패키지 레벨 성능 검증 2

(나) 수평식 핸들러
반도체 소자가 다기능화, 고급화, 고집적화가 되면서 pin 수가 급격히 증가하게 되었는데, 이에 부응하기 위하여 QFP, BGA, CSP 등의 새로운 패키지가 등장하게 되었다. 이러한 패키지들은 그 특성상 튜브에 담을 수가 없고 반드시 tray에 담아서 운반이 된다. 그러므로 이들 패키지들을 테스트할 때에는 튜브로부터 소자를 자유 낙하시키는 수직식을 사용할 수가 없다. 그러므로 이들 패키지들을 테스트하고자 할 때에는 자유낙하를 이용하는 수직식과는 달리, 디바이스가 담겨진 customer tray를 stacker에 loading하면 로봇이 소자들을 테스트하고자 하는 위치로 강제 이송하는 방식을 취하는 수평식 테스트 핸들러를 사용해야 한다. 이러한 수평식 테스트 핸들러는 QFP, BGA, CSP와 같은 경박단소한 패키지의 Lead 혹은 Ball을 보호할 수 있으며 다양하게 변화하는 선행 패키지에 적절하도록 장비의 구성을 바꾸는데 용이하다. 보통 장비의 구성은 tray loader, pick and place, preheating zone, input shuttle, test site, output shuttle, tray unloader 등으로 구성되며, 보통 테스트사이트가 1 ~ 4개 정도이며, 고온 테스트가 가능하도록 되어있다. 

1) Tray loader
Tray loader는 디바이스가 적재된 tray를 연속적으로 공급시켜 테스트가 연속적으로 진행될 수 있도록 하는 elevator 구조이다. Tray loader에서 공급된 디바이스는 P&P head에 의해 preheating zone으로 이송되어 예열을 한다. 예열이 끝난 디바이스는 robot에 의해 input shuttle로 이송된다. 

2) Input shuttle
Input shuttle은 히터를 이용하여 고온을 유지하고, 디바이스를 test site 위치까지 이송한다. 
3) Test site
Test site에서는 input shuttle에서 디바이스를 pick up하여 contact 위치로 이동 후 소켓에 꽂아서 테스트를 한다. 
4) Output shuttle
테스트가 끝난 디바이스는 output shuttle로 이동되어 unloader robot이 픽업하는 위치까지 이송된다. 테스트 결과에 따라 디바이스는 적절한 수납 장소에 분류된다. 

5) Tray unloader
Tray unloader는 output shuttle로부터 양품 판정을 받은 디바이스를 연속적으로 unloader할 수 있도록 되어있다. 일반적으로 수평식 테스트 핸들러는 index time, cycle time, 신뢰성이 장비의 성능을 좌우한다. 수평식 테스트 핸들러의 기술수준은 수직식에 비하여 상대적으로 어렵다고 할 수 있는데, 현재 병렬 테스트가 가능한 테스트 사이트의 수를 늘리고 있는 실정이다. 그러나 이것은 결국 테스트 핸들러의 문제라기보다는 pin 수가 많아 
그것을 처리해야하는 테스터의 한계를 극복해야만 풀리는 문제이다. 

2. 소자 종류와 제조 공정에 따른 분류
일반적으로 반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나눌 수 있다. 테스트 핸들러 역시 크게 메모리 반도체용과 비메모리 반도체용으로 구분이 가능하다. 그리고 메모리 반도체에서도 디바이스를 테스트하는지, 모듈을 테스트하는지에 따라서 구분이 되며 공정별로 구분이 가능하다.

(1) 메모리 IC 테스트 핸들러
메모리 IC와 메모리 모듈의 테스트 항목은 크게 DC 테스트, AC 테스트, function 테스트로 나누어진다. 

- DC 테스트: DUT(device under test)에 규정된 전압을 인가하여 open/short, 입력 전류, 출력 전압, 전원 전류 등의 DC 특성을 측정하는 것이다. 
- AC 테스트: DUT의 입력단자에 펄스 신호를 인가하여 입출력 운반 지연 시간, 출력 신호의 시작/종료 시간 등의 동작특성을 측정하는 것이다. 
- Function 테스트: 각 메모리 셀의 읽기, 쓰기 기능이나 상호 간섭 등을 시험하며, 패턴 발생기에서 발생한 시험 패턴을 규정된 레벨로 변환한 펄스를 DUT에 인가하여 DUT의 출력 신호를 규정된 레벨과 비교한다. 그 
비교 결과를 패턴 발생기에서 발생한 출력 기대 패턴과 비교하여 동작의 양/불량을 시험한다. 일반적으로 AC 테스트와 function 테스트를 겸한 다이나믹 function 테스트로 겸하여 실시된다. 일반적인 경우에는 테스터를 이용하여 위에서 열거한 메모리 테스트 항목들을 모두 검사하게 된다. 그러나 테스트 비용을 절감하기 위한 노력의 일환으로 최근에 고안된 PC level 실장 테스트 핸들러에서는 AC 테스트와 function 테스트의 수행은 곤란하며, 단지 DC 테스트와 PC 환경의 실장 테스트만으로 테스트를 수행한다. 그리고 PC level 실장 테스트 핸들러에 장착되는 DC tester에는 통상 SPD(Serial Presence Detect) 정보수록이 가능하도록 되어있다. PC level 실장 테스트만으로 테스트를 수행할 시에는 디바이스를 일부 샘플링하여 AC 테스트와 function 테스트를 수행한다. 때로는 일반적인 테스트와 PC level 실장 테스트를 겸하기도 한다.

(가) 메모리 IC 테스트 핸들러 
메모리 IC 제조에 있어서 가장 중요한 요소는 양산성이다. 이 양산성이 곧 원가를 결정하게 된다. 따라서, 메모리의 집적도가 높아지면서 테스트 시간도 길어져 시간당 생산성을 높이기 위한 노력이 계속적으로 진행되어 오고 있다. 병렬테스트(parallel test) 방법이 가장 활발하게 도입되고 있는데, 최근 128para 테스트 핸들러가 이미 실용화되었고, 256para 제품이 곧 선을 보일 예정이다. 한 번에 테스트할 수 있는 메모리 소자의 수는 증가하면서도 장비의 크기는 특별히 커지지 않아 크린룸의 면적과 인원을 최소화하는 데에도 효율적이다. 일반적으로 테스트 환경은 –10 ~ 100℃가 요구되는데, 소자업체에 따라서는 –50 ~ 150℃를 요구하는 곳도 있다. 
메모리 IC 테스트 핸들러는 수평식 구조를 가지고 있으며, 핵심 기술로는 128개의 메모리 소자를 동시에 이송하기 위한 tray 제작기술, 소자를 개별적으로 핸들링하는 P&P head 제작기술, 고온과 저온 챔버 제작기술 및 온도제어 기술, 128개의 소자를 동시에 정확히 contact하는 기술 등이 있다.

 (나) 메모리 모듈 테스트 핸들러
반도체 소자 업체들은 메모리 IC와 동시에 메모리 모듈로도 제작하여 판매한다. 우리가 일반적으로 사용하는 개인용 컴퓨터의 내부를 들여다보면 메모리 소켓에 이 메모리 모듈이 꽂혀있는 것을 볼 수 있다. 메모리 모듈은 메모리 소자들이 원하는 용량만큼 저장되어 있는 회로기판을 가리키는 것으로 SIMM, DIMM, RIMM 등이 있다. 한편, 노트북용은 일반 PC용에 비하여 그 크기가 작고 pin 수가 적다. 표면 장착(surface-mount) 메모리칩을 수용하도록 설계된 작은 회로기판을 이용한 메모리 모듈로, 종래의 메모리 장착용 PCB보다 간결하여 공간을 덜 차지한다. DIMM (Dual In-line Memory Module)은 두 겹짜리 SIMM이라고 할 수 있다. SIMM과 마찬가지로, DIMM도 컴퓨터 마더보드에 접속하기 위해 핀이 달린 작은 회로기판 상에 하나 이상의 메모리 소자들이 부착되어 있다.

1) SIMM (Single In-line Memory Module)
SIMM은 보통 72핀 커넥터가 요구되는 컴퓨터에는 32비트 폭(패리티 비트까지 치면 36비트이다)의 데이터 비트를 가지고 나온다. SDRAM은 64데이터 비트를 지원하기 때문에 적어도 한 쌍의 SIMM 또는 한 개의 DIMM이 필요하다. 

2) DIMM (Dual In-line Memory Module)
DIMM은 168핀 커넥터가 달려있으며, 64비트 데이터 전송을 지원한다. 

3) RIMM
램버스 DRAM은 램버스사가 개발한 고성능 메모리 소자를 사용한 모듈이다. 램버스는 캐시 메모리가 불필요한 인터페이스 기술을 통하여 메모리가 고속의 프로세서나 컨트롤러의 속도에 부합될 수 있도록 하는 기술이 적용된 것으로, DRAM기술에 그것을 조절하는 로직 디바이스를 결합한 것이다. 이러한 기술을 통하여 램버스사는 이 기술이 기존의 DRAM보다는 10배, 그리고 최근의 PC100 SDRAM DIMM 모듈보다는 약 3배나 빠른 성능을 지녔다고 한다. 하나의 램버스 DRAM(RDRAM)은 2바이트 채널에서 최고 800MHz의 속도로 자료를 전송한다. 이러한 램버스 기술은 현재까지 3세대로 되어있다. 이 중 3세대 제품을 ‘다이렉트 램버스’라고 하는데, 이 다이렉트 램버스를 사용한 메모리 모듈을 RIMM이라고 한다. 램버스는 전 세계를 대상으로 하여 RIMM이라는 상표를 등록하였다. 이러한 SIMM, DIMM, RIMM 등의 메모리 모듈을 제조한 후 최종적으로 tester를 이용하여 테스트할 때, 이들 모듈들을 핸들링해주는 장치이다. Tester에 따라서 1 ~ 16 parallel로 테스트가 가능하도록 구성된다. 장비의 구성은 외부로부터 테스트하고자 하는 모듈들을 공급하는 loader, 모듈을 담은 tray로부터 모듈을 테스트하기 위한 장소로 운반하기 위하여 동시에 여러 개의 모듈을 집어서 이송시키는 gripper, tester와 전기적으로 연결되어 있는 소켓에 모듈들을 꽂아서 테스트를 수행하는 test site, 테스트 결과에 따라 출하용 tray 혹은 불량품 tray로 분류하고 출하하는 unloader 등으로 나누어진다. 보통 ripper는 4, 8, 16개의 모듈을 동시에 집어서 이송시킨다. 핵심 기술로는 여러 개의 모듈을 동시에 집어서 정확하게 contact하는 기술, 고온과 저온 챔버 제작기술 및 온도제어 기술 등이 있다. 

(다) PC level 실장 테스트 핸들러 
실장 테스트는 크게 모듈 실장 테스트와 component 실장 테스트가 있다. 여기서는 주로 모듈 실장 테스트 시스템에 대하여 언급하겠다. 현재 대만이나 중국에서 메모리 모듈을 제조하는 영세 업체들은 고가의 메모리 테스터를 구입하기가 어려워 최종 테스트 방법으로 PC에 실제로 메모리 모듈을 장착하여 몇 가지의 간이 테스트를 수행하여 양/불량을 판정한다. 이러한 방식을 PC level 실장 테스트라고 할 수 있는데, 대형 메모리 모듈 제조사들도 고가의 테스터를 이용하여 테스트가 끝난 제품도 이러한 PC level 실장 테스트를 수행하기도 하였다. 그 이유는 테스터를 이용하여 양품으로 판정되어 출하된 메모리 모듈이나 메모리 디바이스가 실제로 PC에 탑재되거나 다른 장치에 장착된 후 제대로 동작을 하지 않는 경우가 발생하여 모듈 제조사에 하자 청구가 되는 일이 종종 있어왔기 때문이다. 이에 최근에 와서는 메모리 제조사들은 모든 테스트가 끝난 메모리 모듈을 다시 실제 PC 상황에서의 동작여부를 검사하는 테스트 공정을 적용하기도 한다. 이러한 PC level 실장 테스트는 아직 테스터의 개발이 완전하지 않는 초고속 메모리 소자의 경우에도 테스터의 대체 수단으로 사용될 수 있다. 2000년 이전에는 PC level 실장 테스트를 위하여 일일이 사람이 손으로 메모리 모듈을 기판의 소켓에 꽂아서 검사를 하였다. 최근 반도체 경기의 불황과 메모리 가격의 하락으로 메모리 모듈 제조사들은 고가의 테스터를 대체하는 방법의 일환으로 PC level 실장 테스트 개념을 최종 테스트에 도입하기에 이르렀다. 이를 위하여 자동화된 PC level 실장 테스트 핸들러가 개발되어 생산현장에 적용되고 있다. 이러한 PC level 실장 테스트의 발전은 테스트 보드의 개발과 밀접한 관계가 있다. 초창기에는 일반 PC 보드를 그대로 사용하였으나 여러 가지로 불편할 뿐만 아니라 공간을 절약하기 위하여 최근에 Parallel Testing Board(PTB)가 개발되었다. PTB 테스트 보드는 통상 3개의 소켓이 있어서 3개의 메모리 모듈을 동시에 테스트할 수 있도록 만든 것이다. 물론 이것 역시 완벽한 PC 실장 상태라고는 할 수 없어도 PC와 거의 같은 환경이라고 할 수 있다. 그러나 아직 램버스를 위시한 초고속 메모리 모듈에 관해서는 여전히 PTB가 개발 중에 있다. PC level 테스터 핸들러는 기존의 핸들러들이 가지고 있는 이송, 분류, 수납하는 기능을 그대로 수행하나, PTB가 테스터의 역할을 하게 된다. 이 PTB는 PC box 형태로 테스트 핸들러에 장착되는데, PC box가 고정되어 있는 고정식과 PC box가 순환하는 순환식이 있다. 두 종류는 각각의 장단점이 있으며, 현재 개량형이 개발 중에 있다. 현재 적용되고 있는 양산용 테스트 핸들러에는 30대의 PC box가 장착되는데, 장착할 수 있는 PC box 수는 가변적이다. 당분간 메모리 모듈의 최종검사에서 PC level 실장 테스트 핸들러는 큰 역할을 할 것으로 여겨진다. 

(라) 웨이퍼 레벨 테스트 핸들러
Wafer level 테스트는 아직 많은 투자와 시행 착오가 요구되는 신개념의 테스트 방법으로 wafer 상에서 burn-in과 test를 모두 수행하는 방법이다. 즉, ‘Wafer Level Test + Wafer Level Burn-In’형식이다. 2005년 이후에 본격적으로 사용될 전망이다.