KR101913385B1 - 반도체 소자 진단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 진단장치에 관한 것이다.
본 발명은 진단 대상인 반도체 소자와 상기 반도체 소자가 설치된 시스템 사이에 설치되어 상기 시스템으로부터 상기 반도체 소자로의 구동전류의 공급여부를 결정하는 스위치, 상기 스위치의 온-오프(on-off) 동작을 제어하는 스위치 제어기, 상기 스위치 제어기에 의해 상기 스위치가 오프된 경우 상기 반도체 소자로 상기 반도체 소자를 진단하기 위한 진단 입력신호를 공급하는 진단신호 공급기 및 상기 진단 입력신호를 공급받은 반도체 소자가 출력하는 진단 출력신호에 따라 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 상태 진단기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 신뢰성있게 진단할 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 소자 진단장치{DIAGNOSTIC APPARATUS OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자 진단장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 신뢰성있게 진단할 수 있는 반도체 소자 진단장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 부품이 시스템에 적용되어 사용될 경우 반도체 부품의 외부 케이스, 실장 상태 등에 따라 해당 반도체 부품에 인가되는 스트레스(stress) 수준은 달라진다. 반도체 부품 자체에 대한 신뢰성 보증수준은 제조사에서 제공되고 있으나, 이는 표준화된 환경 하에서 시험된 결과일 뿐이다.
그러나, 반도체 부품이 실제 시스템에 적용되어 사용될 경우 방열 조건, 외부 온도 등의 환경이 달라지므로, 제조사가 제공하는 신뢰성 보증정보로는 시스템 내부에서 반도체 부품에 가해지는 정확한 스트레스 수준을 평가하기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 반도체 부품이 시스템 내에서 비정상적으로 동작하는 경우, 반도체 부품을 시스템으로부터 물리적으로 분리하지 않은 상태에서는, 해당 반도체 부품의 상태를 정확히 진단하기 어렵다는 문제점이 있다.
그러나, 반도체 부품을 시스템으로부터 분리하여 테스트하는 경우, 분리 과정에서 반도체 부품이 손상될 가능성이 있으며, 분리 전후의 반도체 부품의 상태가 달라져서, 반도체 부품이 시스템 내에서 동작하는 경우의 동작상태와 반도체 부품이 시스템으로부터 분리되었을 때의 동작상태가 서로 다른 특성을 보이는 경우가 있기 때문에, 반도체 부품을 시스템으로부터 분리하여 그 상태를 평가하기는 어렵다. 즉, 시스템으로부터 분리된 반도체 부품에 대한 상태 평가를 통해서는, 그 반도체 부품이 실제 시스템 내에서 동작할 때의 상태를 적정하게 평가하기 어렵다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0011030호(공개일자: 2005년 01월 29일, 명칭: 전력변환장치의 열화진단 방법 및 장치)
본 발명은 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 신뢰성있게 진단할 수 있는 반도체 소자 진단장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 진단함으로써, 반도체 소자의 상태 진단에 소요되는 시간과 비용을 줄이는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자 진단장치는 진단 대상인 반도체 소자와 상기 반도체 소자가 설치된 시스템 사이에 설치되어 상기 시스템으로부터 상기 반도체 소자로의 구동전류의 공급여부를 결정하는 스위치, 상기 스위치의 온-오프(on-off) 동작을 제어하는 스위치 제어기, 상기 스위치 제어기에 의해 상기 스위치가 오프된 경우 상기 반도체 소자로 상기 반도체 소자를 진단하기 위한 진단 입력신호를 공급하는 진단신호 공급기 및 상기 진단 입력신호를 공급받은 반도체 소자가 출력하는 진단 출력신호에 따라 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 상태 진단기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 반도체 소자 진단장치에 있어서, 상기 진단신호 공급기는 상기 반도체 소자의 접합 온도를 평가하기 위한 전류진단신호를 공급하고, 상기 상태 진단기는 전압강하-접합온도 대응 관계를 참조하여 상기 전류진단신호의 공급에 따른 상기 반도체 소자의 전압 강하값을 상기 접합 온도로 변환하여 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 진단장치에 있어서, 상기 전류진단신호는 상기 반도체 소자의 문턱전압(threshold voltage)에 오차범위 내에서 대응하는 전류값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 진단장치에 있어서, 상기 전압강하-접합온도 대응 관계에는 상기 반도체 소자와 동종 소자의 전압 강하값에 대응하는 접합 온도가 특정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 진단장치에 있어서, 상기 진단신호 공급기는 상기 반도체 소자의 과도응답을 평가하기 위한 펄스진단신호를 공급하고, 상기 상태 진단기는 상기 펄스진단신호의 공급에 따른 상기 반도체 소자의 과도응답 특성을 측정하여 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 신뢰성있게 진단할 수 있는 반도체 소자 진단장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 진단함으로써, 반도체 소자의 상태 진단에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치의 구체적인 동작의 하나의 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 소자의 전압 강하값으로부터 접합 온도를 추정함으로써, 반도체 소자의 상태를 진단하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 방식에 이용되는 전압강하-접합온도 변환 그래프의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치의 구체적인 동작의 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 소자의 과도응답 특성을 측정함으로써, 반도체 소자의 상태를 진단하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 기본원리에 대하여 설명한다.
반도체 소자가 특정 시스템 내에서 부품으로 동작하는 경우, 반도체 소자의 고장을 유발하는 주요 스트레스(stress) 인자로는 고전압, 과전류, 피로(온도변화, 진동, 충격 등), 온도 등이 있다. 이 스트레스 인자들 중, 온도 특성은 주위의 환경 뿐만 아니라 반도체 소자 자체의 발열 및 방열 특성에 따라 크게 좌우되므로 부품 자체의 스트레스 수준을 정량적으로 측정하기 어렵다.
또한 피로 등에 의한 본딩 영역에서의 크랙, 박리 등은 간헐적으로만 문제를 일으키는 경우가 많아서 진단이 어렵다.
부품을 시스템으로부터 분리하여 테스트하는 경우, 분리 과정에서 부품이 손상될 가능성이 있으며, 분리 전후의 부품의 상태가 달라져서, 부품이 시스템 내에서 동작하는 경우의 동작상태와 부품이 시스템으로부터 분리되었을 때의 동작상태가 서로 다른 특성을 보이는 경우가 있기 때문에, 부품을 시스템으로부터 분리하여 그 상태를 평가하기는 어렵다. 즉, 시스템으로부터 분리된 부품에 대한 상태 평가를 통해서는, 그 부품이 실제 시스템 내에서 동작할 때의 상태를 적정하게 평가하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 시스템에 포함된 부품 즉, 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않고, 시스템 내부에서 동작하는 반도체 소자의 상태를 효과적으로 진단할 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명은 진단 대상인 반도체 소자의 접합 온도(TJ) 평가를 통해 진단 대상인 반도체 소자가 시스템 내에서 받고 있는 스트레스 수준을 정량적으로 평가할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여, 반도체 소자의 동작 중에 접합 온도 평가를 위한 작은 크기의 소전류를 인가하고, 이 소전류로 인해 반도체 소자의 양단에 발생하는 전압 강하값(VF)를 측정하고, 실험을 통해 획득된 반도체 소자의 전압강하-접합온도 대응 관계를 이용하여 전압 강하값을 접합 온도로 변환함으로써, 반도체 소자의 접합 온도를 신뢰성 있게 추정할 수 있다.
반도체 소자의 불량 또는 오작동 등이 의심되는 경우에도, 적정한 진단신호를 인가하여 진단을 실시, 해당 반도체 소자를 별도 분리하지 않고도 특성을 진단할 수 있다. 진단신호는 접합 온도 평가를 위한 소전류일수도 있고, 과도응답 특성을 평가하기 위한 펄스 신호일수도 있다.
반도체 소자의 접합 온도 진단을 예로 들면, 반도체 소자에서 발생하는 전압강하는 이종 반도체간의 접합에 의한 포텐셜 전압, 반도체 내부의 저항성분, 금속과의 접촉저항 등의 합으로 구성되며, 이들 중에서 포텐셜 전압은 온도에 비례하는 특성을 갖는다. 따라서 전압 강하값 측정을 통해 반도체 소자의 접합 온도를 추정할 수 있다. 포텐셜 전압의 측정을 위해서는 다른 저항성분의 영향을 최소화하기 위해 측정 시 공급되는 진단전류가 적정하게 설정되어야 하며, 예를 들어, 약간의 오차 범위 내에서 문턱전압(threshold voltage)에 대응하는 전류의 크기로 설정될 수 있다. 또한 소자의 발열을 방지하기 위하여, 진단 전류는 비교적 낮은 값으로 설정된다. 진단 전류가 인가되었을 때 반도체 소자의 전압 강하가 진단 장치에서 계측되며, 해당 전압 강하값은 접합 온도로 환산된다.
진단 대상인 반도체 소자의 전압 강하값(VF)과 접합 온도(TJ)의 관계는 사전 시험을 통해 획득되어 진단 장치에 저장되며, 이들간의 대응 관계는 도 3에 개시된 바와 같은 전압강하-접합온도 변환 그래프로 표현될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치(30)는 스위치(310), 스위치 제어기(320), 진단신호 공급기(330) 및 상태 진단기(350)를 포함하여 구성된다.
스위치(310)는 진단 대상인 반도체 소자(20)와 이 반도체 소자(20)가 부품으로 설치된 시스템(10) 사이에 설치되어 있으며, 시스템(10)으로부터 반도체 소자(20)로의 구동전류의 공급여부를 결정하는 기능을 수행한다. 이러한 스위치(310)는 반도체 소자(20)에 대한 상태 진단시점 이전 즉, 반도체 소자(20)가 전체 시스템(10) 내에서 동작하는 시간 동안 온(on) 상태를 유지하다가, 반도체 소자(20)에 대한 상태 진단시점에서 스위치 제어기(320)에 의해 오프(off)된다. 스위치(310)가 온 상태를 유지하면, 반도체 소자(20)는 시스템(10)으로부터 공급받는 구동 전류에 의해 동작하고, 스위치(310)가 오프되면, 반도체 소자(20)는 진단신호 공급기(330)로부터 공급받는 진단 입력신호에 의해 동작한다.
스위치 제어기(320)는 스위치(310)의 온-오프(on-off) 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 즉, 반도체 소자(20)의 상태를 진단하기 위한 시점에서, 스위치 제어기(320)는 스위치(310)로 스위치 턴오프(turn-off) 제어신호를 공급하며, 스위치(310)는 온 상태를 유지하다가 이 스위치 턴오프 제어신호에 따라 턴오프된다.
진단신호 공급기(330)는 스위치 제어기(320)에 의해 스위치(310)가 오프된 경우 반도체 소자(20)로 반도체 소자(20)를 진단하기 위한 진단 입력신호를 공급하는 기능을 수행한다. 진단 입력신호로는 다양한 신호들이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 소자(20)의 접합 온도를 평가하기 위한 전류진단신호, 반도체 소자(20)의 과도응답을 평가하기 위한 펄스진단신호 등이 진단 입력신호로 적용될 수 있다.
역전류 방지 다이오드(340)는 스위치(310)와 진단신호 공급기(330) 사이에 설치되어 있으며, 스위치(310)가 온 상태일 때 시스템(10)으로부터 진단신호 공급기(330)로 흐를 수 있는 역전류의 유입을 방지한다.
상태 진단기(350)는 진단신호 공급기(330)로부터 진단 입력신호를 공급받은 반도체 소자(20)가 출력하는 진단 출력신호에 따라 반도체 소자(20)의 상태를 진단하는 기능을 수행한다.
하나의 예로, 진단신호 공급기(330)가 반도체 소자(20)의 접합 온도를 평가하기 위한 전류진단신호를 공급하는 경우, 상태 진단기(350)는 전압강하-접합온도 대응 관계를 참조하여 전류진단신호의 공급에 따른 반도체 소자(20)의 전압 강하값을 접합 온도로 변환하여 반도체 소자(20)의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다. 진단 대상인 반도체 소자(20)의 전압 강하값(VF)과 접합 온도(TJ)의 관계는 사전 시험을 통해 획득되어 상태 진단기(350)에 구비된 저장부에 저장되며, 이들간의 대응 관계의 예인 전압강하-접합온도 변환 그래프가 도 3에 개시되어 있다. 물론, 상태 진단부에는 반도체 소자(20)의 종류별로 획득된 전압강하-접합온도 변환 그래프가 저장될 수 있다.
이러한 접합 온도 평가 방식에서, 전류진단신호는 반도체 소자(20)의 문턱전압(threshold voltage)에 오차범위 내에서 대응하는 전류값을 갖도록 설정되는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 반도체 소자(20)의 다른 저항성분의 영향을 최소화한 상태에서 포텐셜 전압을 정확하게 측정할 수 있으며, 반도체 소자(20)의 불필요한 발열을 방지할 수 있다.
다른 예로, 진단신호 공급기(330)는 반도체 소자(20)의 과도응답을 평가하기 위한 펄스진단신호를 공급하고, 상태 진단기(350)는 펄스진단신호의 공급에 따른 반도체 소자(20)의 과도응답 특성을 측정함으로써, 반도체 소자(20)의 상태를 진단하도록 구성될 수 있다.
구체적인 예를 들어, 상태 진단기(350)는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기 등의 기능을 구비하는 장치일 수 있으며, 진단 대상 반도체 소자(20)에 진단입력신호가 인가되었을 때 전압, 스펙트럼, 과도응답 특성 등을 측정하여 시험 대상품의 상태를 진단할 수 있다.
이하에서는, 앞서 설명한 접합 온도 평가 방식과 과도응답 특성 평가 방식에 있어서, 반도체 소자 진단장치(30)의 구체적인 동작을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치(30)의 구체적인 동작의 하나의 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 소자(20)의 전압 강하값으로부터 접합 온도를 추정함으로써, 반도체 소자(20)의 상태를 진단하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 추가적으로 참조하면, 단계 S210에서는, 스위치 제어기(320)가 온 상태에 있는 스위치(310)를 턴오프시키기 위한 스위치 턴오프 제어신호를 출력하는 과정이 수행된다.
단계 S220에서는, 온 상태를 유지하던 스위치(310)가 스위치 제어기(320)로부터 공급받은 스위치 턴오프 제어신호에 따라 턴오프되어, 시스템(10)에서 반도체 소자(20)로 공급되던 구동전류가 차단된다.
단계 S230에서는, 진단신호 공급기(330)가 반도체 소자(20)로 전류진단신호를 공급하는 과정이 수행된다.
단계 S240에서는, 반도체 소자(20)가 전류진단신호에 의해 동작하는 과정이 수행된다.
단계 S250에서는, 상태 진단기(350)가 반도체 소자(20)의 양단의 전압 강하값을 측정하는 과정이 수행된다.
단계 S260에서는, 상태 진단기(350)가 저장부에 저장되어 있는 전압강하-접합온도 대응 관계를 참조하여, 전압 강하값을 접합 온도로 변환하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 전압강하-접합온도 대응 관계는 전압강하-접합온도 변환 그래프의 형식으로 저장부에 저장될 수 있다.
단계 S270에서는, 상태 진단기(350)가 접합 온도를 기준으로 반도체 소자(20)의 상태를 진단하는 과정이 수행된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 진단장치(30)의 구체적인 동작의 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 소자(20)의 과도응답 특성을 측정함으로써, 반도체 소자(20)의 상태를 진단하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 추가적으로 참조하면, 단계 S310에서는, 스위치 제어기(320)가 온 상태에 있는 스위치(310)를 턴오프시키기 위한 스위치 턴오프 제어신호를 출력하는 과정이 수행된다.
단계 S320에서는, 온 상태를 유지하던 스위치(310)가 스위치 제어기(320)로부터 공급받은 스위치 턴오프 제어신호에 따라 턴오프되어, 시스템(10)에서 반도체 소자(20)로 공급되던 구동전류가 차단된다.
단계 S330에서는, 진단신호 공급기(330)가 반도체 소자(20)로 펄스진단신호를 공급하는 과정이 수행된다.
단계 S340에서는, 반도체 소자(20)가 펄스진단신호에 의해 동작하는 과정이 수행된다.
단계 S350에서는, 상태 진단기(350)가 반도체 소자(20)의 과도응답 특성을 측정하는 과정이 수행된다.
단계 S260에서는, 상태 진단기(350)가 과도응답 특성을 기준으로 반도체 소자(20)의 상태를 진단하는 과정이 수행된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 신뢰성있게 진단할 수 있는 반도체 소자 진단장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 그 동작 상태를 진단함으로써, 반도체 소자의 상태 진단에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부된 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 시스템
20: 반도체 소자
30: 반도체 소자 진단장치
310: 스위치
320: 스위치 제어기
330: 진단신호 공급기
340: 역전류 방지 다이오드
350: 상태 진단기

Claims (5)

  1. 시스템 내에서 부품으로 사용되는 반도체 소자를 시스템으로부터 분리하지 않은 상태에서 진단하는 장치로서,
    진단 대상인 반도체 소자와 상기 반도체 소자가 설치된 시스템 사이에 설치되어 상기 시스템으로부터 상기 반도체 소자로의 구동전류의 공급여부를 결정하는 스위치;
    상기 스위치의 온-오프(on-off) 동작을 제어하는 스위치 제어기;
    상기 스위치 제어기에 의해 상기 스위치가 오프된 경우 상기 반도체 소자로 상기 반도체 소자를 진단하기 위한 진단 입력신호를 공급하는 진단신호 공급기; 및
    상기 진단 입력신호를 공급받은 반도체 소자가 출력하는 진단 출력신호에 따라 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 상태 진단기를 포함하고,
    상기 진단신호 공급기는 상기 반도체 소자의 접합 온도를 평가하기 위한 전류진단신호를 공급하고, 상기 상태 진단기는 전압강하-접합온도 변환 그래프를 참조하여 상기 전류진단신호의 공급에 따른 상기 반도체 소자의 전압 강하값을 상기 접합 온도로 변환하여 상기 반도체 소자의 상태를 진단하고,
    상기 전류진단신호는 상기 반도체 소자의 문턱전압(threshold voltage)에 오차범위 내에서 대응하는 전류값을 갖고, 상기 전압강하-접합온도 변환 그래프에는 상기 반도체 소자와 동종 소자의 전압 강하값에 대응하는 접합 온도가 특정되어 있는, 반도체 소자 진단장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진단신호 공급기는 상기 반도체 소자의 과도응답을 평가하기 위한 펄스진단신호를 공급하고,
    상기 상태 진단기는 상기 펄스진단신호의 공급에 따른 상기 반도체 소자의 과도응답 특성을 측정하여 상기 반도체 소자의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는, 반도체 소자 진단장치.
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