TTransient Thermal test가 가지고 있는 시간과 비용 절감에 관한 6가지 주요 장점


이 보고서는 IC PGK의 열 특성 및 TIM(Thermal Interface Material) Test에서 Transient Testing Methods의 장점에

대해 설명합니다.


Why do transient thermal testing?
Transient Thermal test는 비파괴 방식임에도 불구하고 Steady-state 보다 더 빠르고 정확하며 재현성이 매우 높습

니다. 또한 transient temperature response를 통해 PKG 내부의 heat flow path 및 thermal structure를 예측 할 수

있으며, 특히 제조 단계에서 발생하는 Thermal interface 문제의 원인을 쉽게 찾아 낼 수 있습니다. 그리고 Solders,

접착제 및  TIM(Thermal Interface Material) 등의 적절한  재료를 선택 할 수 있게 도와주며,  제조  공정의 설정을

최적화하여 안정적인 데이터 시트를 제공함으로써 제품 리콜의 확률을 현저하게 낮추어줍니다.


이러한 장점이 어떠한 방법에 의해 구현되는 것인지 이해하기 위해 "Transient Thermal test가 가지고 있는 시간과

비용 절감에 관한 6가지 주요 장점" 에 관해 살펴 보겠습니다.


1. No Separate Reference Temperature Measurement
Transient thermal measurements은 JEDEC의 Electrical Test Method을 기본으로 하고 있으며, Die와 IC(Integrated

circuit)장치의 열 테스트에 적용 가능합니다.


위의  JEDEC의  제 2 장에서 측정 기본 이론을 찾아 볼 수 있습니다.  Junction Temperature는  Junction에  일정한

Sensor current가 흐를 때, 온도 변화에 따른 반도체 장치의 전기적 특성 변화를 이용해 측정하는 방법입니다.


[Temperature Sensitive Parameter: TSP,  예를 들어  다이오드의 Forward voltage drop (VD); 온 IGBT에 대한 On-

state saturation Voltage (VDS) 또는 MOSFET에 대한 임계 전압 (VTH)]


이 TSP(temperature sensitive parameter)의 Calibration은 오븐이나 냉각 판을 사용해 진행합니다.


Transient 측정의 중요한 이점 중에 하나는 열 저항 값에 대한 differential formulation을 사용할 수 있다는 점입니다.


시간 t = 0에서 junction-to-case 또는 junction-to-ambient는 다음과 같이 정의됩니다.


201511_img03.jpg

각 시간에서의 Thermal impedance 는 다음과 같이 정의됩니다.


201511_img04.jpg

위의 수식에서 나타나듯이 TSP를 이용한 Transient 측정 방법은 별도의 reference temperature 측정이 필요 없으며,

재현성과 정확성이 모두 향상됩니다


2. 높은 재현성 JEDEC JESD51-14 [2]

과거에는 반도체 소자의 junction-to-case (RθJC 또는 θJC)는 Junction과 Case 표면의 온도를 직접 측정해 사용하였

습니다. (Case 표면을 수 냉식 Cold-plate 접촉 시켜서 Thermocouple을 이용해 측정)


Thermocouple을 이용한 Case 표면의 측정은 다음과 같은 문제로 인해 낮은 재현성을 보였습니다.
 - 케이스에서 나타나는 온도 분포 및 Thermocouple의 위치에 따라 최대 온도를 측정 하지 못함.
 - Thermocouple이 Cold-plate에 독립적이지 못하기 때문에 Case의 온도 측정 시 동시에 Cold-plate 온도의 영향을

   받아 정확한 측정이 어려움.
 - Case에 정확하게 접촉하기 위한 압력이 필요함.
 - 작은 PKG의 경우 드릴 구멍으로 이해 Heatsink의 온도 분포의 영향을 미침.


또한 사용자에 의한 측정 에러도 포함하고 있으며, 사용자는 정해진 매뉴얼에 따라 측정을 진행하게 되지만 Therm-

ocouple를 다루는 숙련도에 따라 측정 결과에 오차가 발생 할 수 있습니다. (재현성 감소)


이러한 문제는 작은 PKG(5mm이하),  Thermocouple의 크기가 드릴  구멍에 비해 큰 경우와  낮은 열 저항을 가지는

PKG에 더 두드러지게 나타나고 있습니다.


그림1의 PKG 같은 경우 Thermocouple이 각각의 die 중심에 위치할 수 있도록 Heatsink를 설계해야만 했습니다.


하지만  TSP 방법의 Transient Thermal Test는 Thermocouple을 사용하지 않기 때문에 Heatsink 설계에 따른 시간과

비용이 필요 없습니다.


최근 패키징 경향은 점차 스택형 다이로 가고 있으며 측정하고자 하는 Die의 중심에 Heatsink를 배치하는 것이 어려

워 지고 있습니다. 이러한 경향에 따라 기존 표준에 대한 변경이 필요하며 이것은 향후 thermal metrics 및 측정방식

에도 영향을 미칠 것입니다.


201511_img05.jpg

               Figure 1: System-in-Package; IC Package Containing Multiple Die (courtesy of AMCC [4])


3. 높은 정확도
Thermocouple는 일반적으로 0.1의 측정 정밀도로 0.5 ℃의 정확성을 가지고 있지만, electrical test method는 0.01 ° C의

정확성을 가지고 측정하기 때문에Thermocouple보다 50배의 차이를 보입니다.


T3Ster는 Junction 온도 측정을 위해 4 wire Test 설정을 사용하며 0.01 ° C 온도 민감도와 최소 1 MHz의 sampling rate로

연속적인 측정을 진행합니다. Heating 또는 Cooling의 방식으로 측정된 TSP는 temperature vs. time responses plot을 제

공하며, 패키지 내부의 온도 변화를 보여줍니다.


201511_img06.jpg


4. Faster Overall Measurements
Steady State 측정은 PKG를 Heatsink에 부착시킬 때 PKG case에 Thermocouple를 정확하게 위치시키는데 더 많은 시간과

좋은 결과를 얻기 위해서는 실험오차를 줄이기 위한 반복적인 실험이 필요합니다.


그림2와 같이  ‘Static’ 방법을 사용하여 Junction의 온도에 대해 ‘Transient’ 측정을 진행하면 측정에 걸리는 총 시간은 시스

템이 정상상태에 도달하는 시간과 동일합니다.


보통 수동으로 진행되는 TSP의 보정은 전체 측정 프로세스 중 가장 많은 시간을 필요로 합니다.


Mentor Graphics의 T3Ster는 이러한 TSP 보정 과정을 자동화하여, 사용자가 없는 야간에도 작업을 진행하여 장비의 비용과

사용자의 시간을 절약 할 수 있도록 하였습니다.  그 결과 표준 T3Ster 시스템은 최대 8개의 PKG에 대해 TSP 보정과정을 자

동으로 진행하고, 한달 중 20일을 작업한다고 가정하였을 때 야간에만 약 160개의 PKG에 대해 TSP 보정작업이 가능합니다.


5. Reveals Details about Thermal Structure
최소 1 MHz의 sampling rate 및 0.01℃의 정확도를 가지고 실시간으로 측정된 Junction의 온도 데이터는 temperature vs.

time plot으로 표시되며, 열 유동 경로를 설명하기 위한 cumulative Structure Function인 cumulative thermal capacitance

vs. cumulative thermal resistance으로 변환할 수 있습니다.


구조함수(Structure function)는 RC networks 및 Time constants에 밀접하게 연관됩니다.


Time constant spectra, cumulative structure functions, NID(Network Identification by De-convolution) 방법을 이용하여

어떻게 이러한 것들을 정의하는지에 대한 종합적인 설명은 참고문헌 2의 부록에 제시되어있습니다.


Cumulative S/F은 PKG 내부 구조 열 흐름에 가장 중요한 요소인 열 용량 및 부분적인 열 저항 크기와 실제 형상(본드 라인

등)의 두께 차이도 확인 할 수 있습니다.


Transient test의 또 하나의 장점은 측정에 있어 Thermal Contact resistance을 제거할 수 있다는 점입니다. (JESD 51-14)


SF의 가장 큰 장점은 다양한 반도체 PKG에 적용이 가능하며, PKG 설계에 대한 전문적인 지식이 필요하지 않고, 비파괴 방

식으로 내부 구조를 파악 할 수 있다는 것입니다.


Cumulative thermal capacitance vs. cumulative thermal resistance


이러한 특성은 T3Ster가 다른 부서 및 다른 파트와 함께 사용 할 수 있게 합니다.




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Figure 3: Structure Functions Derived from the Temperature vs. Time Profiles (courtesy of Infineon).



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                                  Figure 4: Power Tester 1500A and 8-Channel T3Ster System (inset)


6. Conforms to the latest Measurement Standards
앞서 설명 된 바와 같이, 과도 측정은 최신 표준을 준수하고 있으며, Junction to case 측정 방법인 JESD 51-14(Transient

Dual Interface method)에서 Static 모드과도 측정의 토대가 됩니다.


또한 LED역시 Static 모드 과도 측정을 사용하여 측정하는 것이 좋습니다.


과도 측정 방법의 단점은 Transient response data의 복잡한 수학적 분석이 필요하다는 것입니다. 그러나 이러한 data의

처리는 장비(T3Ster)와 함께 제공되는 SW(T3Ster-Master)에 의해 자동으로 분석 할 수 있습니다.


Summary
현재 Transient Thermal 측정은 전 세계적으로 수많은 상용 시스템에서 사용되고 있으며, Data sheet 제작, 부품 적합성

확인, 경쟁 제품의 평가에 이르기까지 다양한 분야에서 사용하고 있습니다. 그 사용의 급속한 성장은 측정의 유연성, 재

현성, 정확성 또한 시간과 비용 절감하는 방법을 제공하는, 위에서 설명한 기술적 장점에 기인합니다.


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