KR20220114330A - 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법 - Google Patents

동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법에 관한 것으로, 정션 온도를 세팅하여 반도체 소자의 신뢰성을 시험할 때 동적열특성 평가를 이용하여 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높이기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하고, 세팅된 정션 온도에 대응되게 실장 보도의 보드 온도를 유지한다. 구동 전류를 인가하여 신뢰성 시험 중, 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출하여 반도체 소자의 정션 온도를 산출한다. 그리고 산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 보드 온도를 조절한다.

Description

동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법{Junction temperature setting semiconductor device reliability test apparatus and method using dynamic thermal characteristic evaluation}
본 발명은 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정션 온도를 세팅하여 반도체 소자의 신뢰성을 시험할 때 동적열특성 평가를 이용하여 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 있는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제조 공정에 의해 제조된 반도체 소자는 출하되기 전에 전기적 특성 시험, 기능 시험(function test), 신뢰성 시험 등과 같은 다양한 시험을 거치게 된다.
반도체 소자 중, 발광다이오드(LED)는 효율 향상, 패키징 기술력의 향상 등에 따라 LED 광원의 보급이 크게 확대되고 있고, 그 응용 영역도 점차 넓어지고 있다. 그러나 공급 과잉에 따른 업체 간의 가격경쟁 심화로 생존을 위한 노력이 더욱 절실히 요구되고 있다. 이러한 위기 상황에서 반도체 소자의 크기를 반도체 칩의 크기 수준(CSP; chip scale package)으로 줄여 저가격화를 달성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있고, 일부 제품은 이미 디스플레이의 BLU(Back Light Unit) 등에 채택되고 있다.
이러한 LED는 다이오드의 정션 온도에 따라 수명 등의 신뢰성이 크게 좌우되는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서 LED와 같은 반도체 소자의 신뢰성 시험에 있어서, 정션 온도의 정밀 측정 및 열관리가 매우 중요한 요소이다.
여기서 정션 온도를 추정하는 방법으로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 신뢰성 시험 장치의 챔버 내부의 온도(Ta)를 측정하는 방법과 반도체 소자(10)의 경우 패키지의 상부에 노출된 솔더 포인트(solder point)의 온도(Ts)를 측정하는 방법이 있다.
먼저 챔버 내부의 온도(Ta)를 측정하고, 정션에서 챔버 내부까지의 열저항(Rja, K/W)을 통하여 정션 온도를 추정할 수 있다.
다음으로 반도체 소자의 경우 패키지의 상부에 노출된 솔더 포인트의 온도(Ts)를 측정하고, 정션에서 솔더 포인트까지의 열저항(Rjs, K/W)을 통하여 정션 온도를 추정할 수 있다.
이처럼 추정한 정션 온도를 기반으로 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치는 신뢰성 시험을 수행하는 동안 반도체 소자가 정션 온도를 유지할 수 있도록 챔버의 내부 온도를 세팅하는 방법이 주로 사용되고 있다.
하지만 세팅된 온도로 챔버의 내부 온도를 일정하게 유지하더라도, 도 7과 같이, 장시간 동안 진행되는 신뢰성 시험에서 반도체 소자의 실제 정션 온도가 변화게 된다. 즉 챔버의 내부 온도를 일정하게 유지할 경우, 반도체 소자의 정션 온도는 시간의 경과에 따라서 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서 챔버의 내부 온도를 일정하게 유지하는 것으로는 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 없다.
챔버의 내부 온도를 세팅하는 방법은 챔버의 크기나 반도체 소자의 구조가 챔버의 내부 온도 세팅에 고려되지 않기 때문에, 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 떨어뜨릴 수 있다.
챔버의 내부 온도를 세팅하는 방법은 반도체 소자가 LED인 경우에 발생되는 광출력 드룹(droop), 열저항의 비선형성 등 때문에, 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 떨어뜨릴 수 있다.
그리고 반도체 소자의 크기가 반도체 칩의 크기 수준일 경우, 솔더 포인트를 정의하기가 매우 어렵고, 온도 센서의 부착 정확도에 따른 정션 온도 추정값의 편차가 더욱 커지기 때문에, 온도 센서를 통하여 추정한 정션 온도에도 오차가 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-1869804호 (2018.06.25. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 정션 온도(Tj)를 세팅하여 반도체 소자의 신뢰성을 시험할 때 동적열특성 평가를 이용하여 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 있는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 소자의 크기에 무관하게 반도체 소자가 실장되는 실장 보드의 온도(Tb) 조절을 통하여 정션 온도(Tj)를 일정하게 유지하여 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 있는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실장 보드에 실장된 반도체 소자에 대한 신뢰성 시험을 수행할 수 있도록 상기 실장 보드의 보드 온도를 조절하는 온도 조절부; 신뢰성 시험이 수행되는 상기 반도체 소자에 센싱 전류를 인가하는 전류 인가부; 상기 실장 보드의 보드 온도를 측정하는 보드 온도 측정부; 상기 센싱 전류의 인가 후 상기 반도체 소자의 정션에서 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 센싱 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출하는 전압 측정부; 및 상기 반도체 소자의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하고, 세팅된 정션 온도에 대응되게 상기 실장 보도의 보드 온도를 유지하고, 신뢰성 시험 중 상기 출력 전압의 변화량으로부터 상기 반도체 소자의 정션 온도를 산출하고, 산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 상기 온도 조절부를 통하여 보드 온도를 조절하는 제어부;를 포함하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치를 제공한다.
상기 출력 전압의 변화량은 상기 센싱 전류에 대응되는 기준 전압값(Vref)과, 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)의 차이값이다.
상기 제어부는, k-인자와, 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계로부터 보드 온도의 조절값을 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 k-인자가 일정한 경우, 정션 온도가 세팅된 시점에서의 정션 온도를 산출하고, 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계를 참조하여 상기 산출된 정션 온도에 따라 상기 보드 온도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 k-인자가 변경되는 경우, 정션 온도가 세팅된 시점에서 k-인자를 산출하고, 산출된 K-인자에 따른 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계를 수정하고, 수정된 상관 관계로부터 상기 산출된 정션 온도에 따라 상기 보드 온도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는 신뢰성 시험의 시간 경과에 따라서 상기 보드 온도를 단계적으로 내릴 수 있다.
상기 보드 온도 측정부는 상기 반도체 소자가 실장되는 상기 실장 보드의 일면에 반대되는 상기 실장 보드의 타면의 온도를 보드 온도로 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 실장 보드의 타면에서 반도체 소자의 정션까지의 동적열특성을 기반으로 정션 온도를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 아래의 수학식으로 정션 온도를 산출할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
Tj : 반도체 소자의 정션 온도
Tb : 실장 보드의 보드 온도
ΔV : Vref-Vi [Vref(센싱 전류에 대한 기준 전압값), Vi(구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서 측정된 전압값)]
k : 정션 온도 변화에 대한 동작 전압의 변화율(k-인자; k-factor)
상기 제어부는 주기적으로 상기 반도체 소자의 정션 온도를 산출하여 상기 보드 온도를 조절할 수 있다.
상기 반도체 소자는 LED, LD, VCSEL, IGBT, 트랜지스터, 다이오드 및 IC로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 소자를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은, 실장 보드에 실장된 반도체 소자의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하는 단계; 상기 실장 보드에 열을 인가하여 세팅된 정션 온도에 대응되게 상기 실장 보드의 보드 온도를 유지하는 단계; 신뢰성 시험 중, 상기 반도체 소자로 센싱 전류를 인가한 후 상기 반도체 소자의 정션에서 온도의 변화가 발생되는 일정 시점에서 상기 센싱 전류에 대해서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출하는 단계; 상기 출력 전압의 변화량으로부터 반도체 소자의 정션 온도를 산출하는 단계; 및 산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 상기 챔버로 인가되는 열을 조절하여 상기 보드 온도를 조절하는 단계;를 포함하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자의 정션 온도(Tj)의 모니터링을 통하여 반도체 소자가 실장되는 실장 보드의 온도(Tb; 보드 온도)를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도(Tj)를 일정하게 유지할 수 있다. 즉 정션 온도(Tj)를 세팅하여 반도체 소자의 신뢰성을 시험할 때, 반도체 소자의 정션 온도(Tj)를 동적열특성 방식으로 산출하고, 정션 온도(Tj)와 보드 온도(Tb) 간의 상관 관계를 통하여 보드 온도(Tb)를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
따라서 정션 온도를 세팅하여 반도체 소자의 신뢰성을 시험할 때, 동적열특성 평가를 이용하여 반도체 소자의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 있다.
보드 온도(Tb)를 조절하기 위해서 반도체 소자의 정션 온도(Tj)를 모니터링할 때, 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)만을 측정하면 되기 때문에, 출력 전압의 변화량(ΔV)을 신속하게 산출할 수 있다. 이로 인해 출력 전압의 변화량(ΔV)으로부터 반도체 소자의 정션 온도(Tj)를 신속하게 산출할 수 있기 때문에, 세팅된 정션 온도에 대응되게 보드 온도(Tb)의 조절을 신속하게 수행할 수 있다.
그리고 보드 온도(Tb)는 실장 보드를 통하여 측정하기 때문에, 반도체 소자의 크기에 따라 솔더 포인트의 정의나 온도 센서의 부착 정확도에 무관하게 보드 온도(Tb)를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 실장 보드에 실장된 반도체 소자를 보여주는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 챔버 내부를 보여주는 사진이다.
도 5는 도 2의 신뢰성 시험 장치를 이용한 신뢰성 시험 방법에 따른 흐름도이다.
도 6은 도 3의 신뢰성 시험 방법에 따른 시간에 대한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 보드 온도 세팅 방식에서의 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 정션 온도 세팅 방식에서의 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 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.
도 1은 실장 보드에 실장된 반도체 소자를 보여주는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 소자(10)는 실장 보드(20)에 실장된 형태로 구현될 수 있다. 반도체 소자(10)는 하부면에 형성된 금속 범프(13)를 매개로 실장 보드(20)에 플립 칩 본딩 방식으로 접합될 수 있다. 실장 보드(20)는 하부면에 금속 범프(13)가 접합될 수 있는 전극 패드(23)가 형성되어 있다.
반도체 소자(10)는 실장 보드(20)에 실장된 상태로 신뢰성 시험 장치용 챔버(도 2의 30)에 투입되어 신뢰성 시험이 수행될 수 있다. 반도체 소자(10)는 LED, LD, VCSEL, IGBT, 트랜지스터, 다이오드 및 IC로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 소자를 포함한다.
또는 반도체 소자(10)가 실장된 실장 보드(20)는 핫 플레이트(hot plate) 위에 탑재된 상태로 신뢰성 시험이 수행될 수 있다. 즉 실장 보드(20)의 보드 온도(Tb)는 챔버 또는 핫 플레이트를 통하여 공급되는 열에 의해 조절될 수 있다.
반도체 소자(10)의 정션 온도는, 기존에는 챔버 내부의 온도(Ta) 또는 솔더 포인트의 온도(Ts)를 기반으로 산출하였다.
하지만 본 실시예에서는 반도체 소자(10)의 정션 온도를 보드 온도(Tb)를 기반으로 산출한다. 여기서 보드 온도(Tb)는 반도체 소자(10)가 실장되는 실장 보드(20)의 일면에 반대되는 실장 보드(20)의 타면의 온도를 의미한다. 정션 온도는 실장 보드(20)의 타면에서 반도체 소자(10)의 정션까지의 동적열특성을 기반으로 산출한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험 장치에 대해서 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험 장치를 보여주는 도면이다. 그리고 도 3 및 도 4는 도 2의 챔버(30) 내부를 보여주는 사진이다.
본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)는 반도체 소자(10)가 갖는 동적열특성을 이용하여 제조 공정이 완료된 반도체 소자(10)에 대한 신뢰성을 시험한다.
여기서 동적열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 구동 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 상승하면, 온도 상승에 반비례하게 출력 전압이 떨어지는 특성을 말한다. 반대로 동적열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 구동 전류에 의해 반도체 소자(10)의 온도가 하강하면, 온도 하강에 반비례하게 출력 전압이 상승하는 특성을 말한다. 즉 동적열특성은 반도체 소자(10)에 입력되는 구동 전류에 따른 출력 전압의 변화하는 특성을 말한다.
신뢰성 시험 장치(100)에 의한 반도체 소자(10)의 신뢰성 평가는 제조 공정이 완료된 전체의 반도체 소자(10)에 대해서 수행하거나, 제조된 반도체 소자(10) 중 샘플링한 반도체 소자(10)에 대해서 수행할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)는 정션 온도 세팅을 기반으로 한 보도 온도 조절을 통하여 반도체 소자(10)에 대한 신뢰성 시험을 수행한다.
이러한 본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)는 온도 조절부(50), 전류 인가부(60), 보드 온도 측정부(70), 전압 측정부(80) 및 제어부(90)를 포함한다. 여기서 온도 조절부(50)는 실장 보드(20)에 실장된 반도체 소자(10)에 대한 신뢰성 시험을 수행할 수 있도록 실장 보드(20)의 보드 온도를 조절한다. 전류 인가부(60)는 신뢰성 시험이 수행되는 반도체 소자(10)에 구동 전류 또는 센싱 전류를 인가한다. 보드 온도 측정부(70)는 실장 보드(20)의 보드 온도를 측정한다. 전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출한다. 제어부(90)는 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하고, 세팅된 정션 온도에 대응되게 실장 보도의 보드 온도를 유지한다. 그리고 제어부(90)는 신뢰성 시험 중 출력 전압의 변화량으로부터 반도체 소자(10)의 정션 온도를 산출하고, 산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 온도 조절부(50)를 통하여 보드 온도를 조절한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)는 신뢰성 시험 시간 동안 체크 주기에 따라서 주기적으로 반도체 소자(10)의 정션 온도를 산출하여 보드 온도를 조절한다. 즉 반도체 소자(10)의 정션 온도의 모니터링을 통하여 반도체 소자(10)가 실장되는 실장 보드(20)의 보드 온도를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 즉 정션 온도를 세팅하여 반도체 소자(10)의 신뢰성을 시험할 때, 반도체 소자(10)의 정션 온도를 동적열특성 평가를 이용하여 산출하고, 산출된 정션 온도와 보드 온도 간의 상관 관계를 통하여 보드 온도를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
따라서 정션 온도를 세팅하여 반도체 소자(10)의 신뢰성을 시험할 때, 동적열특성 평가를 이용하여 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험의 정확도를 높일 수 있다.
그리고 보드 온도는 실장 보드(20)를 통하여 측정하기 때문에, 반도체 소자(10)의 크기에 따라 솔더 포인트의 정의나 온도 센서의 부착 정확도에 무관하게 보드 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
반도체 소자(10)가 실장된 실장 보드(20)는 챔버(30)로 투입될 때, 챔버(30)에 구비된 테스트 보드(40)에 실장된 형태로 투입된다. 반도체 소자(10)는 테스트 보드(40)를 통해서 신뢰성 시험에 따른 전기적 신호를 입력받고 출력할 수 있다. 전류 인가부(60) 및 전압 측정부(80) 또한 테스트 보드(40)를 통하여 반도체 소자(10)와 전기적으로 연결된다. 보드 온도 측정부(70)는 실장 보드(20)에 직접 연결된다. 테스트 보드(40)에는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(10)가 실장 보드(20)를 매개로 복수 개가 실장되어 신뢰성 시험이 수행될 수 있다.
온도 조절부(50)는 실장 보드(20)에 실장된 반도체 소자(10)가 투입되어 신뢰성 시험이 수행되는 챔버(30)로 투입되는 열을 조절하여 실장 보드(20)의 보드 온도를 조절할 수 있다. 즉 온도 조절부(50)는 챔버(30)로 투입되는 열을 조절하여 보드 온도를 조절한다. 온도 조절부(50)는 히터로 챔버(30) 내부를 직접 가열하거나 챔버(30) 내부로 열풍을 공급하여 가열할 수 있다.
한편 챔버 대신에 핫 플레이트를 사용하는 경우, 온도 조절부(50)는 실장 보드(20)가 탑재되는 핫 플레이트의 열을 조절하여 실장 보드(20)의 보드 온도를 조절할 수 있다.
전류 인가부(60)는 반도체 소자(10)에 전류를 인가하되, 구동 전류 또는 센싱 전류를 인가한다. 전류 인가부(60)는 반도체 소자(10)의 동작에 필요한 전류를 인가하는 수단으로서, 통상적인 전원 공급 장치일 수 있다. 전류 인가부(60)는 제어부(90)의 제어에 따라 구동 전류를 인가하면서 신뢰성 시험을 수행하는 일정 시점에 반도체 소자(10)에 센싱 전류를 인가한다.
보드 온도 측정부(70)는 실장 보드(20)의 보드 온도를 측정한다.
전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출한다.
전압 측정부(80)는 다음과 같이 출력 전압의 변화량을 산출할 수 있다. 즉 전압 측정부(80)는 일정 시점에 구동 전류를 센싱 전류로 스위칭한 후, 센싱 전류에 대해서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출한다. 여기서 출력 전압의 변화량은 센싱 전류에 대응되는 기준 전압값(Vref)과, 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)의 차이값이다.
즉 전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)을 측정한다. 기준 전압값(Vref)은 센싱 전류에 대한 기준 전압값으로 디폴트 형태로 제공되거나, 센싱 전압을 측정하는 시점에서 측정할 수 있다.
이때 일정 시점은 신뢰성 시험 시간 내에 설정될 수 있으며, 신뢰성 시험 시간 내에서 복수 회 설정될 수 있다. 복수 회는 주기적 또는 비주기적으로 설정될 수 있다. 예컨대 신뢰성 시험은 1000 시간 이상 수행될 수 있다.
전압 측정부(80)는 정션 온도 변화에 대응하는 출력 전압의 변화량의 산출에 필요한 센싱 전압값(Vi)과 기준 전압값(Vref)을 측정하기 위한 전압계를 포함할 수 있다.
여기서 기준 전압값(Vref)은 디폴트 형태로 제공이 가능하기 때문에, 전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)만을 측정하면 되기 때문에, 출력 전압의 변화량을 신속하게 산출할 수 있다.
그리고 제어부(90)는 신뢰성 시험 장치(100)의 전반적인 제어 동작을 수행하는 마이크로프로세스를 포함한다. 제어부(90)는 반도체 소자(10)가 갖는 동적열특성을 이용하여 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행한다. 즉 제어부(90)는 전압 측정부(80)에서 수신되는 출력 전압의 변화량을 활용하여 세팅된 정션 온도를 유지하면서 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험을 수행한다.
한편 본 실시예에서는 전압 측정부(80)에서 출력 전압의 변화량을 산출하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 제어부(90)가 기준 전압값(Vref)을 저장하고 있는 경우, 전압 측정부(80)로부터 센싱 전압값(Vi)을 수신하여 출력 전압의 변화량을 산출할 수 있다. 또는 제어부(90)는 전압 측정부(80)로부터 기준 전압값(Vref)과 센싱 전압값(Vi)을 수신하여 출력 전압의 변화량을 산출할 수 있다.
제어부(90)는 전압 측정부(80)에서 측정되는 출력 전압을 활용하여 아래의 수학식 1을 통해 정션 온도(Tj)를 산출할 수 있다. 수학식 1은 반도체 소자(10)가 LED인 경우를 예시하였다.
Figure pat00002
Tj : 반도체 소자의 정션 온도
Tb : 실장 보드의 보드 온도
ΔV : Vref-Vi [Vref(센싱 전류에 대한 기준 전압값), Vi(구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서 측정된 전압값)]
k : 정션 온도 변화에 대한 동작 전압의 변화율(k-인자; k-factor)
LED와 같은 반도체 소자(10)는 열이 발생하면 점차 전압이 떨어지는 현상이 발생하게 된다. 일반적으로 반도체 소자(10)에서의 pn 정션 온도는 전압과 상관 관계가 있기 때문에, 전압을 정확히 측정할 수 있다면 정션 온도를 수학식 1을 이용하여 정확히 산출할 수 있다.
LED에서는 일반적으로 온도와 전압의 관계 값을 k-인자라고 하며, 통상적으로 알려진 방법으로 측정이 가능하다. 일반적으로 k-인자의 대략적인 값은 -2 내지 -1.0 mV/℃으로 알려져 있다.
따라서 측정한 출력 전압의 변화량(ΔV), 보드 온도(Tb) 및 k-인자(k)를 수학식 1에 대입함으로써, 제어부(90)는 반도체 소자(10)의 정션 온도(Tj)를 산출할 수 있다.
제어부(90)는 다음과 같이 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행할 수 있다. 즉 제어부(90)는 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하고, 세팅된 정션 온도에 대응되게 실장 보도의 보드 온도를 유지한다. 제어부(90)는 신뢰성 시험 중 출력 전압의 변화량으로부터 반도체 소자(10)의 정션 온도(Tj)를 산출한다. 그리고 제어부(90)는 산출된 정션 온도(Tj)가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 온도 조절부(50)를 통하여 보드 온도(Tb)를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도에서의 반도체 소자(10)에 대한 신뢰성 시험을 정확히 수행할 수 있다.
여기서 산출된 정션 온도(Tj)에 따라서 보드 온도(Tb)를 조절한다는 것은, 산출된 정션 온도(Tj)가 세팅된 정션 온도 보다 낮은 경우에, 제어부(90)가 기 설정된 보드 온도(Tb)를 정션 온도와 보드 온도(Tb)의 상관 관계를 참조하여 상승시키는 것을 의미한다. 반대로 산출된 정션 온도(Tj)가 세팅된 정션 온도 보다 높은 경우에, 제어부(90)가 기 설정된 보드 온도(Tb)를 정션 온도와 보드 온도(Tb)의 상관 관계를 참조하여 하강시키는 것을 의미한다. 일반적으로 세팅된 정션 온도에서 신뢰성 시험을 수행하는 경우, 보드 온도(Tb)의 조절은 전자 보다는 후자의 경우가 더 많이 발생된다.
제어부(90)는 k-인자와, 정션 온도(Tj)와 보드 온도(Tb)의 상관 관계로부터 보드 온도(Tb)의 조절값을 결정할 수 있다.
예컨대 k-인자가 일정한 경우, 제어부(90)는 정션 온도가 세팅된 시점에서의 정션 온도(Tj)를 산출한다. 제어부(90)는 정션 온도(Tj)와 보드 온도(Tb)의 상관 관계를 참조하여 산출된 정션 온도(Tj)에 따라 보드 온도(Tb)를 조절한다. 제어부(90)는 수초 이내에 정션 온도(Tj)의 산출과 보드 온도(Tb)의 조절을 수행할 수 있다.
k-인자가 변경되는 경우, 제어부(90)는 정션 온도가 세팅된 시점에서 k-인자를 산출하고, 산출된 K-인자에 따른 정션 온도(Tj)와 보드 온도(Tb)의 상관 관계를 수정하고, 수정된 상관 관계로부터 산출된 정션 온도(Tj)에 따라 보드 온도(Tb)를 조절한다.
제어부(90)는 신뢰성 시험의 시간 경과에 따라서 보드 온도(Tb)를 단계적으로 내릴 수 있다. 즉 세팅된 정션 온도에 대응되는 보드 온도(Tb)로 신뢰성 시험을 수행하는 동안 보드 온도(Tb)를 일정하게 유지하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 소자(10)는 열화되어 실제 정션 온도가 증가할 수 있다.
따라서 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행하더라도, 보드 온도(Tb)를 일정하게 유지할 경우, 실제 정션 온도는 증가하기 때문에, 세팅된 정션 온도에 따른 신뢰성 시험을 정확히 수행할 수 없다.
반면에 본 실시예에서는 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행하되, 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(90)는 일정 시점에서 주기적으로 실제 정션 온도를 산출하고, 산출한 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경될 수 있도록 보드 온도(Tb)를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도에 따른 신뢰성 시험을 정확히 수행할 수 있다. 이때 제어부(90)는 신뢰성 시험의 시간 경과에 따라서 보드 온도(Tb)를 단계적으로 내릴 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 신뢰성 시험 장치(100)를 이용한 신뢰성 시험 방법을 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5는 도 2의 신뢰성 시험 장치(100)를 이용한 신뢰성 시험 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S10단계에서 제어부(90)는 실장 보드(20)에 실장된 반도체 소자(10)의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅한다.
다음으로 S20단계에서 제어부(90)는 실장 보드(20)가 투입된 챔버(30)에 열을 인가하여 세팅된 정션 온도에 대응되게 실장 보드(20)의 보드 온도를 유지한다.
이어서 S30단계에서 제어부(90)는 반도체 소자(10)에 대한 신뢰성 시험을 수행한다. 신뢰성 시험는, 예컨대 반도체 소자(10)가 LED인 경우에, Tj=150℃에서의 가속수명시험을 포함할 수 있다. 가속수명시험은 1A의 구동 전류를 3000시간 동안 인가하는 정전류 구동 조건으로 수행될 수 있다.
다음으로 신뢰성 시험 중, S40단계에서 제어부(90)는 체크 주기가 되었는 지의 여부를 판단한다. 여기서 체크 주기는 반도체 소자(10)의 정션 온도(Tj)를 산출하고, 산출한 정션 온도(Tj)와 세팅된 정션 온도를 대비하여 보드 온도(Tb)를 조절하는 주기이다.
S40단계에서의 판단 결과 체크 주기가 아닌 경우, S80단계에서 제어부(90)는 신뢰성 시험 종료 여부를 판단한다.
S40단계에서의 판단 결과 체크 주기인 경우, S50단계에서 제어부(90)는 반도체 소자(10)로 센싱 전류를 인가한 후 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 전압 측정부(80)로부터 수신한다. 이때 전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 반도체 소자(10)에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출한다.
한편 제어부(90)가 기준 전압값(Vref)을 저장하고 있는 경우, 전압 측정부(80)로부터 센싱 전압값(Vi)을 수신하여 출력 전압의 변화량을 산출할 수 있다. 또는 제어부(90)는 전압 측정부(80)로부터 기준 전압값(Vref)과 센싱 전압값(Vi)을 수신하여 출력 전압의 변화량을 산출할 수 있다.
다음으로 S60단계에서 제어부(90)는 산출된 출력 전압의 변화량으로부터 반도체 소자(10)의 정션 온도(Tj)를 산출한다.
이때 반도체 소자(10)의 정션 온도(Tj)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 센싱 전압에 따른 출력 전압의 변화 조건에서 산출할 수 있다. 여기서 도 6은 도 3의 신뢰성 시험 방법에 따른 시간에 대한 출력 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6에서는 신뢰성 시험이 이루어지는 시간 중 두 번의 일정 시점(t1)(t2)에서 출력 전압의 변화량을 산출하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 여기서 일정 시점은 1000시간일 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
반도체 소자(10)에 대한 신뢰성 시험 중 1차 특정 시각에, 1mA의 센싱 전류로 스위칭한다. 이때 센싱 전류로 스위칭되더라도 반도체 소자(10)는 미처 냉각될 시간이 없기 때문에, 센싱 전류에 대한 기대 전압값보다는 낮은 전압값을 가진 후 반도체 소자(10)가 냉각되면서 기대 전압값으로 상승하게 된다. 이때 1차 특정 시각은 1000시간(t1)이 되는 시각이다.
여기서 1mA의 센싱 전류를 사용한 이유는 다음과 같다. 구동 전류 1A에 대해서 센싱 전류 1mA를 반도체 소자에 인가하는 경우, 안정된 센싱 전압값을 읽을 수 있으면서 구동 전류에 대해서 충분히 작기 때문에 열적 특성 평가에서 무시가 가능하기 때문이다. 본 실시예에서는 센싱 전류로 1mA를 예시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
전압 측정부(80)는 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(t1)의 센싱 전압값(V1)을 측정한다. 그리고 전압 측정부(80)는 센싱 전류에 대응되는 기준 전압값(Vref)과, 측정된 센싱 전압값(V1)의 차이로부터 출력 전압의 변화량(ΔV1)을 산출한다.
제어부(90)는 보드 온도 측정부(70)에서 측정된 보드 온도(Tb)를 수신하다.
그리고 제어부(90)는 출력 전압의 변화량(ΔV1), 보드 온도(Tb) 및 k-인자를 수학식 1에 대입하여 실제 정션 온도(Tj)를 산출할 수 있다.
1차 특정 시각에 실제 정션 온도를 산출하는 방식과 동일한 방식으로, 제어부는 2차 특정 시각(t2)에, 출력 전압의 변화량(ΔV2)을 기반으로 실제 정션 온도(Tj)를 산출할 수 있다. 이때 2차 특정 시각은 2000시간이 되는 시각이다.
이어서 S70단계에서 제어부(90)는 산출된 정션 온도(Tj)가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 챔버(30)로 인가되는 열을 조절하여 보드 온도(Tb)를 조절한다. 즉 신뢰성 시험이 세팅된 정션 온도에서 수행될 수 있도록, 보드 온도(Tb)를 조절한다.
이와 같이 정션 온도 세팅 조건에 신뢰성 시험을 수행할 때, 보드 온도(Tb)를 조절하는 이유를 도 7 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 7은 보드 온도 세팅 방식에서의 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 그리고 도 8은 정션 온도 세팅 방식에서의 정션 온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
먼저 세팅된 정션 온도에 대응되는 보드 온도(Tb)로 신뢰성 시험을 수행하는 동안 보드 온도(Tb)를 일정하게 유지하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 세팅된 정션 온도를 유지하지 못하고 챔버(30)를 통하여 반도체 소자(10)로 인가되는 열과 구동 전류에 의한 자체 발열 등에 의해 반도체 소자(10)가 열화되어 실제 정션 온도가 증가하게 된다.
즉 신뢰성 시험이 장시간 동알 수행되기 때문에, 챔버(30)와 실장 보드(20)를 통하여 반도체 소자(10)에 열적 스트레스가 계속적으로 인가되는 경우, 반도체 소자(10)가 세팅된 정션 온도를 유지할 수 없다.
따라서 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행하더라도, 보드 온도(Tb)를 일정하게 유지할 경우, 실제 정션 온도는 증가하기 때문에, 세팅된 정션 온도에 따른 신뢰성 시험을 정확히 수행할 수 없다.
반면에 본 실시예에서는 세팅된 정션 온도를 기반으로 신뢰성 시험을 수행하되, 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(90)는 일정 시점에서 주기적으로 실제 정션 온도(Tj)를 산출하고, 산출한 정션 온도(Tj)가 세팅된 정션 온도로 변경될 수 있도록 보드 온도(Tb)를 조절함으로써, 세팅된 정션 온도에 따른 신뢰성 시험을 정확히 수행할 수 있다. 이때 제어부(90)는 신뢰성 시험의 시간 경과에 따라서 보드 온도(Tb)를 단계적으로 내릴 수 있다.
S80단계에서 제어부(90)는 신뢰성 시험의 종료 여부를 판단한다. 앞서 S40단계에서의 판단 결과 체크 주기가 아닌 경우, S80단계에서 제어부(90)는 신뢰성 시험의 종료 여부를 판단한다. S80단계에서 제어부(90)는 신뢰성 시험 시간이 종료된 경우 신뢰성 시험을 종료할 수 있다. 또는 제어부(90)는 설정된 비상 상황이나 사용자로부터 신뢰성 시험 종료 신호를 수신한 경우, 신뢰성 시험을 종료할 수 있다.
S80단계에서의 판단 결과 신뢰성 시험이 종료되지 않은 경우, 제어부(90)는 S30단계부터 다시 수행한다.
그리고 S80단계에서의 판단 결과 신뢰성 시험 시간이 종료된 경우, 제어부(90)는 신뢰성 시험을 종료한다.
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
13 : 금속 범프
20 : 실장 보드
23 : 전극 패드
30 : 챔버
40 : 테스트 보드
50 : 온도 조절부
60 : 전류 인가부
70 : 보드 온도 측정부
80 : 전압 측정부
90 : 제어부
100 : 신뢰성 시험 장치

Claims (12)

  1. 실장 보드에 실장된 반도체 소자에 대한 신뢰성 시험을 수행할 수 있도록 상기 실장 보드의 보드 온도를 조절하는 온도 조절부;
    신뢰성 시험이 수행되는 상기 반도체 소자에 구동 전류 또는 센싱 전류를 인가하는 전류 인가부;
    상기 실장 보드의 보드 온도를 측정하는 보드 온도 측정부;
    상기 구동 전류에서 상기 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출하는 전압 측정부; 및
    상기 반도체 소자의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하고, 세팅된 정션 온도에 대응되게 상기 실장 보도의 보드 온도를 유지하고, 신뢰성 시험 중 상기 출력 전압의 변화량으로부터 상기 반도체 소자의 정션 온도를 산출하고, 산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 상기 온도 조절부를 통하여 보드 온도를 조절하는 제어부;
    를 포함하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전압의 변화량은 상기 센싱 전류에 대응되는 기준 전압값(Vref)과, 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서의 센싱 전압값(Vi)의 차이값인 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 k-인자와, 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계로부터 보드 온도의 조절값을 결정하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 k-인자가 일정한 경우,
    정션 온도가 세팅된 시점에서의 정션 온도를 산출하고, 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계를 참조하여 상기 산출된 정션 온도에 따라 상기 보드 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 k-인자가 변경되는 경우,
    정션 온도가 세팅된 시점에서 k-인자를 산출하고, 산출된 K-인자에 따른 정션 온도와 보드 온도의 상관 관계를 수정하고, 수정된 상관 관계로부터 상기 산출된 정션 온도에 따라 상기 보드 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 신뢰성 시험의 시간 경과에 따라서 상기 보드 온도를 단계적으로 내리는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보드 온도 측정부는 상기 반도체 소자가 실장되는 상기 실장 보드의 일면에 반대되는 상기 실장 보드의 타면의 온도를 보드 온도로 측정하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 실장 보드의 타면에서 반도체 소자의 정션까지의 동적열특성을 기반으로 정션 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 아래의 수학식으로 정션 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
    [수학식]
    Figure pat00003

    Tj : 반도체 소자의 정션 온도
    Tb : 실장 보드의 보드 온도
    ΔV : Vref-Vi [Vref(센싱 전류에 대한 기준 전압값), Vi(구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점(ti)에서 측정된 전압값)]
    k : 정션 온도 변화에 대한 동작 전압의 변화율(k-인자; k-factor)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 주기적으로 상기 반도체 소자의 정션 온도를 산출하여 상기 보드 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 LED, LD, VCSEL, IGBT, 트랜지스터, 다이오드 및 IC로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 장치.
  12. 실장 보드에 실장된 반도체 소자의 신뢰성 시험에 필요한 정션 온도를 세팅하는 단계;
    상기 실장 보드에 열을 인가하여 세팅된 정션 온도에 대응되게 상기 실장 보드의 보드 온도를 유지하는 단계;
    구동 전류를 인가하여 신뢰성 시험 중, 상기 구동 전류에서 센싱 전류로 스위칭되는 시점에서 상기 반도체 소자에서 출력되는 출력 전압의 변화량을 산출하는 단계;
    상기 출력 전압의 변화량으로부터 반도체 소자의 정션 온도를 산출하는 단계; 및
    산출된 정션 온도가 세팅된 정션 온도로 변경되도록 상기 보드 온도를 조절하는 단계;
    를 포함하는 동적열특성 평가를 이용한 정션 온도 세팅 반도체 소자의 신뢰성 시험 방법.
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