반도체 신뢰성 평가 총정리 | THB·HAST·PCT·TC·HTOL 시험 차이와 가속계수

한 줄 요약

반도체 신뢰성 평가는 제품이 실제 사용 환경에서 정해진 기간 동안 정해진 기능을 유지하는지를, 온도·습도·전압 같은 스트레스를 높여(가속) 짧은 시간에 확인하는 시험입니다. 아래 본문에서 개념과 대표 시험을 다루고, 맨 아래에서 시험 항목 비교와 가속 모델을 정리합니다.

- 신뢰성 평가 정의

가속 환경과의 stress 조건 비를 시간으로 환산한 가속계수를 이용하여 높은 신뢰성의 경쟁력 있는 제품을 확보하는 것

 

- 신뢰성의 정의

정해진 사용 환경과 조건에서 의도하는 기간 정해진 기능을 발휘하는 확률

 

- 환경 가속 시험 목적

신뢰성 시험은 제품이 사용 중에 노출될 수 있는 환경에 대하여 충분한 내성을 가지고 있는지 평가하기 위하여 실시하는 시험

Fab이나 조립 공정 과정에서 발생될 수 있는 다양한 형태의 오염이나 부식 등 후천적인 문제에 의해 사용 환경에서 문제를 일으킬 수 있는 부분을 사용 환경에 부합하는  (온도나 전압)를 인가하여 조기에 평가하고 적절한 대책을 수립하기 위함

 

-  고온 고습 전압 시험 (THB)

metalization에서 발생하는 부식을 가속하기 위한 시험으로 온도 85도 상대습도 85% 조건에서 Bias를 Vdd 최대값으로 인가한다.

-  고온 고압 고습 시험 (PCT)

-  온도 싸이클 시험 (TC)

 

- 불량 유형 분석 목적

신뢰성 향상시키기 위해 요구되는 것은 신뢰성 고장 유형을 이해하는 것

가속 계수를 산출함으로써 신뢰성을 예측할 수 있고 개선 대책을 수립할 수 있다.

 

- 불량 유형 분석 중 불량 유형 중 픽스의 법칙

 

농도 변화에 관한 법칙

 

제1 법칙은 정상 상태 조건 하에서 단위 면적당 확산되는 물질의 유속은 농도 기울기에 비례(방향은 고농도에서 저농도 쪽, J = −D·∂C/∂x)

제2 법칙은 비정상 상태 조건에서, 어떤 위치에서 시간에 따른 농도의 변화는 농도를 위치에 대해 두 번 미분한 값과 비례

 

- 불량 분석하기

1.     전기적 분석 (DC Parameter Test)을 실시한다.

2.     X-ray 촬영을 실시한다.

3.     Package Decapsulation 과 Layer Etching을 실시한다.

( 디캡 – Emission 분석해서 EM 지점을 찾으려고 )

4.     육안 검사를 실시한다.

5.     HEA (Hot Electron Analysis) 분석을 선택적으로 실시한다.

소자에 전기적인 신호를 인가한 후 불량 위치에서 방출되는 Photo Emission을 검출하는 분석방법 (소자의 leakage current 및 short fail 발생 위치를 특정하기 위해 사용)

6.     E-Beam Probing을 선택적으로 실시한다.

7.     배선 분석 및 회로 추출을 실시한다.

8.     단면 분석을 실시한다.

대표 신뢰성 시험 한눈에 보기

시험	확인하려는 것	대표 조건(예시)	참고 표준
HTOL (High Temperature Operating Life)	고온에서 동작하며 생기는 수명 열화	약 125℃, 전압 인가, 동작 상태	JESD22-A108
THB (Temperature Humidity Bias)	고온·고습에서 바이어스 인가 시 금속 부식	85℃ / 상대습도 85%, 바이어스 인가	JESD22-A101
HAST (Highly Accelerated Stress Test)	THB를 더 높은 온도·압력으로 가속해 시간 단축	약 130℃ / 85%RH, 가압, 바이어스 인가	JESD22-A110
PCT (Pressure Cooker, Autoclave)	습기 침투에 대한 내성 (바이어스 없음)	약 121℃ / 100%RH, 가압	JESD22-A102
TC (Temperature Cycling)	열팽창 차이로 인한 기계적 피로, 본딩·솔더 불량	예: −65℃ ↔ 150℃ 반복	JESD22-A104

위 조건은 이해를 돕기 위한 대표 예시이며, 실제 시험 조건과 시간은 제품 등급, 고객 요구, 최신 표준 개정에 따라 달라집니다. 적용 전에는 JEDEC 표준 원문을 확인하세요.

가속 시험은 어떻게 시간을 줄이나: 가속 모델

1. 온도 가속: Arrhenius 모델

AF = exp[ (Ea / k) × (1/T_use − 1/T_stress) ]

Ea는 활성화 에너지, k는 볼츠만 상수(8.617×10⁻⁵ eV/K), 온도는 켈빈(K)입니다. 온도를 높일수록 고장 메커니즘이 지수적으로 빨라진다는 모델로, HTOL 같은 시험의 가속계수 계산에 쓰입니다.

2. 온도 + 습도 가속: Peck 모델

AF = (RH_stress / RH_use)^n × exp[ (Ea / k) × (1/T_use − 1/T_stress) ]

THB, HAST처럼 습도가 함께 가해지는 시험에서 사용합니다. 습도 지수 n과 Ea는 고장 메커니즘에 따라 달라집니다.

3. 열 사이클 피로: Coffin–Manson 모델

온도 변화 폭(ΔT)이 클수록 피로 파손까지의 사이클 수가 줄어드는 관계를 나타내며, TC 시험의 가속에 쓰입니다.

고장률과 욕조 곡선(Bathtub curve)

• 초기 불량 구간: 제조 결함으로 고장률이 높다가 줄어드는 구간. burn-in으로 걸러내기도 합니다.
• 우발 불량 구간: 고장률이 낮고 거의 일정한 구간
• 마모 불량 구간: 수명 말기에 열화가 누적되어 고장률이 다시 올라가는 구간

자주 묻는 질문

Q. THB와 HAST는 뭐가 다른가요?

둘 다 고온·고습·바이어스 시험인데, THB는 85℃/85%RH의 상압 조건이라 오래 걸리고, HAST는 더 높은 온도와 압력으로 같은 메커니즘을 훨씬 빨리 가속합니다.

Q. PCT와 HAST의 차이는요?

PCT는 바이어스를 걸지 않고 습기 침투에 대한 내성을 보는 시험이고, HAST는 바이어스를 인가해 부식과 전기적 열화를 함께 봅니다.

Q. 가속계수가 크면 시험 시간이 짧아지나요?

네, 시험 시간은 (사용 환경에서 보증하려는 시간) ÷ 가속계수로 계산할 수 있습니다. 다만 가속 스트레스가 실제와 다른 고장 메커니즘을 만들지 않는지 검증해야 합니다.

Q. 신뢰성 시험에서 불량이 나오면 어떻게 하나요?

본문에 정리된 순서대로 전기적 분석, X-ray, decap 등을 거쳐 원인을 찾고, 고장 모드와 가속계수를 바탕으로 개선 대책을 세웁니다.