| 차세대 패키징 向 3D X-ray 검사, 고해상도로 미세한 구조를 빠르게 검사하다 |
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| 2025-08 자료제공 : Comet Yxlon Korea |
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차세대 패키징 품질 제고에 이바지
AI 기반 SW 결합으로 초미세 결함 극복 가능
3D X-ray 검사, 특히 AI 기반 소프트웨어와 결합될 때, 반도체 제조 방식을 혁신하고 있다. 초기 설계와 프로토타입 단계부터 대량 생산에 이르기까지, 이 기술은 이전에는 발견하기 어렵거나 불가능했던 결함에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 검사 전략에 3D X-ray를 통합함으로써, 제조업체들은 수율을 향상하고 시장 출시 시간을 단축하며, 제품의 신뢰성을 높일 수 있다. 이 강력한 하드웨어와 소프트웨어의 결합은 오늘날의 도구일 뿐만 아니라, 반도체 생산의 미래를 위한 핵심 동력이다.
반도체 제품이 경박단소화 되는 시장 트렌드와 이러한 제품의 수요 증가에 따라 반도체 패키징 설계도 빠르게 진화하고 있다. 제조업체들은 이제 2.5D 및 3D IC를 생산에 통합하며, 점점 더 작아지는 제한된 공간 내에서 기능을 구현해야 하는 어려운 개발 과제에 직면해 있다. 이러한 변화는 초기 프로토타입 설계의 완성도뿐만 아니라 더 복잡한 구조로 인한 제조 및 재료 비용 증가라는 새로운 도전 과제도 함께 야기하고 있다.
더욱 심화하는 시장 경쟁에서 우위를 확보하려면, 제조업체는 수율을 높이고 시장 진입 시간을 단축하며 신뢰성을 지속적으로 개선하는 종합적 검사 전략을 채택해야 한다. 이러한 검사 전략의 성공에 핵심적인 역할을 하는 것은 설계 및 제조 과정 초기에 결함을 조기에 감지하는 역량이다. 불량을 빠르게 식별하고 해결할수록 생산량을 빠르게 늘릴 수 있으며, 결국 수율 향상과 시장 성공에 더 가까워지게 된다. 이때 3D X-ray 검사가 중요한 역할을 한다.
3D X-Ray 검사, 고객의 요구와 기존 검사 방식의 한계 간극을 좁히다
역사적으로 3D IC 검사는 세 가지 핵심 기술에 의존해 왔다; 광학 검사, 2D X-ray 그리고 포커스 이온 빔 주사 전자 현미경(FIB-SEM). 각각의 기술은 강점과 약점이 있다.
광학 검사는 속도와 반복성이 뛰어나지만, 3D 분석에 필요한 세부 사항을 충분히 보여주지 못한다. FIB-SEM은 뛰어난 해상도를 제공하지만 느리고 파괴적인 과정이 필요하다. 반면, 2D X-ray는 제품의 비파괴 검사가 가능하나 복잡한 3D IC 구조의 검사 요구를 충족하는 해상도를 갖추지 못하는 경우가 있다.
3D X-ray 검사는 이러한 검사 기술이 가지고 있는 약점을 보완하고 고객의 검사 요구를 충족시키는 새로운 검사 솔루션이라고 할 수 있다. 3D X-ray 검사는 FIB-SEM 분석보다 훨씬 빠르며 비파괴 방식이지만 상세하고 통찰력 있는 검사 결과를 제공한다. 특히 최근에 3D X-ray 검사 방식이 더욱 부상하는 이유는 하드웨어 발전뿐만 아니라 이를 지원하는 소프트웨어와 AI 기반의 검사 솔루션의 획기적인 발전에 있다.
3D IC 패키징이 점점 더 복잡하고 까다로워짐에 따라 기존 검사 기술들은 이를 따라잡기 힘들어지고 있다. AI 기반의 3D X-ray 검사는 제품을 보는 방식을 변화시키고 있으며, 높은 해상도를 유지하면서도 속도 저하와 샘플 손상 없이 세밀한 내부 구조를 보여준다. AI는 이 과정을 가속화하여 작은 결함(예: 보이드 또는 헤드인필로우(HIP) 문제)을 매우 정밀하게 감지할 수 있도록 지원한다. 이 시스템은 정교한 알고리즘과 데이터 세분화 기법을 활용하여 복잡한 구조 내부의 미세한 디테일을 드러내며, AI는 이러한 데이터를 빠르게 분석하여 이전보다 훨씬 높은 속도로 인사이트를 제공한다. 이러한 검사 방법의 혁신은 고객의 수율과 품질 증대에 기여한다.
효과적인 검사의 3대 전략; ‘선명도(Clarity)’, ‘효율성(Efficiency)’, ‘통찰력(Insight)
어떤 검사 기술이든 성공하려면 세 가지 핵심 영역에서 뛰어나야 하며, 이는 모두 소프트웨어에 크게 의존한다.
선명도(Clarity)
이는 캡처된 이미지의 품질, 특히 복잡한 구조 내의 작은 디테일을 얼마나 잘 시각화할 수 있는지와 관련이 있다. 3D X-ray의 경우, 고품질 하드웨어와 첨단 재구성 알고리즘이 결합되어 뛰어난 이미지 선명도를 보장하며, 미세한 결함까지도 명확히 보여준다.
효율성(Efficiency)
자동화는 여기서 중요한 역할을 한다. 이미지를 사용 가능한 데이터로 신속하게 수집하고 처리하는 기능은 검사 시간을 크게 줄이고 처리량을 향상할 수 있다. AI는 이 과정을 통해 결함 인식의 상당 부분을 자동화함으로써, 운영자가 수동 검사 대신 중요한 의사결정에 집중할 수 있도록 기여한다.
통찰력(Insight)
눈으로 보이는 것 이상의 진정한 가치는 이미지에서 도출된 데이터에 있다. 첨단 소프트웨어는 이 데이터를 해석하여 실행 가능한 인사이트를 제공하며, 이를 통해 제조업체는 더 현명한 결정을 내릴 수 있다. 예를 들어, 솔더 범프 내부의 보이드나 ‘헤드인필로우(HIP)’ 문제와 같은 결함을 정밀하게 측정하고 분류하여, 해당 결함이 허용 범위 내에 있는지 여부에 대한 명확한 지침을 제공할 수 있다.
그림 1은 Comet Yxlon의 CA20 검사 솔루션으로 촬영된 상용 CPU의 스캔으로, 오늘날 기술로 이미 가능한 것들을 보여준다. 이 스캔은 C4 범프에 관한 상세 정보를 드러내며, 직경이 10마이크로미터에 불과한 보이드와 같은 결함도 보여주고 있다. 이러한 검사들은 단 몇 분 만에 수행되며, 최신 3D X-ray 기술의 속도와 정밀도를 잘 보여준다.
또 다른 예로, 재구성된 GPU의 3D 볼륨에서 ‘가상 슬라이스’를 가져와 사용자는 C4범프, 인터포저 범프, 고대역폭 메모리와(HBM) 범프와 같은 칩 내 다양한 레이어의 2D 단면을 볼 수 있다. 이러한 유형의 세부 사항은 레이어의 적층 특성으로 인해 기본 특징을 모호하게 만들기 때문에 광학 검사나 2D X-ray로 얻기가 매우 어려운 부분이다.
고해상도 이미지를 캡처하는 것도 중요하지만, 3D X-ray 기술의 진정한 강점은 그 뒤에 있는 AI 기반 소프트웨어에 있다. Comet Yxlon의 CoS Insights 패키지와 같은 지원 결함 인식 소프트웨어는 솔더 범프의 정렬 불량, 헤드인필로우 문제와 같은 결함의 크기와 심각도를 빠르게 감지하고 분석할 수 있다. 결함 관련 핵심 매개변수인 범프 시프트(bump shift), 다이 틸트(die tilt), 결함 형성 가능성(the likelihood of defects forming) 등을 측정함으로써, 이 기술은 부품 상태를 종합적으로 이해할 수 있게 하며, 제조업체는 이러한 결함을 조기에 발견하여 비용이 많이 드는 문제를 미연에 방지할 수 있다.
신제품 도입(NPI) 최적화를 위한 3D X-ray 검사
3D X-ray 검사는 분석실에서 다양하게 활용되는 것 외에, 3D X-ray 검사를 활용하는 철저한 검사 전략은 신제품 도입 단계에서 상당한 수율 개선을 이끌 수 있다. 초기 단계에서 결함을 조기에 감지하고 해결함으로써, 제조업체는 신속하게 생산라인을 최적화하고 더 높은 수율을 달성할 수 있다.
그림 4는 3D X-ray 검사를 사용한 실제 수익률 곡선과 추정 이익률 시나리오이다. 검사 과정에 3D X-ray를 도입한 결과 6개월 만에, 눈에 띄는 수율 향상이 있었음을 보여주고 있다.
그림 4의 수율 곡선에서 5개월 무렵에 급격한 하락이 나타났는데, 이는 주요 생산 문제를 시사한다. 3D X-ray 기술은 이러한 예상치 못한 차질에서 신속하게 배울 수 있도록 도와줄 수 있으며, 생산 샘플에 대한 실시간 모니터링을 제공하고 성능에 관한 핵심 정보를 공유함으로써 문제가 본격화되기 전에 초기 징후를 파악하는 데 도움을 줄 수 있다.
3D X-ray + AI 소프트웨어, 반도체 제조방식 ‘혁신’
3D X-ray 검사, 특히 AI 기반 소프트웨어와 결합될 때, 반도체 제조 방식을 혁신하고 있다. 초기 설계와 프로토타입 단계부터 대량 생산에 이르기까지, 이 기술은 이전에는 발견하기 어렵거나 불가능했던 결함에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 검사 전략에 3D X-ray를 통합함으로써, 제조업체들은 수율을 향상하고 시장 출시 시간을 단축하며, 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
이 강력한 하드웨어와 소프트웨어의 결합은 오늘날의 도구일 뿐만 아니라 반도체 생산의 미래를 위한 핵심 동력이다.
▶ 저자
- Joscha Malin,
Director Product Marketing Software Solutions,
Comet Yxlon
▶ 문의
- Comet Yxlon Korea
- yxlon.kr@comet.tech
- T, 070 4337 2780
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