패키지 레벨 성능 검증 1

󰊱 조립품의 제품 성능시험 장비 선정 기준
조립품의 제품 성능시험 장비 선정도 기본적으로 웨이퍼 레벨의 경우와 같다. 이유는 테스트 항목도 동일하고 제품 규격도 같기 때문이다. 물론 고객이 요구하는 사항에 따라 다소 달라질 수 있지만 거의 유사하다고 보면 된다. 중요한 사항은 주검사기는 동일하지만 칩을 테스트 위치로 이송하는 역할을 하는 핸들러 시스템, 칩을 고정시키고 테스트 입출력 배선에 연결시키는 지그나 소켓 보드(board), 웨이퍼 레벨에서 수행하지 못했던 번인
(burn-in) 항목을 테스트 하도록 환경을 제공하는 번인 시스템과의 최적의 조건을 이루는 장비를 선정해야 한다.


󰊲 조립품의 제품 성능시험 장비 개요
FAB공정을 거친 후 웨이퍼레벨 테스트를 거친 양품의 칩들이 조립 공정에서 다이 절단(die sawing), 다이 부착(die bonding), 와이어 본딩(wire bonding), 몰딩(molding), 트림 & 폼(trim & form)의 공정을 거치거나, 범핑 공정을 통하여 플립 칩 본딩(flip chip bonding)을 거쳐 실제로 실장에서 쓸 수 있는 개별 소자가 된다. 패키징 작업 도중 혹은 완료 후에 적절한 전기적, 열적 및 기능 테스트를 거쳐 양품과 불량품을 가려내게 된다. 반도체의 테
스트는 소자 외부로부터 인가되는 신호에 의해서 테스트가 수행되므로 불량품을 100% 검출하는 것은 매우 어렵다. 특히, 메모리 소자의 경우 집적도가 높아지면서 외부 단자에서 내부 단자까지의 회로 단수가 증가하기 때문에 외부 단자에서 내부의 상태를 검사하는 일은 점점 더 어려워지고 있다. 또한 다양한 종류의 칩들을 동일 테스터에서 성능을 측정할 수 없다. 이런 관점에서 주어진 반도체 칩, 정확히 말하면 조립 종류까지 감안하여 부합되
고, 정밀도가 높은 테스트 장비 선정이 매우 중요하다. 물론 주어진 반도체 소자 종류별로 고객이 준 동작 특성, 평가 항목, 규격을 감안하여 수준에 맞는 장비를 선정해야한다. 예를 들어, 고객이 5Ghz 신호 속도 측정을 원하는데 10, 6, 4Ghz의 3종류 테스터가 있다면 6Ghz 수준의 테스트를 선정함이 합리적이다. 10Ghz가 수준이 높아 양호하지만 가격이 비싸다. 4Ghz는 고객 수준을 맞출 수 없다. 다른 예를 하나 더 들어보자. 고객의 소자가 로직소자인데 만일 기억소자(DRAM) 측정용 테스트 장비를 선정한다면 테스트 과정에 심각한 문제를 유발한다.

󰊳 시험 장비 사용법
웨이퍼 상태에서의 검사는 주검사 장비와 웨이퍼가 연결되어 이루어지는데, Probe Station은 웨이퍼와 주검사 장비를 전기적으로 연결하는 역할을 하고, 조립이 완료된 패키지 상태에서의 검사는 주검사 장비와 각각의 반도체소자가 핸들러를 통해 연결되어 이루어진다. 주검사 장비와 핸들러의 역할은 주검사 장비는 소자 구동에 필요한 입력 신호를 가하고 소자 출력 신호를 검출하여 판정한 후 핸들러를 제어하여 칩의 성능을 등급별로 분류하도록 명령 신호를 보내는 두뇌의 역할을 수행하며, 핸들러는 소자를 테스터로 이송하고 주검사 장비에서 받은 명령대로 반도체 소자를 속도(speed) 등급별로 분류하는 역할을 수행한다. 장비의 사용은 주검사기와 핸들러의 연동을 시작으로 각 장비 제조사가 제공하는 매뉴얼에 따라 순서대로 진행한다. 장비별로 모두 동작 방법이 다르므로 꼭 장비 제조사와 장비 운영자가 만들어 놓은 작업 절차서를 숙지하고 사용한다. 장비가 제대로 작동하는지의 여부는 일일이 확인한다.

1. Package Test System(주 검사 장비, handler)을 확인한다.
2. 표준 샘플 test를 실시한다.
3. 해당 공정 조건 test item 이상 유무를 확인한다. 
4. Test하고자 하는 program이 제대로 loading 되었는지 확인한다.
5. 선두 package 위치가 정확한지 확인한다.
6. Contact Mode/양산 Mode Setting을 확인한다.
7. Wrist strap 착용 후 set-up및 test 진행 했는지 확인한다.
8. Low yield 발생 시 발생 원인을 분석 한다 .
9. 이상 처리 발생 시 장비 점검 및 test program을 점검 한다. 
10. 테스트 결과를 작성, 정리한다.
(1) Test summary를 확인한다.
(2) 표준 시료와 비교한다.
(3) Histogram, 프로그램 검토, Data log, Shumoo Plot을 확인한다.

󰊳 테스트 핸들러(handler)
테스트 핸들러는 테스트 공정에 있어서 소자 혹은 모듈을 테스트 하기 위한 적절한 온도와 환경을 조성해 주고, 전기적 테스트를 위하여 반도체 소자 혹은 모듈을 자동으로 테스트하고자 하는 위치로 이송시키며, 테스터와 전기적으로 연결되어 있는 소켓에 소자 혹은 모듈을 자동적으로 꽂거나 빼고, 테스터와 통신을 하여 테스터 결과에 따라 소자 혹은 모듈의 불량 여부를 판정하여 그 결과에 따라 등급별로 자동 분류하여 수납시키는 핸들링 장치이다.

1. 테스터 핸들러 종류 
테스트 핸들러는 그 용도에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 테스트 핸들러의 종류는 디바이스의 이송 방법, 디바이스의 종류, 제조공정 상 어디에 쓰이는가에 따라 분류할 수가 있다. 디바이스 이송 방법에 따라서는 수직식과 수평식으로 분류할 수 있고, 디바이스의 종류에 따라서는 메모리와 비메모리 반도체용으로 분류할 수 있다. 한편, 메모리 반도체용에서도 개별 소자와 모듈용으로 나눌 수 있을 뿐 아니라 테스터용인지 실장형인지로도 분류할 수가 있다.

(1) 소자 이송 방식에 따른 분류
디바이스의 이송 방법에 따라 수직식과 수평식 테스트 핸들러로 분류할 수가 있다. 수직식은 디바이스 자체의 무게에 의한 자유낙하를 이용한 디바이스 이송 방식을 채택한 것이고, 수평식 테스트 핸들러는 P&P head를 이용하여 디바이스를 강제로 이송시키는 방식을 말한다. 수직식은 소자를 튜브에 담았을 때 각 소자의 pin과 pin이 서로 닿지 않는 패키지 타입이어야 하는데 반해, 수평식은 제약이 없어 새롭게 개발되는 많은 종류의 패키지를 그 대상으로 하고 있다. 반드시 그런 것만은 아니지만, 수직식은 pin 수가 적은 간단한 IC들을 테스트하는 곳에 많이 쓰이고, 수평식은 상대적으로 pin 수가 많은 IC를 테스트하는데 적용되는 경우가 많다. 

 

(가) 수직식 테스트 핸들러
P&P head를 이용하여 디바이스를 강제로 이송하는 수평식 테스트 핸들러와는 달리, 수직식 테스트 핸들러는 튜브에 담겨진 소자를 자체의 무게에 의한 자유낙하 방식을 이용하여 디바이스를 이송하는 것이 주요한 차이점이다. 그러므로 디바이스가 이송하는 동안 손상을 입지 않고 원활히 흐르도록 하는 track 제작과 중간 중간 흐름을 정지시키는 기구 제작이 설계에 있어서 주요 포인트이다. 적용 가능한 패키지는 TO, SOP, SOJ, DIP, SIP, ZIP 등이 있다. 수직식 테스트 핸들러의 주요 구성부는 stacker, loader, track, deverter, test site, sorter, unloader로 나누어진다. 각 구성부의 기능을 살펴보면, 

1) Stacker
디바이스를 공급하기 위해 튜브를 적재하는 부분이다. 

2) Loader
좌우 이송장치 및 트랙에 디바이스를 삽입하기 위한 dumper로 구성된다. stacker에서 튜브가 공급되면 튜브를 잡아서 track으로 디바이스를 공급하는 장치로, cylinder에 의해 회전되며 test site가 많아지면 모터에 의해 좌우 이송하여 각각의 track에 디바이스를 공급하게 된다. 

3) Track
디바이스를 test site로 보내는 장치로 디바이스를 한 개씩 테스트 위치로 흘려보내는 장치이다. 고온 혹은 저온에서 테스트를 하는 경우에는 고온 혹은 저온 챔버 내부에 구성된다. 일반적으로 singulator와 distributor로 구성되나, detector가 추가되는 경우도 있다. Singulator는 디바이스가 bulk 형태로 track을 타고 자중에 의해 이송됨으로, 순차적으로 디바이스를 한 개씩 흘려보내기 위한 장치이다. distributor는 test site가 여러 개인 경우 각 site에 디바이스를 공급하기 위한 장치로 1, 2 PARA의 경우는 설치하지 않는다. detector은 디바이스의 lead가 굽어지는 불량 및 역방향으로 디바이스가 공급되지 않도록 하기 위한 장치로, jam 발생을 극소화하고 테스트 핸들러의 신뢰성을 높이기 위해 설치한다. 

4) Deverter
Deverter는 distributor에서 test site track으로 디바이스를 공급하거나 또는 test site track에서 나온 디바이스를 output buffer track으로 공급하여 주는 장치로 회전 운동을 통하여 디바이스를 공급한다. 디바이스가 원활히 이송되지 않을 경우는 air blower를 설치하여 디바이스의 흐름을 원활히 한다. Track에는 고온 테스트의 경우 냉각 기능, 저온 테스트의 경우 가열 기능을 부가하여 unloading 공정에서의 tube 변형 가능성 또는 디바이스에서의 습기 생성 가능성을 제거한다. Deverter를 사용하지 않을 경우는 R-track을 사용한다. 

5) Test site
Test site는 디바이스를 테스트하는 장소로 비메모리 디바이스의 경우는 1, 2, 4 PARA가 주종을 이루며, 메모리의 경우는 16, 32 PARA까지 개발되어 사용되고 있다. 소켓의 형상에 따라 contact 방식이 달라지며, contactor의 구동 타이밍은 테스터와 통신을 통하여 설정된다. Contact 시 적정한 압력과 디바이스가 손상을 입지 않도록 해야 한다. 테스트 시간이 짧으면 짧을수록 index time이 UPH에 미치는 영향이 커지므로 비메모리 테스트 핸들러의 경우 빠른 index time 구현이 중요하다. Test site track의 입구와 출구에는 센서를 설치하여 디바이스의 출입을 체크한다. 

6) Test site
Sorter는 deverter에서 공급된 디바이스를 테스터와 통신을 통하여 받은 결과에 따라 해당 BIN의 unloader buffer track으로 이송하는 장치이다. Sorter track의 구동은 stepping motor 또는 servo motor, belt, 그리고 LM guide에 의해 이송되며, 디바이스를 일시 정지시키기 위한 구조물이 설치된다. 또한 track 입구와 출구에는 센서를 설치하여 디바이스의 출입을 체크한다. 고온 혹은 저온 테스트가 필요할 때에는 냉각 혹은 가열 기능을 추가한다. Unloader buffer track은 튜브 교체 시 디바이스를 적재하고, 고온 및 저온 테스트가 요구되어지는 때에는 냉각 또는 가열을 하기 위한 장소로 cylinder를 이용한 stopper 기능이 부여된다. 

7) Unloader
Unloader부는 빈 튜브를 적재하기 위한 stacker와 튜브를 이송하기 위한 transfer로 구성된다. 양품의 full tube를 적재하는 방식은 제조사마다 다소 차이는 있지만 latch를 이용한 tacker 방식과 box에 떨어뜨리는 방식이 적용되고 있다. Sorting하기 위한 튜브의 bin 수는 비메모리 디바이스의 경우 good bin은 2개소를 설치하고 reject 및 retest bin은 2 내지 3개소를 설치한다. 수직식 테스트 핸들러는 비교적 pin수가 적은 간단한 패키지에 적용된다. 상온에서 테스트하는 장비는 상대적으로 제작이 간단하고 가격도 싸다. 그러나 고온과 저온 테스트를 겸비하는 경우에는 장비 제작이 간단하지 않으며 장비 가격도 상대적으로 비싸다. 현재 국내에는 수직식 테스트 핸들러를 생산하는 곳은 여러 곳이 있으며, 국내 시장보다는 중국과 동남아 시장을 겨냥하고 수출에 주력하고 있는 편이다.