PXI SMU를 이용한 고도의 병렬 웨이퍼 레벨 신뢰성 시스템

그림 1. 모듈식 PXI 플랫폼은 테스트 어플리케이션을 위한 확장 가능한 고밀도 솔루션을 제공합니다.

디바이스의 신뢰성은 보통 시간 경과에 따른 고장률로 모델링 됩니다. 고장률은 제조 직후에 가장 높으며 제품의 사용 수명이 경과하면 다시 높아집니다.

그래프의 왼쪽 면은 흔히 제조 공정의 결함으로 인해 생기는 초기 결함을 나타냅니다. 생산 과정 중 검사를 통해 이러한 유형의 결함을 선별해내면 결함이 있는 부품이 고객에게 배송되는 확률을 최소화할 수 있습니다. 하지만 생산 과정 중에 수행하는 기능 테스트로는 디바이스의 조기 마모를 유발하는 결함을 식별하지 못하고 제품의 유효 수명에 대한 유용한 정보를 얻을 수 없습니다. 그러나 신뢰성 테스트를 이용하면 이러한 유형의 고장 메커니즘을 파악하고 제품의 유효 수명을 추정할 수 있습니다.

신뢰성 테스트의 목적은 이러한 유형의 고장 메커니즘을 파악하고 제품의 유효 수명을 추정하는 것입니다.

신뢰성 테스트에서는 디바이스를 스펙(보통 전압 및 온도)의 극한치까지 몰아붙여 디바이스의 마모를 가속화하고 알려진 고장 메커니즘을 고려한 유효 수명을 모델링합니다. 이러한 테스트는 웨이퍼 또는 패키지 부품을 대상으로 수행할 수 있습니다. WLR (웨이퍼 레벨 신뢰성)은 제조 공정 중 비교적 초기에 IC의 절단 및 포장과 관련한 비용 및 파손 발생 없이 더 많은 데이터를 제공합니다.

WLR은 디바이스의 유효 수명과 장기적 신뢰성에 관한 정보를 추출하는 파라미터형 테스트의 일종입니다. 이 테스트는 보통 개발 중인 실제 IC가 아닌, 파라미터형 데이터의 수집을 위해 특별히 웨이퍼에 내장되는 테스트 구조물 또는 전용 다이 세트를 대상으로 수행됩니다. 이런 테스트 구조물은 트랜지스터, 커패시터, 저항기 등의 기본적인 웨이퍼 소자나 링 발진기와 같은 기본 회로로 구성되어 제조 공정에 대한 정보를 제공합니다. 대부분의 WLR 테스트는 전압 또는 온도와 같은 스트레스를 가하고 디바이스의 응답을 측정하여 성능 저하의 징후가 없는지 모니터링합니다. 보통은 바이어스 또는 네거티브 바이어스 온도 불안정(BTI 또는 NBTI), 핫 캐리어 유도 열화(HCI), 시간별 전압 강하(TDDB), 일렉트로마이그레이션(EM)과 같은 고장 메커니즘이 사용됩니다.

기존의 WLR 시스템은 측정 기능과 아키텍처가 다양합니다. 특화된 WLR 시스템에는 고주파수 AC 또는 펄스 자극이 사용될 수 있지만, 대부분의 CMOS 디바이스는 파라미터형 데이터 수집에 필요한 스트레스와 측정 기능을 제공하는 SMU(Source Measure Unit) 등의 DC 계측기로 테스트됩니다. WLR 시스템 구축을 위한 2가지 주요 접근 방식으로는 기존의 박스형 계측기를 이용한 랙앤스택 시스템을 만들거나 전용 턴키 시스템을 구매하는 방식이 있습니다.

랙앤스택(Rack-and-Stack) 시스템

SMU는 표준 테스트 랙에 배치할 수 있는 채널 수가 한정되어 있으며 일반적으로 값비싼 고정밀 DC 계측기입니다. 이러한 제약으로 인해, SMU는 저누설 스위칭 매트릭스와 결합해 릴레이의 노이즈와 전류 누설, 열 기전력을 최소화하면서 SMU의 신호를 수십 개의 테스트 지점으로 라우팅하도록 사용되는 경우가 많습니다. 이 접근 방식은 소수의 테스트 구조물을 연속으로 테스트하여 통계적으로 의미 있는 신뢰성 데이터를 얻을 수 있는 경우 꽤 효과적입니다. 또한 스위칭은 보통 채널당 $5,000~$10,000 가격으로 박스형 계측기를 실용적으로 확장하는 방법이며 일반적으로는 19인치 테스트 랙 전체의 채널 수인 20~40개로 제한되었을 것입니다. 그러나 릴레이의 기대 성능을 고려할 때 스위칭 서브시스템은 WLR 시스템에서 크고 비싼 부분이 되는 경우가 많습니다.

턴키 시스템

랙앤스택 방식의 대안은 오븐, 테스트 랙, 계측기, 소프트웨어를 비롯한 모든 구성 요소가 포함된 전용 턴키 시스템을 구매하는 것입니다. 테스트 요구 사항을 디바이스의 기능과 일치시키면 개발 및 통합 시간이 절약되지만 큰 투자가 필요합니다. 이러한 시스템은 주로 채널 수, 하드웨어 스펙과 소프트웨어가 고정된 상태로 구축되며 공급업체에서 서비스를 제공합니다. 시스템 공급업체는 웨이퍼 신뢰성 시스템과 패키지형 신뢰성 시스템을 따로 판매하기도 하고 테스트 요구 사항은 차이가 나지만 동일한 시스템을 판매하기도 합니다. 

기존 WLR 시스템의 문제

맞춤형 시스템을 구매하거나 박스형 계측기를 기반으로 랙앤스택 시스템을 구축하는 기존의 WLR 접근 방식은 수십 년간 소기의 목적을 달성해왔습니다. 그러나 많은 엔지니어는 이러한 아키텍처를 계속 변화하는 데이터 및 비용 요구사항에 맞춰 확장시키기는 어렵다는 사실을 발견하고 있습니다.

턴키 시스템은 디바이스 요구사항의 변경에 따라 테스트 소프트웨어 또는 하드웨어를 변경하는 데 필요한 유연성을 갖추지 못했거나, 변경이 가능하더라도 감당할 수 없을 정도의 큰 비용이 듭니다.

랙앤스택 시스템의 한계는 기존 박스형 SMU의 낮은 채널 밀도입니다. 신뢰성 스트레스에는 고정된 자극 횟수가 필요한 경우가 많으므로, 데이터 속도(동일하거나 더 적은 횟수 만에 수집할 수 있는 데이터 양)를 늘리는 가장 좋은 방법은 병렬 처리를 늘리는 것입니다. 기존 박스형 SMU는 채널 밀도가 제한적이므로 작은 공간에서 채널 수가 많은 시스템을 구축하기 어려우며, 엔지니어는 어쩔 수 없이 스위치 토폴로지를 이용하여 SMU를 여러 핀에 다중화해야 하는 경우가 많습니다. 하지만 핀이 병렬이 아닌 직렬로 테스트되므로 이 스위치 토폴로지는 빠르게 병목 현상을 일으키며, 이로 인해 원하는 데이터 속도 향상 목표를 달성하지 못하게 됩니다.

이러한 문제로 인해 많은 기업이 모듈식 계측기를 사용해 병렬 테스트 시스템을 구축하기 시작하고 있습니다.

테스트 계측기 시장은 PXI 등의 모듈식 플랫폼이 등장하면서 지난 10년간 큰 변화를 겪었습니다. 모듈식 플랫폼은 광범위한 I/O 기능, 콤팩트한 폼 팩터, 유연한 소프트웨어 덕분에 자동화된 테스트 시스템 구축에 점점 더 바람직한 솔루션으로 자리매김하며 성장해왔습니다.

모듈식 접근 방식을 사용하면 측정 품질을 희생하지 않고도 WLR 시스템의 공간을 크게 줄일 수 있습니다. 개방형 소프트웨어 아키텍처는 요구 사항의 변화에 따라 시스템 기능을 정의하고, 테스트를 수정하고, 하드웨어를 추가할 수 있도록 합니다. 여기에는 최신 멀티코어 프로세서의 통합, 상태 및 모니터링 도구를 통한 시스템 가동 시간 극대화, I/O 추가 등이 포함됩니다.

고밀도 SMU(Source Measure Unit)

PXI SMU를 WLR 시스템의 기초로 사용하면 적당한 설치 공간과 채널당 비용을 유지하면서도 시스템에 수백 개의 SMU 채널을 추가할 수 있습니다. NI SMU는 자동 테스트 시스템의 구축에 맞춰 설계되었으며 모듈식 아키텍처를 사용하면 수백 개의 채널과 전체 시스템의 디바이스 스펙을 최적화할 수 있습니다. 높은 채널 밀도 덕분에 SMU와 웨이퍼 사이에 스위치를 배치하지 않아도 됩니다. 대신, 각각의 테스트 패드를 고정밀 디바이스에 직접 연결하면 됩니다. 이러한 "핀마다 SMU가 있는" 아키텍처는 스위치가 신호 무결성, 테스트 시간, 테스트 루틴 유연성에 미치는 부정적인 영향을 방지함으로써 고급 스트레스 측정 알고리즘을 구현하는 데 도움이 됩니다.   

WLR 시스템에서 핀마다 SMU가 있는 아키텍처가 완전히 새로운 개념은 아니지만, NI SMU는 기존 솔루션보다 상당히 더 많은 수의 채널을 제공합니다. PXI SMU를 기반으로 하는 WLR 시스템은 다음을 제공합니다.

1. 높은 밀도― 단일 4U, 19인치 PXI 섀시에 최대 68개의 SMU 채널을 구성하고 여러 개의 섀시를 단일 자동 테스트 랙에 탑재하여 시스템당 수백 개의 독립적인 SMU 채널을 구현할 수 있습니다.
2. 고정밀 측정―10fA~10pA 범위의 측정 민감도로 시스템의 측정 품질이 저하되지 않습니다.
3. 고속 시퀀싱 엔진―대량의 하드웨어 타이밍 시퀀스를 시스템의 SMU로 스트리밍하고 모든 채널을 동기화할 수 있습니다. 따라서 실행 속도가 매우 빠르고 결정성이 보장된 소싱과 샘플링을 제공합니다.
4. 내장형 디지타이저―600kS/s 이상의 샘플 속도를 통해, 외부 오실로스코프 없이도 디바이스의 과도 회복 동작을 수집할 수 있습니다.

사용자들이 NI SMU로 전환하는 이유 알아보기

높은 가동 시간 및 사용성

시스템 가동 시간의 보장은 인라인 및 오프라인 신뢰성 시스템에 모두 매우 중요한 부분입니다. 인라인 시스템에 오류가 발생하면 웨이퍼 생산이 중단될 수 있습니다. 몇 개월 또는 몇 년에 걸쳐 수행되는 오프라인 신뢰성 테스트는 제품의 예상 수명과 관련하여 중요한 데이터를 제공합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 테스터에 오류가 발생하면 실험도 실패로 끝날 수 있으므로, 신뢰성 테스터는 항시 온라인 상태를 유지하고 실험 전체 과정에서 데이터를 지속적으로 수집해야 합니다.

PXI 플랫폼은 가동 시간이 길고 중대한 어플리케이션을 개발하는데 수많은 이점을 제공합니다. 예를 들어 핫스왑이 가능한 팬과 전원공급장치를 여러 대 갖춘 섀시를 사용해 시스템을 구축하는 경우를 생각해볼 수 있습니다. 부품 하나가 고장 나더라도 시스템은 계속 가동되며 시스템 전원을 끄거나 실험을 강제 종료할 필요 없이 해당 부품을 교체할 수 있습니다. 또한 고장이 임박했다는 것을 알 수 있는 팬 속도, 온도, 전력 소비량, 기타 주요 파라미터 등의 시스템 상태를 원격으로 모니터링할 수 있습니다.

PXI가 시스템 신뢰성, 가용성, 사용성, 관리성을 개선하는 방식 알아보기

최신 상용 프로세서 사용 가능

병렬 테스트 시스템은 프로세싱 기능의 부족이나 통신 지연으로 인한 병목 현상을 방지해야 합니다. PXI로 병렬 WLR 시스템을 구축하면 최신 Intel 멀티코어 프로세서가 장착된 컨트롤러를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 디지털 트리거를 통한 모듈 간 통신뿐만 아니라 섀시 백플레인을 통해 프로세서와 모듈 간 저지연 통신이 가능합니다. 이는 병렬 WLR 시스템에서 세부 시퀀스 실행을 각 SMU에 맡기고 컨트롤러는 데이터 수집 및 분석 작업에 집중할 수 있다는 뜻입니다.

멀티코어 프로세서로 테스트 시스템 성능 향상

기존의 신뢰성 시스템은 수십 년간 소기의 목적을 달성했지만, 성능상의 문제로 대량의 신뢰성 데이터를 제공 및 분석하기가 점점 어려워지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하고자 수많은 기업이 가동 시간이 길고 최신 상용 프로세서를 탑재한 고도의 병렬 WLR 시스템을 위해 PXI와 같은 모듈식 플랫폼을 선택하고 있습니다. 이러한 시스템의 소프트웨어 정의 아키텍처를 통해 기업은 지적 자산에 대한 통제력을 유지하고 요구 사항의 변화에 따라 시스템을 확장할 수 있습니다. 이와 같은 방식 덕분에 기업들은 보다 저렴한 비용으로 더 많은 신뢰성 데이터를 확보하고, 앞으로도 끊임없이 변화할 테스트 요구 사항에 부응할 수 있습니다.         

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