홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2016-03-01 (화) 5:08:12
늘어난 ESD sensitivity와 대응 노력들
2016-03  자료출처 : Intel Corporation
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실시간 ESD 이벤트 검출의 이행이 접목되어야 
여러 설비업체들과 협업 필요 

지속적으로 고객들에게 뛰어난 성능과 가치를 제공하기 위해 반도체 부품들은 밀봉되는 구조로 제작되고 있다. 특정 부문은 트랜지스터 구조, 혁신적인 회로도와 패키지 디자인 감소를 통해서 달성된다. 이들 3가지 측면들이 ‘ESD survivability’과 관계가 있는 부품의 성능에 직접적으로 영향을 끼칠 수 있다는 것에 초점을 맞췄다. 프로세스 테크놀로지 진보에 따라, 트랜지스터 사이즈는 줄어들고 있다. 트랜지스터의 사이즈 감소는 ESD 이벤트의 파장을 견디도록 제작된 트랜지스터의 성능에 직접적으로 영향을 끼친다.


요약

반도체 부품의 I/O 인터페이스 성능이 꾸준하게 향상됨에 따라, 3~5년 주기로 sensitivity가 50% 정도 늘어날 가능성으로 인해 반도체 부품들은 정전기 방전에 더욱 민감하게 만드는 왕국으로 이동시키고 있다. 요즘 주요 반도체 부품들은 정전모형(CDM, charge device model) sensitivity의 250V를 충족하도록 디자인되기 시작했다. 그리고 3~5년 후에는 125V로 줄어들 것이고, 그 다음 3~5년 후에는 50~70V로 또 다시 감소될 것으로 예상되고 있다. 전체 전자산업계는 이러한 움직임에 미리 준비해야만 한다.
다가올 도전과제를 위한 예방법으로, 우리는 일부 다른 반도체 업체들과 공동으로 ODM/OEM 업체들을 대상으로 최초로 교육적인 차원에서 인식 및 대비 작업을 착수했다. 산업계 테크놀로지 로드맵을 인지시키고, 그에 따라 발생하는 도전과제를 대비해 꼭 해야만 할 필요가 있는 부문에 초점을 둔 교육을 포함시켰다. 최초 대비 사항으로써, 우리는 자동표면실장 설비와 같은 ‘고위험군’ 내에 실시간 ESD 탐지를 고려하는 것을 요구하였다.
직접적인 측정은 반도체 부품들이 ESD 이벤트에 직접적으로 노출되어 있음을 검증했던 장소에서 실시했다.
자동화 표면실장 설비업체들의 행동을 이끌어 내는 것은 평가에서부터 시작해야만 한다. 부품과 직접적으로 접촉(예, 픽앤플레이스)하는 영역 내에서 실시간 ESD 감지 테크놀로지를 장착하는데, 기존 설비 설정을 위한 레트로피트 킷(retrofit kits)을 준비하는 것과 더불어 신규 설비 디자인에서부터 이 실시간 감지를 결합하는 작업이 필요하다. 이는 평범한 작업이 아니기 때문에 개발 및 실현을 위해서는 일정한 시간이 필요하다. 그래서 우리는 높아지는 디바이스 sensitivity에 대비하여 현재의 프로세스에서부터 시작하도록 설비 제조업체들을 설득하고 있다. 이를 위해 실시간 ESD 이벤트 감지와 관련한 연구자료를 공유하고 있으며, 설비 제조업체들의 의식 전환에 도움이 되길 바란다.


서문

지속적으로 고객들에게 뛰어난 성능과 가치를 제공하기 위해 반도체 부품들은 밀봉되는 구조로 제작되고 있다. 특정 부문은 트랜지스터 구조, 혁신적인 회로도와 패키지 디자인 감소를 통해서 달성된다. 이들 3가지 측면들이 ‘ESD survivability’과 관계가 있는 부품의 성능에 직접적으로 영향을 끼칠 수 있다는 것에 초점을 맞출 것이다.
프로세스 테크놀로지 진보에 따라, 트랜지스터 사이즈는 그림 1에서 보는 바와 같이 줄어들고 있다. 트랜지스터의 사이즈 감소는 ESD 이벤트의 파장을 견디도록 제작된 트랜지스터의 성능에 직접적으로 영향을 끼친다.



트랜지스터 레벨 ESD sensitivity 내에서 이 같은 증가에 기여하는 요인은 게이트 옥사이드(gate oxide) 두께이다. 게이트 옥사이드가 얇아지기 시작함에 따라(그림 2 참조), ESD 이벤트의 스트레스에 노출될 때 ‘절연 파괴(breakdown)’가 쉬워지기 시작했다. 이는 트랜지스터의 즉각적인 파멸 혹은 트랜지스터의 ‘약화’를 유발할 수 있다. 후자는 트랜지스터 성능 저하를 유발할 수도 있는 트랜지스터 전류 누설 결과를 초래할 수도 있기 때문에 주요 관심사이다. 혹은 설상가상으로, 트랜지스터의 마지막 수명까지 확실하게 자신을 내보이지 않는 ‘잠복해 있는’ 트랜지스터 불량을 이끌 수 있다.



반도체 부품 성능은 데이터 전송 속도 성능 항목으로 자주 평가된다. ‘데이터가 빠를수록 신뢰할 수 있는 전송이 이뤄질 수 있으며, 더욱 우수하다’와 같이 정의된다. 높은 데이터 전송 속도 성능 추세는 우리의 미래를 보면 더욱 커질 것으로 예상된다(그림 3 참조). 최종적으로, 반도체 부품 디자이너들은 부품 레벨에서 이러한 증가를 이룰 수 있도록 작업을 진행하고 있다. 트랜지스터 레벨에서 보면, 자주 혁신적인 디자인과 레이아웃을 통해 주로 완성된다.
물리적인 법칙이 디자이너에게 두꺼운 장벽일 때 당연히 시간이 필요하다. 물리적인 장벽 중 하나는 부품 I/O capacitance(정전 용량)이다.

I/O 커패시턴스가 높아질수록, 데이터 전송 속도 성능은 낮아진다. 역으로 I/O 커패시턴스가 낮을수록 데이터 전송 속도 성능은 빨라진다. 고객들이 높은 데이터 전송 속도의 성능을 요구한다면, 설계자들은 시그널 경로 내의 커패시턴스 성능 감소를 선택할 수밖에 없다. 전통적인 반도체 회로의 I/O 설계 측면에서 볼 때, 설계자들은 ESD protection 다이오드가 부품 회로 I/O 시그널 경로의 끝단(아웃풋)이 적합하다는 것을 발견할 것이다. 그 좋은 예를 그림 4에서 보여주고 있다. I/O들이 부품에 리드되어서 ESD와 같은 외부 고속 전기적인 스트레스들로부터 보호되어야만 한다. Protection 다이오드들은 상대적으로 높은 커패시턴스를 가지고 있지만, 그 커패시턴스는 한정된 데이터 전송 속도를 가지고 있다. 높은 데이터 전송 속도로 성능을 끌어올리는 물리적인 단 하나의 방법은 ESD protection 다이오드들의 사이즈를 줄이는 것이다. 이는 ESD 영향에 덜 민감한 노출된 I/O로 바뀌고 있다. 부품이 패키지화되고, ‘외부 환경’과 바로 직면한 I/O들이 나오면서 중대한 관심사가 되었고, I/O에 전기 방전 가능성을 가진 설비 및 작업자에 의해 핸들링되고 있다.



패키지 사이즈, 좀 더 자세하게는, 패키지 표면 에어리어는 전하 부품으로부터 방전되는 전류의 크기에 직접적으로 관여한다(그림 5 참조). 부품이 클수록(표면 에어리어가 클수록), 전하와 관련된 전류가 커진다. 이를 시각화하는 하나의 방법은 부품을 물통으로 생각하고, 통 내부의 물을 전하로 간주하는 것이다. 통이 클수록 더 많은 물을 담을 수 있다. 부품의 전하 항목에서 이와 동일한 원리를 적용할 수 있다. 즉, 부품 패키지가 클수록(표면 에어리어가 클수록) 더 많은 전하를 담을 수 있다. 이는 큰 전류가 부품에 높은 위험을 야기하는 장소에서 ESD 이벤트 시 방출되는 대량의 전류와 관계가 있는 전하 이동 용량이 커진다.

줄어든 트랜지스터 구조, 늘어난 I/O 데이터 전송 성능 예상 그리고 패키지 표면 에어리어의 전위 증대는 전자산업계에 중대한 의미를 부여하고 있다. 하나는 전자산업계가 미래를 향해 진보해 나감으로써 더 높아진 부품 레벨의 ESD 내성(ESD sensitivities)들을 예상할 수 있다(그림 6 참조). 반도체 제조업체에서부터 전자산업계 어셈블리 업체까지 모두 합세해서 이 도전과제를 대비해야만 한다. 이는 모든 제조현장 및 어셈블리 환경에서 정전기 전하 관리 항목에서 높은 수준의 주의를 요구한다. 증가된 에어리어가 포함되어야 하지만 제한을 두지 않았다:

1. 설비 및 제조현장/어셈블리 환경 내에서 저전하 생성, 정전기 방지 재료들의 선택과 사용. 특히, 직접적으로 접촉할 수 있거나 혹은 ESD 민감 부품의 30㎝ 이내인 항목들이다. 모든 항목들은 직접적으로 접촉하거나 혹은 30㎝ 이내의 모든 아이템들은 정전기 전하 생성에 맞춰 특성화되어야만 한다. 제조현장/어셈블리 및 유지보수 동안 부품에 직접적으로 접촉하기 쉬운 아이템들을 사용하였다.
2. 적당한 작업자 그라운딩, 설비 그라운딩 및 설비 차원의 그라운딩 항목에서 더 높은 수준의 주의를 기울였다. ESD 민감 부품과 직접적으로 접촉하거나 혹은 접촉하기 쉬운 가능한 모든 아이템들은 그라운드로 정전기 분산 경로를 가지게 해야만 한다. 이는 ESD 민감 부품과 접촉하는 포인트에서부터의 경로를 포함하고 있다.



앞서 설명한 분석이 제대로 이뤄진다면 ESD 위험군은 크게 경감될 것이다. 한 가지 문제는 제조현장/어셈블리 프로세스에서 전하 생성 절연물질을 가능한 매번 없앨 수 없고, 부품과 접촉하는 모든 부품으로부터 그라운드로 향하는 정전기 소실 경로를 가능한 매번 제공할 수도 없다는 점이다. 일부에서는 대상물의 표면 상 전하를 중화시키기 위해 에어 이온화가 사용될 수 있다. 그러나 이는 얼마나 신속하게(효과적으로) 전하를 소실할 수 있는지의 측면에서 본다면, 자체적인 한계성을 가지고 있다. 즉, 많은 제조현장 및 어셈블리 작업자들은 전형적인 에어 이온화 솔루션이 내장된 전하를 소실할 수 있는 것보다 더욱 빠른 속도를 소화하고 있다.
재질 특성과 성능은 오랜 시간 동안 바뀔 수 있다. 나중에 ESD 위험에 노출될 수 있는 부분에서 ‘ESD-Safe’ 인증 받은 재료들을 확보하는 것은 어렵지 않다. 이러한 현상을 이해하려는 많은 시도들이 적절하게 진행되어 왔다. 다음은 결과의 일부이다.

1. 일부 재료들은 정전기 방지제 혹은 정전기 소산 레이어로 코팅되었다. 그리고 이들 레이어들은 오랜 기간 동안 덧씌워져 왔다. ESD 민감 부품에 노출되어진 전하 생성 표면을 유발할 수 있기 때문이다.
2. 재료들은 자체 표면이 절연 재질의 필름으로 발전했다. 전형적으로 먼지 혹은 때를 들 수 있다. 이러한 필름/레이어들의 절연화되는 경향은 ESD 민감 부품의 전하 생성을 많이 유발한다.
3. ‘ESD-Safe’ 재료들은 어떤 이유에서든, 일반적인 예방적인 유지보수 활동을 하는 동안 절연 재료들로 잘 모르고 대체되고 있다. 참고로 흡입컵이 있다.
4. 재료 자체의 균질성. 정전기 재료 성능 내의 변화는 해당 표면, 아이템들 사이, 롯트 사이에서 오랜 시간에 걸쳐서 발생한다. 왜 이러한 현상이 발생하는지에 대한 많은 이론들이 존재하고 있다.

확실한 하나는 적정한 위치에 구축된 ESD 제어 프로그램이 활발하게 가동되어야 한다는 것을 의미한다. 하나가 프로세스 혹은 설비의 일부분만으로 적당하다고 말할 수 없고, 매 시간마다 ‘ESD-safe’가 되어야만 한다. 이는 현실 가능성이 낮다. 또 다른 하나는 ESD 성능이 전체에 걸쳐 변화될 것을 예상하고 주의 깊은 관찰이 있어야만 한다.
본고에서는 실시간 ESD 검사가 소개되는 영역을 말할 것이다. 가장 중요한 것은 ESD 이벤트가 ESD 민감 부품에서 발생할 수도 있다는 것이다. 10여년의 시간 동안 사용되어왔던 오실로스코프가 ESD 이벤트에서 나타나는 전자파 방사에 민감한 안테나와 관련해서 ESD가 발생하는지 아는지를 규명하기 위해 사용했다(그림 7 참조).

사용자가 노하우를 통해 오실로스코프를 적절하게 설정했을 때 그리고 그림 8, 그림 10에서 보는 바와 같은 ESD 특징을 이해하고 있을 때 안테나 부착 오실로스코프를 사용하는 방법은 꽤 유용하다. 이 방법은 과거부터 ESD 이슈를 해결하기 위해 대부분 사용되어 왔다. 그리고 ESD 엔지니어의 경험 축적에 있어서 중대한 툴로 여전히 여겨지고 있다. 중요한 점은 제 시간에 ‘스냅-샷’을 제공만 한다는 것이다. 이는 제조현장/어셈블리 프로세스 동안 내내 예상이 가능한 모든 에어리어에 오실로스코프 및 안테나를 설정하고 구입하는 게 현실적이지 않은 이유이다.



이로 인해 그림 9와 같은 실시간 ESD 감지 툴의 요구를 자극하고 있다. 이 툴에서는 정확하게 그리고 반복적으로 ESD 이벤트를 발견할 수 있는 성능이 필요하다. 설비 내부에 설치될 수 있도록 폼 팩터는 소형화되어야 한다. 상대적으로 낮은 비용을 가지고 있어야 한다. 장비와 통합하는 캐파빌리티를 가지고 있어야만 한다. 내부적으로 동력이 공급된다. 그리고 설비 컨트롤러 혹은 외부 컨트롤러에 아웃풋 시그널을 제공한다.

접근방법 

여러 정전기 설비 제조업체들과의 미팅함으로써 프로젝트를 시작했다. 더불어 열망하는 실시간 ESD 이벤트 감지기의 특징들과 결과들을 교대로 전달하였다. 구성 멤버들 간의 강력한 협업이 필요했다. 발견 위상 측면에서 중요한 것은 무엇이 감지되는지를 완벽하게 이해하는 것이다. 협업 팀들은 정전기 이벤트의 방사 신호를 보는 것이 최상의 접근법이 될 수 있다는 점을 동의했다. 이는 방사된 전기 특성의 완전하게 이해하는 게 필요하다. 데이터는 방전원 측정기인 산업계 표준 CDM 테스터를 이용하여 수집되었다. 이 발견 작업의 경우, 수신하는 안테나는 방전원으로부터 고정된 거리를 두고 놓인다. 그리고 대다수의 방전은 전방향성 안테나(omni-directional antenna)와 오실로스코프를 이용하여 생성되고 기록된다. 그림 10에서 그 데이터를 보여주고 있다. 방전 타깃(부품)은 일정한 표면적(커패시턴스)을 차지하게 했으며, 일정한 방전 전류를 흘렸다(이 경우, +250V). 기록되어진 방사된 ESD 이벤트와 관계가 있는 3개의 주요 요소들이 있음을 알 수 있었다. 이들 3가지는 Peak-Peak 전류, 상승 시간 그리고 하락 시간이다. 검출 목적으로 한 이들 방전 실험으로부터 주요 변화는 상승 시간(얼마나 빨리 시그널이 검출기에 나타나는가)이었음을 알 수 있었다. 전형적인 CDM ESD 이벤트의 경우, 상승 시간은 100 피코초보다 낮은 10 나노초로 측정되었다. 약간의 진폭 가변성과 이벤트 사이의 방전 이벤트의 상승 시간이 존재한다는 것을 흥미롭게 관찰했다. 향후 조사에서는 대기 방전 메커니즘 자체로 인한 가변성을 조사할 것이다. 또한 하락 시간이 초기 쓰루풋에서 많은 역할이 없음을 발견하고, ESD 탐지 디자인 범주에서 제거하기로 했다. 왜냐하면 이벤트 진폭은 방전에서 방전까지 다양하다. ‘실제 생활’에서 방전의 서로 다른 진폭이 있을 수 있고, 안테나-타깃 거리는 쉽게 변할 수 있다.

ESD 이벤트 탐지기의 단일 제조업체는 다수의 범주에 기반을 두고 선택되었다. 그리고 프로젝트는 더 앞선 ESD 탐지 콘셉트를 위해 착수하였다. 프로토타입 검출의 초창기 조사가 유망했으나 개선 측면이 규정되었다. 적당한 안테나 디자인이 프로젝트 성공의 핵심이 될 수 있음을 증명하게 되었다. 발생된 문제는 초창기 안테나 민감도가 너무 ‘높았다’는 것이다. 이는 에어리어 외부로부터 신호를 잡아내는 결과를 초래하였고, 잘못된 트리거(false-triggering)를 유발하였다. 요구에 수용할 수 있는 방향성 다이폴 안테나를 다시 제작하였고, 안테나는 규정된 공간에서 사용하기에 충분한 소형으로 다시 디자인되었다. 여러 번의 반복 이후, 안테나는 결국 최소한의 게인(minimal gain), 소형 폼펙터로 디자인되었고, 구입이 충분한 효율적인 비용으로 디자인되었다(그림 11 참조).



더 나은 레졸루션과 안정성을 제공하도록 ESD 이벤트 검출기의 내부 회로도도 개선하였다. 필수적인 적당한 EMC (electromagnetic compatibility) 디자인에 중점을 두는 것을 준수하였고, 미세조정 기능을 선택할 수 있도록 했다. 또한 사용과 작동 인터페이스를 쉽게 디자인하는 노력도 기울였다. 이러한 노력은 사용자 친화적인 디자인을 강화하는 결과를 보였다.
프로젝트의 다음 단계는 ESD 이벤트 검출기가 광범위하게 걸쳐서 이미 준비되어 있음을 보여주기 위한 제조환경/설비 내의 장비로부터 얻은 대량 데이터를 수집하는 것이다. 프로젝트의 이 단계 동안 많은 도전과제가 발생한다.
그림 12에서 보는 바와 같이 설비의 동작을 방해하지 않는 방식으로 타깃 영역에 근접하게 안테나를 설치하고, 경로 확보부터 시작했다.



해당 방전 전류의 분별력 있는 이벤트 성능을 확보하기 위해 ‘조정된’ 검출기가 도전과제로 발견되었다. CDM(charge device model) 테스터를 이용하여 이벤트 탐지기를 조정하는 것은 잘못된 장비 내에서 사용하기 위해 직접적으로 옮길 수 있기를 초기부터 희망했었다. 장비의 각 타입이 고유의 방전 특징을 가지고 있다는 것을 얻었다. 초기에 이는 팀의 기대에 많이 어긋났었다. 결국 장비 자체의 방사 품질 때문에 이를 이해하는 것이다. 에코 챔버로 장비 챔버, 음파로 전자파를 생각할 수 있다.

서로 다른 사이즈와 챔버의 외형을 시각화할 수 있다. 챔버 내부 아이템이 어떻게 소리가 해당 위치에서 들릴 것인가를 달성할 것이다. 익히 알려진 전하의 반복적인/재생 가능한 양을 생성할 수 있는 툴 소개 필요성으로 움직이고 있다. ESD 이벤트가 조정에 사용될 수 있는 곳으로부터 관심 있는 에어리어에 차례로 방전될 수 있다. 이는 핵심 터닝포인트로 입증되었다. 팀은 전하 툴 개발을 착수하였고 수개월 내에 툴은 시험적으로 사용할 수 있을 것이다(그림 13 참조).



‘전하 툴’은 매우 안정적이고, 거대한 파형 모양의 방전이 반복적인 방전임을 입증하였다(그림 14 참조). 해당 패키지의 커패시던스를 무엇인지 아는 것 그리고 관련된 방전 전류를 아는 것은 제조 환경에서 전하 패킷을 되돌게 할 수 있고 그리고 산업계 표준 테스트 방법(CDM 테스터기)로 되돌아가는 중요한 상호관계이다. CDM 테스터기가 기록한 것과 실제 현장에서 분석되었던 것의 상호관계는 중요한 수치이다. 이 수치는 엔드유저 환경 하에서 ‘실제’ 위험도를 측정할 수 있는 성능을 사용자에게 제공한다.


데이터 

ESD 이벤트 검출기가 실행되는 것을 보여주는 제조 환경에서 수집된 데이터가 특성 정보에 고려되고 이 때 분리될 수 없다. 전형적인 이벤트 검출기의 설정을 그림 15에 보여주고 있다. ESD 이벤트 검출기는 해당 레벨 이상의 이벤트를 트리거하고, 목표 레벨보다 낮은 이벤트에서 트리거되지 않도록 조정되었다. 트리거 레벨은 CDM 타입 방전에 대한 디바이스의 sensitivity에 기초하여 결정된다. 자체 피크-투-피크 출력 전압 항목에서 다른 하나와 약간 다르기 때문에, ESD 이벤트 검출기에서 트리거 레벨이 결정에 필요한 만족할만한 방법이 있어야 한다. 

결론  

실시간 ESD 이벤트 검출이 실현 가능하다는 것과 산업계 표준 CDM 테스터로 측정된 부품과 직접적으로 관련될 수 있다는 것을 보여주었다. 설비의 해당 부문에 조정되고 통합하는 엔지니어링 리소스를 확대하려는 자체 이행 노력이 최종 사용자에게 필요하지만, 이러한 노력은 실시간으로 ESD 위험을 결정짓는 설비의 성능이 최종 사용자에게 제공한다. 프로세스 테크놀로지 진보에 따른 부품 레벨 ESD sensitivities 증가, 늘어난 데이터에 대한 고객요구 그리고 큰 패키지 사이즈가 남아 있어서 유용한 이점이다. 그리고 표면 에어리어 내에서 잠재적으로 성장할 수 있다.
설비 개발자/제조업자 그리고 최종 사용자들의 행동을 부르는 것은 향후 설비 디자인에서 실시간 ESD 이벤트 검출의 이행을 조사하는 것부터 시작해야 한다. 그리고 또한 만약 요구가 늘어난다면 이러한 테크놀로지가 기존 설비 증대에서 어떻게 개량될 수 있는지를 고려해야 한다.
 

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