HTOL·THB·HAST·온도 사이클 시험·고온 보존 시험의 차이: 조건·목적·고장 모드 비교

반도체의 신뢰성 시험은 대부분 가속 시험입니다. 온도, 전압, 습도, 온도 변화 같은 스트레스를 실제 사용보다 강하게 가해 고장을 앞당기고, 짧은 시간에 수명과 고장률을 확인합니다. HTOL은 고온에서 전압을 걸어 소자를 동작시키며 TDDB나 일렉트로마이그레이션 같은 칩 자체의 열화를 평가합니다. 고온 고습 바이어스 시험(THB)과 HAST는 습도와 전압으로 부식처럼 수분이 일으키는 고장을 가속하는 내습성 시험이며, HAST는 가압 수증기를 써서 비슷한 평가를 더 짧은 시간에 끝냅니다. 온도 사이클 시험은 고온과 저온을 반복해 재료 간 열팽창 차이로 생기는 피로를 평가하고, 고온 보존 시험은 전압 없이 온도만으로 진행되는 열화를 평가합니다. 각 시험이 노리는 고장이 다르므로 제품 인증에서는 이들을 조합합니다.

비교 항목HTOL고온 고습 바이어스 시험(THB)HAST온도 사이클 시험고온 보존 시험(HTS)
목적칩의 수명과 고장률 확인패키지의 내습성 확인내습성을 짧은 시간에 확인접합부와 패키지의 열피로 내성 확인온도만으로 진행되는 열화에 대한 내성 확인
가하는 스트레스고온과 전압온도, 습도, 전압100 °C를 넘는 온도, 습도, 압력, 전압온도 변화(고온과 저온의 반복)고온만
바이어스 인가있음. 최대 동작 전압 또는 그보다 약간 높은 전압에서 신호를 넣어 동작시킵니다있음. 자기 발열을 억제하도록 소비 전력이 작아지게 인가합니다보통 있음. 바이어스를 걸지 않는 무바이어스 HAST도 있습니다일반적으로 없음없음
대표 조건125 °C 전후. 온도 등급에 따라 더 높게 합니다대기압에서 85 °C/85% RH(85/85 시험)약 110~130 °C, 85% RH의 가압 수증기. 예: 130 °C/85% RH예: −55~125 °C 또는 −65~150 °C. 양 끝 온도에서 일정 시간 유지합니다예: 150 °C. 제품에 따라 더 높게 합니다
대표 시험 시간약 1,000시간. 도중에 예를 들어 168시간과 500시간에 중간 측정을 합니다약 1,000시간130 °C/85% RH에서 약 96시간수백~수천 사이클약 1,000시간. 온도를 높여 단축하기도 합니다
주로 가속하는 메커니즘TDDB, BTI, 일렉트로마이그레이션 같은 칩 자체의 열화와 잠재 결함수분 침입으로 일어나는 전기화학 반응(부식, 이온 마이그레이션)THB와 같으며, 수분 침입이 빨라 더 강하게 가속됩니다열팽창 계수 차이로 반복되는 변형에 의한 피로온도만으로 진행되는 열화(금속간 화합물 성장, 재료의 열화, 저장된 전하의 손실)
찾아내는 대표 불량전기적 특성의 규격 이탈(문턱 전압 변동 등), 기능 불량알루미늄 패드와 배선의 부식, 누설 전류 증가, 도체 간 단락THB와 같음: 부식, 누설 전류 증가, 단락솔더 접합부와 와이어 본딩의 크랙, 몰드 수지 박리, 다이와 패시베이션의 크랙와이어 본딩 접합부의 저항 증가나 들뜸(커켄달 보이드), 비휘발성 메모리의 데이터 유지 불량
가속 모델아레니우스 모델(온도)과 전압 가속 모델펙(Peck) 모델(상대 습도의 거듭제곱 × 아레니우스형 온도항)펙 모델(THB와 같음)코핀-맨슨 법칙(온도 변화 폭의 거듭제곱)아레니우스 모델
시료 상태패키지 부품을 보드에 실장하고 전압을 걸어 동작시킵니다패키지 부품. 인증 시험에서는 흡습과 리플로 열을 가하는 프리컨디셔닝 뒤에 하는 경우가 많습니다패키지 부품. THB와 마찬가지로 프리컨디셔닝 뒤에 하는 경우가 많습니다부품 단품(프리컨디셔닝 뒤가 많음). 보드에 실장한 상태로 하는 보드 레벨 시험도 있습니다패키지 부품을 고온 챔버에 넣습니다. 전기적 접속은 필요 없습니다
역할(규격 예)수명과 고장률의 인증 시험. JEDEC(JESD22 시리즈), AEC-Q100 등내습성의 인증 시험. JEDEC(JESD22 시리즈), AEC-Q100 등THB 대신 쓰기도 합니다. JEDEC(JESD22 시리즈), AEC-Q100 등패키지와 접합부의 인증 시험. JEDEC(JESD22 시리즈), AEC-Q100 등온도만으로 진행되는 열화의 인증 시험. JEDEC(JESD22 시리즈), AEC-Q100 등
주의점자기 발열로 접합 온도가 너무 올라가지 않도록 온도를 관리합니다칩이 발열하면 표면의 상대 습도가 내려가 습도에 의한 고장이 일어나기 어려워집니다고온 때문에 몰드 수지의 물성 변화처럼 실제 사용에서는 일어나지 않는 고장이 생길 수 있습니다열충격 시험(더 빠른 온도 변화)이나 파워 사이클 시험(자기 발열)과는 다른 시험입니다전압을 걸지 않으므로 TDDB나 일렉트로마이그레이션처럼 전계나 전류로 진행되는 열화는 평가할 수 없습니다

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

HTOL
신제품이나 공정 변경에서 칩의 설계와 공정이 목표 수명과 고장률을 만족하는지 확인하고 싶을 때. 결과는 아레니우스 모델 등으로 사용 조건에 환산하지만, 가정한 활성화 에너지에 따라 크게 달라지므로 추정값으로 다룹니다.
고온 고습 바이어스 시험(THB)
플라스틱 봉지 패키지의 내습성을 실제 환경에 더 가까운 온도에서 확인하고 싶을 때. 약 1,000시간이 걸리지만 HAST에서 볼 수 있는 고온 특유의 고장은 피할 수 있습니다.
HAST
내습성 평가를 짧은 기간에 끝내고 싶을 때. 예를 들어 85 °C/85% RH에서 1,000시간의 THB 대신 130 °C/85% RH에서 약 96시간의 시험을 사용합니다. 어느 쪽을 쓸지는 적용 규격이나 고객과의 합의로 정합니다.
온도 사이클 시험
솔더 접합부, 와이어 본딩, 몰드 수지와 다이의 계면 등에서 열팽창 차이에 의한 변형이 우려될 때. 차량용처럼 온도 변화가 큰 용도나, 다이나 패키지가 커서 변형이 큰 제품에서 중요합니다.
고온 보존 시험(HTS)
와이어 본딩 접합부의 금속간 화합물 성장이나 비휘발성 메모리의 데이터 유지처럼 온도만으로 진행되는 열화를 전압의 영향과 분리해 확인하고 싶을 때.
인증에서의 조합
스트레스마다 작용하는 고장의 종류가 다르므로 제품 인증에서는 이 시험들을 조합하며, 일반적으로 시험마다 별도의 시료로 병행해 진행합니다. 습도 시험(THB, HAST)과 온도 사이클 시험 전에는 부품에 수분을 흡수시킨 뒤 리플로와 같은 열을 가하는 프리컨디셔닝을 하는 경우가 많아, 실장 후의 상태로 평가합니다. 어느 시험이든 시험 중과 시험 후에 전기적 특성을 측정해 합격 여부를 판정합니다.

자주 묻는 질문

THB와 HAST는 무엇이 다른가요?

둘 다 상대 습도 약 85%에서 전압을 걸어 수분에 의한 부식과 누설 전류 증가를 평가합니다. THB는 85 °C, 대기압에서 약 1,000시간이 걸리는 반면, HAST는 약 110~130 °C의 가압 수증기로 수분 침입을 빠르게 해서 예를 들어 130 °C/85% RH에서 약 96시간 만에 동등한 평가를 합니다. HAST가 더 빠르지만, 고온 때문에 실제 사용에서는 일어나지 않는 고장이 생길 수 있습니다.

HTOL과 번인은 무엇이 다른가요?

번인은 출하할 제품 전체 또는 대부분에 짧은 시간 고온·고전압 스트레스를 가해 초기 고장을 일으키기 쉬운 개체를 제거하는 스크리닝입니다. HTOL은 샘플링한 개체를 약 1,000시간 동작시켜 제품의 설계와 제조 공정이 목표 수명과 고장률을 만족하는지 확인하는 인증 시험이며, 시험한 개체는 출하하지 않습니다.

고온 보존 시험과 HTOL은 무엇이 다른가요?

고온 보존 시험은 전압을 걸지 않고 제품을 예를 들어 150 °C의 고온에 두기만 하며, 와이어 본딩 접합부의 열화나 비휘발성 메모리의 데이터 유지처럼 온도만으로 진행되는 열화를 평가합니다. HTOL은 125 °C 전후에서 전압을 걸어 소자를 동작시키므로, TDDB나 일렉트로마이그레이션처럼 전계나 전류로 진행되는 열화도 가속합니다.

이해도 확인

HTOL에서는 가하지만 고온 보존 시험에서는 가하지 않는 스트레스는?

  1. A높은 온도
  2. B높은 습도
  3. C전원 전압 등의 전기적 바이어스
정답과 해설 보기

정답: C. 전원 전압 등의 전기적 바이어스

고온 보존 시험(HTS)은 전압을 가하지 않고 제품을 예를 들어 150 ℃ 정도의 고온에 장시간 두고, 전후의 전기적 특성을 비교하는 시험입니다. HTOL은 고온에서 전원 전압을 가해 동작시키므로 TDDB나 일렉트로마이그레이션 등 전계나 전류로 진행하는 열화도 가속하지만, 고온 보존 시험에서는 온도만으로 진행하는 열화를 따로 떼어 평가할 수 있습니다. 대표적인 대상은 와이어 본딩 접합부에서의 금속간 화합물 성장과 보이드로 인한 저항 증가나 박리, 비휘발성 메모리의 데이터 유지, 봉지 수지 등 재료의 열화입니다. 습도와 전압을 동시에 가하는 것은 고온 고습 바이어스 시험(THB)입니다.

제품을 고온에서 장시간 동작시켜 수명이나 고장률을 평가하는 대표적인 신뢰성 시험은?

  1. A온도 사이클 시험
  2. B고온 동작 수명 시험(HTOL)
  3. C낙하 시험
정답과 해설 보기

정답: B. 고온 동작 수명 시험(HTOL)

HTOL(High Temperature Operating Life) 시험은 제품을 125 ℃ 안팎의 고온에서 최대 동작 전압 또는 그보다 약간 높은 전압을 가해 장시간 동작시키며 고장 발생을 조사하는 시험입니다. 차량용 AEC-Q100에서는 3개 로트에서 77개씩을 1000시간 시험하여 고장 0을 요구합니다. 온도와 전압에 의한 가속을 이용하여 짧은 시험 시간으로 실사용에서의 수명이나 고장률을 추정합니다. 온도 사이클 시험은 접합의 피로, 낙하 시험은 충격에 대한 내성을 평가합니다.

고온 고습 바이어스 시험(THB나 HAST)으로 주로 평가하는 고장은?

  1. A우주선에 의한 소프트 에러
  2. B클럭 지연
  3. C수분 침입으로 인한 전극 부식이나 누설 전류 증가
정답과 해설 보기

정답: C. 수분 침입으로 인한 전극 부식이나 누설 전류 증가

고온 고습 환경에서 전압을 가하면 패키지 안에 침입한 수분과 불순물 이온에 의해 알루미늄 패드의 부식이나 이온의 이동이 일어나, 누설 전류 증가나 단선을 초래합니다. THB는 85 ℃/85%RH에서 1000시간 정도, HAST는 130 ℃ 안팎의 가압 수증기로 수분 침입을 가속하여 약 100시간 정도의 짧은 시간에 내습성을 평가합니다. 소프트 에러나 클럭 지연은 다른 시험의 대상입니다.

  1. 차량용 IC의 인증 시험에서 85 ℃·85%RH로 1000시간 수행하는 고온 고습 바이어스 시험(THB) 대신, HAST(130 ℃·85%RH 정도의 가압된 수증기 속에서 바이어스를 거는 시험)가 사용되기도 하는 주된 이유는?
  2. 온도 사이클 시험으로 주로 평가하는 고장은?
  3. 고온 고습 시험 결과로부터 실사용 수명을 추정할 때, 습도의 영향을 상대 습도의 거듭제곱으로 나타내는 모델로 자주 사용되는 것은?
  4. 온도 사이클에 의한 솔더 접합의 피로 수명을, 온도 변화 폭(스트레인의 크기)과 반복 횟수의 관계로 나타내는 모델은?
  5. 차량용 집적 회로의 신뢰성 시험 기준으로 널리 사용되는 규격은?

신뢰성 문제 풀기

주요 용어 설명

HTOL(고온 동작 수명 시험)
고온에서 전압을 가한 채 제품을 장시간 동작시켜, 칩의 수명과 고장률을 가속하여 평가하는 신뢰성 시험. 125 °C 정도에서 1000시간이 대표적인 조건이다.
고온 고습 바이어스 시험(THB)
85 °C·85% RH 같은 고온 고습 환경에서 전압을 가하여, 패키지에 침입한 수분에 의한 부식이나 누설 증가를 평가하는 신뢰성 시험. 85/85 시험이라고도 한다.
HAST(고가속 스트레스 시험)
100 ℃를 넘는 온도와 높은 습도의 가압 수증기 속에서 바이어스를 걸어 내습성을 단시간에 평가하는 시험. 예를 들어 130 ℃·85%RH에서 96시간이면, 85 ℃·85%RH에서 1000시간의 고온 고습 바이어스 시험(THB)에 상당하는 평가로 간주된다.
온도 사이클 시험(Temperature Cycling)
고온과 저온을 반복해서 가하여, 재료 간 열팽창 차이로 생기는 솔더 접합부의 피로나 패키지의 크랙·박리를 평가하는 신뢰성 시험.
고온 보존 시험(HTS)
전압을 가하지 않고 제품을 고온에 두어, 와이어 본드 접합부의 열화나 비휘발성 메모리의 데이터 유지 등을 평가하는 신뢰성 시험. HTS, HTSL이라고도 한다.
번인(Burn-in)
고온·고전압 등의 스트레스를 가하며 동작시켜, 초기 불량이 생기기 쉬운 제품을 출하 전에 제거하는 시험.
아레니우스 모델(Arrhenius model)
반응이나 열화의 속도가 온도에 대해 exp(−Ea/kT)로 변한다고 보는 모델. 온도를 높인 가속 시험 결과로부터 실제 사용 온도에서의 수명을 추정하는 데 쓴다.
욕조 곡선(Bathtub Curve)
고장률의 시간 변화를 나타내는 곡선. 초기 고장기·우발 고장기·마모 고장기로 이루어지며 욕조와 같은 형태가 된다.
AEC-Q100
자동차 전자 부품 협의회(AEC)가 정한 차량용 집적 회로의 신뢰성 인증 시험 기준. 동작 온도 등급이 있으며, 그레이드 1은 −40~125 ℃, 그레이드 0은 −40~150 ℃이다. 디스크리트 반도체는 AEC-Q101, 수동 부품은 AEC-Q200이 대상이다.
MSL(흡습 민감도 레벨)
표면 실장 부품의 흡습 용이성 등급으로, JEDEC 규격(J-STD-020)으로 정해진다. 방습 백 개봉부터 리플로까지 허용되는 시간(플로어 라이프)을 나타내며, MSL 3에서는 30 ℃·60%RH 이하에서 168시간이다. 기한이 지난 부품은 베이킹으로 건조한 후 실장한다.

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