 센서, DUT 패키지, DUT 보드는 도 6에 도시되는 바와 같이, 효율적인 열적, 전기적, 및 기계적 특징들을 갖춘, 제대로 결합된 정밀 조립체를 형성한다.
전형적인 고온 테스트가 시작될 때, 모든 개별 센서들의 온도가 전용, 마이크로컨트롤러 기반 유닛에 의해 판독된다. 대부분의 경우에, 이러한 온도는 의도한 테스트 온도보다 훨씬 낮고, 따라서, 모든 히터들이 켜진다(turn on). 제어 유닛은 연속적으로 온도를 판독하고, 통상적으로 PID(Proportional-Integral-Derivative)라 불리는 온도 제어 알고리즘에 기초하여, 다양한 히터를 동적으로 끄고(off) 켠다(on). "전역" 히터와 소켓별("국부") 히터의 고유 조합은 각각의 테스트되는 패키지에 정확하고, 반응성이 뛰어나며, 에너지 효율적인 온도 제어를 제공한다.
따라서, 전역 및 국부 전기 히터를 이용함으로써, DUT 간에 줄 발열의 공간적 불균일성 및 차이에 관계없이, 각각의 DUT에 우수한 온도 제어가 제공될 수 있음을 알 수 있다.
더욱이, 연결 개인화를 제공하도록 설계가 구현될 수 있다. 일반적으로 DUT는 DUT에 고유한 방식으로 패키지에 본딩된다. 예를 들어, 하나의 전형적인 20-핀 패키지에서, 핀 1은 전류 힘 (+)에 연결될 수 있고, 핀 5는 전류 싱크 (-)에 연결될 수 있으며, 핀 11 및 핀 17은 관련 감지 핀일 수 있다. 그러나, 서로 다른 20-핀 DUT가, 동일 신호에 연결하기 위해 서로 다른 방식으로 구성되는 동일 핀을 가질 수 있다. 일부 예에서, 페그 또는 점퍼가 제공되어 핀들이 테스터 신호에 연결되는 방식으로 재구성할 수 있고, 따라서, 다양한 하드웨어 구조에 대해 동일한 하드웨어(가령, 소켓)가 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 DUT(Device Under Test)를 홀딩하도록 구성되는, 열-제어가능한 일체형 유닛에 있어서,
    열전도 물질로 구성되고, DUT 보드를 전역적으로 가열하도록 구성되며, 적어도 하나의 전역 히터를 갖춘, 적어도 하나의 히터 보드와,
    상기 적어도 하나의 히터 보드와 열접촉하는 DUT 보드로서, 상기 DUT 보드는 복수의 소켓을 포함하고, 각각의 소켓은 적어도 하나의 DUT를 홀딩하도록 구성되며, 상기 DUT 보드는 소켓 내 DUT 단자들과 테스트 장비 사이에서 전기 신호를 전도하기 위한 전도체 경로를 갖고, 각각의 소켓은 관련 온도 센서 및 개별적으로 제어가능한 국부 히터를 포함하며, 상기 국부 히터는, 온도 센서로부터의 온도 표시에 기초하여, 각각의 소켓에 대한 국부 히터를 작동시켜서 각각의 소켓 내 적어도 하나의 DUT를 가열시키도록 구성되는, 상기 DUT 보드
    를 포함하며, 상기 전역 히터는 적어도 하나의 히터 보드 상에 인쇄되고, 상기 국부 히터는 인쇄된 가열 요소인
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 히터 보드는 2개의 히터 보드이고,
    상기 DUT 보드는 상기 2개의 히터 보드 사이에 위치하는
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전기 절연성이지만 열전도성인 물질로 구성되고, 상기 적어도 하나의 히터 보드와 DUT 보드 사이에 위치하는 버퍼 보드로서, 상기 버퍼 보드는 DUT 보드에 기계적 지지부를 제공하여 DUT 보드의 인쇄층 상에 과도한 기계적 응력을 방지하게 하는, 상기 버퍼 보드
    를 더 포함하는 열-제어가능한 일체형 유닛.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 DUT 소켓과 연계된 상기 온도 센서는 상기 DUT 소켓과 연계된 그루브에 위치하고, 상기 온도 센서의 각각의 리드는 스프링을 통해 적어도 하나의 히터 보드 상의 전기적 경로에 연결되며, 상기 리드는 핀에 의해 스프링에 대해 강제되는
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전역 히터 및 국부 히터 중 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 히터 보드 상의 전기적 경로에 각각 연결되고, 전기적 경로는 히터 작동 및 정지를 제어할 수 있는 외부 커넥터에 대한 경로인
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전역 히터 및 국부 히터 중 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 히터 보드 상의 전기적 경로에 각각 연결되고, 상기 전기적 경로는 내부에 삽입되는 스프링-부하 페그(spring-loaded peg)를 갖는 핀 접촉부에 대한 경로이며, 상기 핀 접촉부는 히터 작동 및 정지를 제어할 수 있는 외부 연결부를 제공하는
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    소켓 내 DUT 단자들과 테스트 장비 사이의 전기 신호를 전도하기 위한 전도체 경로가 재구성가능한
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    재구성가능한 상기 전도체 경로는 소켓 내 DUT의 핀들이 테스터 신호에 연결되는 방식을 재구성하기 위해 제공되는 페그(peg) 또는 점퍼(jumper)를 포함하는
    열-제어가능한 일체형 유닛.
  9. 적어도 하나의 DUT(Device Under Test)를 홀딩하도록 구성되는 일체형 유닛의 히터 제어 방법에 있어서, 상기 일체형 유닛은,
    열전도 물질로 구성되고, DUT 보드를 전역적으로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 전역 히터를 갖춘, 적어도 하나의 히터 보드와,
    상기 적어도 하나의 히터 보드와 열접촉하는 DUT 보드로서, 상기 DUT 보드는 복수의 소켓을 포함하고, 각각의 소켓은 적어도 하나의 DUT를 홀딩하도록 구성되며, 상기 DUT 보드는 소켓 내 DUT 단자들과 테스트 장비 사이에서 전기 신호를 전도하기 위한 전도체 경로를 갖고, 각각의 소켓은 관련 온도 센서 및 개별적으로 제어가능한 국부 히터를 포함하며, 상기 국부 히터는, 온도 센서로부터의 온도 표시에 기초하여, 각각의 소켓에 대한 국부 히터를 작동시켜서 각각의 소켓 내 DUT를 가열시키도록 구성되는, 상기 DUT 보드
    를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 DUT 보드를 전역적으로 가열하도록 상기 적어도 하나의 전역 히터를 제어하는 단계와,
    상기 온도 센서로부터 신호를 수신하여, 이 신호에 기초하여, 각각의 소켓에서 요망 온도를 유지하도록 국부 히터를 선택적으로 작동시키는 단계
    를 포함하고, 상기 전역 히터는 적어도 하나의 히터 보드 상에 인쇄되고, 상기 국부 히터는 인쇄된 가열 요소인
    일체형 유닛의 히터 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    국부 히터를 선택적으로 작동시키는 단계는, PID(Proportional-Intergral-Derivative) 알고리즘에 따라 수신한 온도 센서 신호를 처리하는 단계를 포함하는
    일체형 유닛의 히터 제어 방법.
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