반도체 패키징 검사
테라헤르츠 기술은 첨단 반도체 패키지에서 고정밀 결함 분리를 신속하게 수행할 수 있도록 지원합니다.
EOTPR 차세대 패키징 결함 분리 사례 연구 및 개선
EOTPR 는 차세대 IC 장치를 위한 잘 알려진 비파괴 결함 분리 도구입니다. 이 예시들은 EOTPR이 2.5D 및 3D 패키지, Wafer Level Fanout Package, MEMs 장치 등 다양한 차세대 패키지 유형을 조사하는데 어떻게 활용되고 있는지 보여 줍니다. 또한 EOTPR 시스템의 최근 개선 사항과 결함 위치 분석을 크게 가속화할 수 있는 새로운 모델링 접근 방식의 결과를 제공 드립니다.
Electro-Optical Terahertz Pulse Reflectometry(EOTPR)는 테라헤르츠 주파수에서 시간 영역 반사 측정(TDR) 기술을 구현한 것으로, 결함 분리 정확도를 10 µm 이내로 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 기존 TDR에서와 마찬가지로, EOTPR 의 결함 감지 정확도는 입사 펄스의 상승 시간, 시간 기반 지터, 신호 대 잡음비(SNR)의 함수입니다. EOTPR 시스템은 신호 생성 및 감지를 위해 초고속 레이저와 한 쌍의 광전도 스위치를 사용하여 테라헤르츠 펄스를 생성하여 (i) 높은 측정 대역폭, (ii) 낮은 시간 기반 지터, (iii) 높은 시간 기반 분해능을 갖춘 시스템을 구현합니다.
기존 TDR에 비해 EOTPR 은 기존 TDR에 비해 상승 시간이 더 빠르고, SNR이 더 높으며, 시간 기반 지터가 훨씬 감소하는 신호를 생성하여 결함까지의 거리 정확도를 크게 향상시킬 수 있는 시스템 특성을 제공합니다. EOTPR 시스템의 개략도는 아래와 같습니다.
작동 중에 펄스는 고주파 회로 프로브를 통해 테스트 대상 디바이스(DUT)로 발사됩니다. 펄스의 일부는 IC 내에서 완전한 open, 저항성 open, 단락 결함 등의 임피던스 변화를 만나면서 반사됩니다. 이러한 반사는 검출기 광전도 스위치에 의해 측정되고 시간의 함수로 다음과 같은 EOTPR 파형으로 기록됩니다. 개방 고주파 프로브의 파형 예는 아래와 같습니다.
EOTPR 은 기존 TDR의 스텝 응답이 아닌 임펄스 응답을 활용하므로 DUT의 임피던스 불연속성이 높거나 낮으면 측정된 파형에서 각각 양의 피크와 음의 피크로 나타납니다. 이러한 특징의 크기는 펄스에 의해 발생하는 임피던스 변화의 크기를 나타내며, 도착 시간은 결함의 위치를 알려줍니다. EOTPR 파형 특징이 DUT의 결함으로 인해 발생하는지 여부를 이해하려면 알려진 양품의 파형과 비교하는 것이 필수적입니다.
DUT 내의 결함을 찾기 위해 시간 영역 파형을 거리 영역으로 쉽게 변환할 수 있습니다. 이는 알려진 위치에서 개방과 같은 임피던스 특징을 가진 참조 장치를 측정하여 정확하게 달성할 수 있습니다. DUT의 유효 유전 상수는 신호가 참조 특징 또는 알려진 위치 사이를 이동하는 데 필요한 시간을 측정하여 EOTPR 신호가 참조 특징 또는 알려진 위치 사이를 이동하는 데 필요한 시간을 측정하여 결정할 수 있습니다. EOTPR 파형을 변환하는 데 사용됩니다.
EOTPR 는 이제 결함 분석 워크플로우에서 잘 정립된 기법이며 다양한 장치 아키텍처를 조사하는 데 사용되고 있습니다. 아래 예는 어떻게 EOTPR 를 사용하여 차세대 IC 패키지의 결함을 정확하게 찾아내는 방법을 보여줍니다.
결과 및 토론
2.5D Architectures
아래 이미지는 ASIC 다이와 고대역폭 메모리 장치가 인터포저에 조립된 후 유기 기판에 실장된 2.5D 패키지의 개략도를 보여줍니다. 이러한 장치에서는 제조 환경에서 사용되는 솔더 리플로우 및 언더필 경화 주기 동안 유도되는 응력으로 인해 인터페이스에 균열 및 박리와 같은 결함이 발생할 수 있습니다.
이 예에서는 커브 트레이서를 통해 접지 핀에 대해 신호 핀에 전압을 인가하여 open 결함을 식별했습니다. TDR 측정 결과 open 불량이 기판과 인터포저 종단 사이에 있는 것으로 나타났지만 그 위치를 정확하게 식별할 수는 없었습니다. 실시간 2D X-ray 및 음향 이미징에서도 관련 신호 핀 상호연결, 마이크로 범프 및 C4 인터페이스에서 어떠한 이상도 발견할 수 없었습니다.
EOTPR 를 사용하여 보다 정확한 결함 위치를 파악했습니다. 아래 그래프는 불량이 발생한 장치(빨간색 선), 양품(녹색 선), C4 범프 패드에서 끝나는 베어 PCB 기판 (검은색 선), 마이크로 범프 패드에서 끝나는 인터포저가 있는 PCB 기판(파란색 곡선)에 대해 얻은 파형을 보여줍니다.
아래에 강조 표시된 결함 장치 파형의 양의 피크는 장치의 개방형(open) 불량을 명확하게 보여주며, 이는 베어 기판 종단 후 100 µm로 계산되어 C4 범프의 상단에 해당합니다. 추후 이 장치의 물리적 고장 분석(PFA)을 통해 아래 그림과 같이 베어 기판 종단에서 105 µm 떨어진 곳에 위치한 C4 패시베이션 층에서 open 결함이 발생했음이 밝혀져 EOTPR 결과가 검증 되었습니다.
Microelectromechanical Devices
MEMs 장치의 짧은 도선 길이는 결함을 파악할 수 있는 참조 영역이 없기 때문에 EOTPR 측정이 어려운 것으로 보일 수 있습니다. 일반적인 해결 방법은 참조 장치에 인위적인 결함을 도입하는 것이며, 이는 차례로 결함이 발생한 장치의 결함 위치를 추출하는 데 사용될 수 있습니다.
위 이미지는 이러한 사례 중 하나에 사용되는 MEMs 장치의 개략도와 단면을 보여줍니다. 이 장치는 기판 위에 장착된 MEMs 장치로 구성되며, 실리콘 관통전극(TSV)과 재분배층(RDL)을 통해 MEMs 장치와 솔더 볼 사이의 전기적 연결이 이루어집니다. 양품(녹색 트레이스), 참조 장치(파란색 트레이스), 불량 장치(빨간색 트레이스)에 대해 얻은 EOTPR 파형이 아래에 나와 있습니다. 참조 장치는 또 다른 양품의 RDL에서 표면 신호 트레이스를 절단하여 준비했습니다. 절단된 대략적인 위치는 위와 같습니다. 불량 장치의 open 피크는 RDL에서 절단한 후 320 µm로 계산되었습니다. 아래 삽화에 추후 진행된 PFA 결과를 보면, 인위적으로 생성한 결함에서 325 µm 떨어진 TSV 인터페이스에서 균열이 발생했음을 알 수 있었습니다.
Wafer-Level Fanout Packages
EOTPR 은 최근 최첨단 Wafer Level Fanout Package(WLFO)의 결함을 찾아내는 데 사용되어 패키지 개발의 최전선에서 EOTPR 의 중요성을 보여줍니다. 아래 이미지는 혁신적인 상호 연결을 갖춘 기존의 웨이퍼 레벨 패키징으로 구성되어 메모리 칩의 Package on Package 구성을 가능하게 하는 이러한 장치의 회로도를 보여줍니다. Via Frame이라는 맞춤형 재분배 장치를 통해 메모리 스태킹을 가능하게 합니다. 이러한 구성 요소는 일련의 RDL에서 에폭시 몰드 컴파운드에 통합됩니다.
-40℃ ~ 125℃ 범위에서 1,000회 온도 사이클 후 수행된 ATE(Automated-electrical continuity test)에서 확인된 결함 장치가 EOTPR 측정을 위한 대상에 적합한 것으로 확인되었습니다. 더불어 curve tracer를 통해 불량 네트에서 open 결함이 발견되었습니다. 이후 EOTPR 특성화는 아래 그래프에 나타나 있으며, 결함 장치의 파형(빨간색 곡선)을 양품(녹색 곡선)와 비교합니다. 또한 참고 장치의 파형(파란색 곡선)이 표시되어 있는데, 이 장치는 RDL 끝에서 160 µm 떨어진 곳에 open 결함이 있는 것으로 알려졌습니다.
참조 장치에서 OPEN 위치와 솔더 볼 사이의 알려진 거리를 사용하여 결함 유닛의 결함 위치는 RDL 끝에서 100 µm 떨어진 곳으로 계산되었습니다. 이 위치의 확인은 PFA를 통해 이루어졌으며, 위 오른쪽에 표시된 것처럼 Copper 도선의 끝에서 100 µm 떨어진 곳에서 균열을 확인했습니다.
3D packages
이 마지막 사례 연구에서는 다음을 확인할 수 있었습니다. EOTPR 는 3D 장치 아키텍처의 모든 주요 구성 요소를 식별하는 데 사용할 수 있으므로 3D 패키지의 결함 분석에 이상적인 도구입니다. EOTPR 파형에서 각 주요 위치를 분리하기 위해 아래에 개략적으로 표시된 샘플 장치를 위에서 아래로 단계적으로 기계적으로 연마했으며, 각 단계마다 EOTPR 측정이 수행되었습니다.
예를 들어, 첫 번째 단계에서 상단 다이가 제거되어 측정 네트가 노출된 µC4 범프에 의해 종단되었습니다. 다음 연삭 단계에서는 이러한 범프가 차례로 제거되어 종단이 하단 다이 TSV의 상단으로 이동합니다. 이러한 방식으로 EOTPR 파형을 완전히 이해할 수 있습니다. 그런 다음 파형의 개별 특징을 명확하게 식별할 수 있으므로 획득한 파형을 계산하여 정확한 결함까지의 거리 값을 추출할 수 있습니다.