최근 전자장치가 사회적 요구에 대응하기 위해 지속적인 소형화·고속화·대용량화를 이루고 있고, 이에 맞춰 실장기판도 고밀도화·고정밀화·3차원 실장 등 기술적으로 진화하고 있다. 

하지만 검사 기술은 전자장치의 발전 속도에 따라가지 못해 높은 제품 신뢰성을 확보하지 못하는 결과를 불러왔다.

따라서 이 글에서는 설계부문에서 DfT와 DfM을 도입함과 동시에 제조부문과의 적절한 의사소통을 통해 제품 신뢰성을 확보할 수 있는 방안에 대해 알아본다.

서론

오늘날 사회 인프라로써 중요한 역할을 담당하고 있는 전자장치는 사회적 요구에 대응하기 위해 지속적인 소형화·고속화·대용량화를 이루고 있다. 이에 맞춰 실장기판도 전자장치의 핵심요소로써 장치의 요구에 대응할 수 있도록 고밀도화·고정밀화·3차원 실장 등의 기술 진화가 이어지고 있다.

한편 이러한 전자장치가 사회 인프라의 중요한 구성요소로 작용함으로써, 신뢰성 보증에 대한 요구가 강하기 때문에 실장기판의 신뢰성 향상에 힘써야 한다. 

그러나 현실적으로 현재 실장기판의 품질보증은 큰 과제에 직면해 있다. 특히 제조 단계에서의 불량 발생 유무 검사 및 초기 회로기능 확인을 하는 검사 기술이 회로 기술, 실장 기술의 진보 속도에 따라가지 못하는 것이 주요해보인다.

제조단계에서의 검사기술은 바운더리 스캔 테스트(BST, Boundary Scan Test)가 등장한 이래 뚜렷한 기술 혁신을 보이지 못하고 있다. BST 기술이 점차 적용범위가 넓어지는 등 진화가 계속되고는 있지만 뚜렷한 기술 혁신을 보이지 못하고 있다.

따라서 BST 기술만으로는 실장기판의 품질보증 문제를 모두 해결하는 것이 불가능하다. 따라서 최근 이런 실장기판 테스트의 어려움에 대응하기 위해 실장기판 설계단계에서 테스트가 가능한 구조를 도입한 DfT(Design for Testability)가 중요하다는 인식이 생겨나고 있다. 

DfT에 대해서는 본지 3월호의 ‘DfT의 실적 사례’에서 자세히 소개했다. 따라서 이 글에서는 그 개요만을 간단히 살펴본다.

DfT는 테스트 용이화 설계라 불리는 것으로, 제품 검사에 필요한 회로와 실장정보를 설계 단계에서 입력하는 것을 말한다.

주요 전기검사 방법으로는 인서킷테스트, 기능테스트, BST가 있는데, 실장기판의 회로기능과는 별도로 테스트용 회로 및 패턴을 준비하지 않으면 이러한 검사가 불가능하거나 불완전해질 수 있기 때문에 DfT의 사용은 필수적이다.

또한 DfT를 사용하는 제조업에는 제조성을 고려한 설계인 DfM(Design for Manufacturability)을 사용하는 것이 필수인데, DfT를 DfM의 중요한 하나의 요소로 사용함으로써 불량 없이 제조할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

따라서 이 글에서는 최근 주목받고 있는 부품내장 기판의 검사에 대해 살펴보고, 테스트 기술의 과제와 그 해결을 위한 방법, 그리고 제조업에서의 검사의 중요도와 앞으로의 방향성에 대해 설명하려 한다.

새로운 기술과 과제 

1. 부품내장 기판의 검사 

부품내장 기판은 전자기기의 소형화·고밀도화·고기능화의 요구를 한층 더 실현하기 위해 프린트 배선판의 제조단계에서 저항, 커패시터 등의 수동부품이나 LSI 등의 능동부품을 기판 내부에 내장하거나 실장한 배선판을 말한다. 참고로 실장기판은 부품내장 기판 표면에 부품을 실장한 것이다.

검사하는 입장에서 보면 표면에 부품이 실장 되지 않은 부품내장 기판을 배선만 들어가 있는 프린트 배선판(베어보드)과 동일하게 다룰 수 없다.

예를 들면 베어보드 검사에서 이용되는 고전압에 의한 절연 검사는 적용할 수 없는 것과 같다. 또한 회로가 완성된 실장기판용 검사방법(BST나 기능 테스트 등)을 적용할 수도 없다. 따라서 이런 의미에서 부품내장 기판은 실장기판의 반제품이라고도 할 수 있다.

이러한 부품 내장 기판 및 제조공정 내의 검사법1)은 현재로서는 인서킷 테스트(ICT, In-Circuit Test)밖에 없는 실정이다. 

인서킷 테스트를 하기 위해서는 부품 단자 또는 회로의 노드에 테스트 액세스(probing)해야 하는데, 내장부품용 테스트 패드를 바깥층으로 꺼낼 수 있는 경우에는 문제가 없지만, 이외의 경우에 테스트 패드를 늘리는 것은 본래 목적인 기판의 소형화, 고밀도화에 역행하는 것이기 때문에 문제가 된다. 

또한 테스트 패드용의 분기로 인해 회로의 고주파 특성이 열화 되는 문제도 있다. 따라서 이런 경우에 부품내장 기판의 품질보증은 다음의 방법을 사용해 해결해야 한다.

· 품질, 성능이 확인된 부품만 내장 : 이는 KGD(Known Good Die)의 입수가 문제 된다.

· 필요 최소한의 테스트 패드를 설치 : 검사 위치와 측정 대상의 선택은 부품내장 기판의 용도, 신뢰도 요구 레벨에 따라 달라진다. 가장 간단한 경우는 부품내장 기판 단계에서 검사하지 않고 실장기판으로 완성한 후에 기능검사만 실시하는 것이다. 반대로 가장 어려운 경우는 내장부품에 이르는 배선의 도통·절연검사에서 내장 부품의 특성까지 모든 항목에 대해 검사를 해야 하는 경우이다. 따라서 이를 보완하기 위해 부품내장 기판의 레벨을 규격화하여 나누는 작업이 현재 진행 중에 있다2).

· 데이터의 공통화 도모 : 제품 레벨에 따른 루틴, 테스트 패드 설계에는 DfT가 필수적이다. DfT가 회로나 기판상에 제대로 내장되어 있는지 확인하기 위해서는 회로설계 결과와 실장설계 결과를 DfT 검증 툴에 입력해서 확인해야 한다. 그러나 기판제조 업체들이 사용하는 기판설계 시스템은 CAD 툴 벤더가 제공하는 것을 사용하는데, 툴 벤더는 설계 결과 데이터베이스의 내용을 비공개로 하기 때문에 제조나 검사를 위해 알아야 하는 상세한 설계결과를 입수하기 어려워 정확한 정보를 제공하지 못한다.따라서 이를 개선하고 설계 결과를 기판설계 데이터베이스에서 기존의 툴 벤더 특유의 포맷이 아닌 공통의 파일 포맷으로 출력하여 제조·검사하기 위해서 설계 결과를 쉽게 활용하기 위해 관련 규격을 제정했다. 그것이 바로 3차원 표준 데이터 포맷 FUJIKO3)이다. 

본래 FUJIKO는 부품내장 기판의 설계 데이터를 제조용 데이터를 변환하기 위한 표준 인터페이스 파일 규격으로 개발된 것인데, 기존의 회로기판 설계에도 적용할 수 있다. 

이 규격에 따르면 제조·검사에서 필요한 설계 결과 데이터를 쉽게 얻을 수 있을것으로 보인다. 따라서 DfT의 검토 및 검증 시 검사공정 담당자와 회로 및 기판 설계자가 동일 데이터를 공유하면서 부품내장 기판의 검사·설계를 진행할 수 있게 되어, 검사 과제를 수월히 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

· 문제 발생 시 책임을 명확히함 : 기존의 실장기판 제조에서는 부품제조, 프린트 배선판 제조, 부품 실장의 공정들이 분리되어 있었기 때문에 각각의 품질 보증, 검사 방법 및 책임 소재가 나누어져 있었다. 그러나 부품내장 기판의 제조는 실장 기판 제조와는 다르게 제조단계가 겹치는 일이 많기 때문에 검사 과부족이 생기거나 책임 소재가 불명확해질 가능성이 많다.

그 결과 제조 시의 문제나 현장에서 고장이 발생할 경우, 책임(손해 배상) 부담원이 불명확해질 염려가 있다. 따라서 당사자 간에 어디서 누가 검사를 할 것인지에 대해 명확히 해둘 필요가 있다.

덧붙여 제조의 책임 부담뿐만 아니라 설계과정에서도 부품내장 기판 업체가 지정한 부품을 사용해야 한다거나 부품내장 기판 업체에서 패턴 설계까지 하게 된다면 문제가 더 복잡해질 우려가 있으므로 이에 대한 대응도 명확히 해야 한다.

2. DfT의 과제와 대책 

지금까지 설계 부분에서는 시험 가능성(testability)을 고려하지 않고 회로 기능의 실현만을 목표로 해왔고, 검사 부분에서는 만들어진 실장 기판에 대해 여러개의 검사 수단을 결합해서 검사·해석·교정하는 방식을 답습해왔다. 그러나 BGA 실장을 포함한 고밀도 실장 기판의 경우에 기존의 검사 방법을 채용할 수 없는 경우가 있기 때문에 DfT가 필수적이다. 

현실은 ‘고밀도화, 소형 경량화된 신규부품에 대한 대응이 우선이기 때문에 현재로써는 DfT까지는 주의가 미치지 않는다’는 인식이 다소 존재하기 때문에 DfT가 충분히 정착되었다고는 볼 수 없다. 따라서 이런 시점에서 앞으로 DfT의 활성화를 위해 할 수 있는 수단으로는 다음과 같은 방법이 있다.

· 설계 기술자·검사 기술자 교육

· 비용 파악·책임자 교육

2.1 설계 기술자·검사 기술자 교육 

설계 기술자는 DfT에 대해 이해는 하고 있지만 실제로 적용하기는 쉽지 않고, 설계 부문과 검사부문의 협력도 이루어지지 않고 있는 실정이다. 

그 이유는 설계 부분에서는 설계목적(우선 기능 실현)과 배선 패턴의 공간이나 기기의 개발 기간 등의 제약이 있기 때문이다. 또한 검사부문에서는 검사가 가능해야 하며, 불량을 특정 지을 수 있어야 하고 교정을 해야 한다는 의무가 있기 때문이다. 하지만 가장 큰 문제는 상호 대화가 적기 때문에 상대방의 입장을 충분히 이해하지 못한다는 것이다.

설계 부문 담당자는 검사 시에 완벽히 검사할 것으로 생각하고, 검사 부문에서는 테스트 커버리지 100%인 설계가 가능할 것으로 생각하는 등 책임을 전가하고 있다. 따라서 기업 전체 입장에서 상호 협력을 진행하기 위해서는 상대 부문에 대한 배려를 하고, 그에 대한 보상을 해주어야 한다. 그리고 이를 위해서는 개인의 마음가짐뿐만 아니라 설계·제조·검사 기술자를 대상으로 한 조직적인 교육이 필요하다.

2.2 비용 파악·책임자 교육 

일본 제조업의 생산성은 세계를 기준으로 볼 때 상위권에 속해 있지만, 서비스 산업에서의 생산성은 훨씬 아래로 평가된다. 이를 경영 책임자 입장에서 보면 제조업의 시험·검사 부문은 인력이 많기 때문에 수입과 지출을 맞춰 볼 때 채산이 맞지 않을 것으로 보일 수 있다. 

따라서 그 생산성이 제조 부문에 비해 높다고는 생각되지 않는 것이 일반적인 생각이다. 그러나 현재 당면한 문제는 검사 부문만이 아니라 제품 개발 체제 전체에 존재한다.

제품을 단시간에 저비용으로 제조하려면 설계 상류 공정에서 제조·검사·출하에 이르는 모든 정보의 흐름이 원활하게 이루어져서 후공정에서의 문제가 설계 상류 공정이나 관련 공정에 피드백 되게 하여 PDCA 사이클이 가능하도록 시스템을 구축해야 한다. 하지만 설계와 제조 사이의 정보 벽 때문에 이 PDCA 사이클이 효과적으로 기능하지는 못하고 있는 실정이다.

또 중요한 점은 경영에 요구되는 것은 비용을 정확히 파악하는 것이다. 시험·검사에 드는 비용을 파악하는 것이 가장 중요한데, DfM, DfT 도입의 중요성이 강조되면서 개발·설계 단계부터 검사 기술자의 협업도 진행될 것으로 보인다.

3. 앞으로의 검사 방향 

검사 단계에서 가장 중요한 목적은 결함·불량품·신뢰도가 낮은 제품 등의 유출을 막는 필터 역할을 하는 것이고, 그다음으로는 제조 공정에서의 결함 발생을 최대한 줄여 수율을 개선하는 것이다. 따라서 향후 검사 기술의 필터 역할을 살펴보면 다음과 같다.

· 검사할 모든 위치 검사(액세스와 센스) 가능화 : 물리적인 프로빙은 한계에 달해 있어 BST 등 DfT의 비중이 높아진다.

· 현장에서 발현되는 잠재적 결함의 유출 방지(신뢰도 보증) : 잠재 결함에는 도체의 폭(소), 도체의 간극(소), 도통 저항(대), 절연 저항(소), 땜납 필렛의 결함 및 유사 접촉 등이 있다. 따라서 외관검사(AOI : Automated Optical Inspection, AXI : Automated X-ray Inspec-tion 등)의 고기능화·고속화·인라인화·비용절감이 요구된다.

· 검사 비용 절감 : 전자기기의 고기능화는 앞으로도 지속될 것이기 때문에, 검사 비용은 계속해서 증가할 것으로 보인다. 그러나 기능 향상에 따른 비용 상승을 제품 가격에 전가하는 것은 허용되지 않아 기능 향상과 동시에 해당 검사 비용을 감소하는 방안을 찾아야 한다.

이에 대한 방안으로 현재 진행 중인 방안은 검사 대상(제품)의 존(zone)별로 검사 레벨을 변경하여 생략할 수 있는 검사는 생략하고, 신뢰도가 요구되는 존에 대해서는 검사를 강화한다는 ‘선택과 집중’ 방법이 있다. 이에 대해서는 3.1에서 설명하기로 한다. 

그리고 또 다른 대안은 공정을 제품의 품질 변동에 따라 실시간으로 검사 방법 및 판정 기준을 조정하는 것으로 3.2에서 소개하는 적용시험(Adaptive Test)이 이에 해당한다. 또한 ITRS 로드맵4)에서는 수율을 개선하는 툴로서의 검사 역할을 강조하고 있는데, 실장 공정에서도 이와 관련된 시스템 개발이 진행될 것으로 보인다.

3.1 제품 존과 검사

앞서 설명한대로 전자기기의 복잡성과 규모의 확대에 따라 검사 방법의 수가 급증했다. 예를 들어 프린트 배선판의 쇼트 검사를 보면, 검사할 경우 어떤 네트를 검사할 것인지의 수는 네트 수의 2 제곱에 비례한다. 또한 회로의 기능 검사에서 입력에 대한 출력 응답을 조사할 경우에는 입력 데이터의 조합(테스트 패턴)의 수는 논리소자가 늘어나면 가속되어 증가하기 때문에 발생할 수 있는 모든 경우를 조사하는 것은 사실상 불가능하다.

본지 2014년 2월호 14p에서 설명했던 ‘10배 법칙’을 생각해 봤을 때, 실장의 모든 스테이지에서 모든 경우의 수를 따져 검사하는 것이 바람직하지만, 현실적으로 생각해보면 각 스테이지에서의 검사를 간략화시키는 것이 효율적이다.

검사의 양을 정하는 것은 제품 카테고리에 의해 달라지는데 저렴한 제품의 경우에는 출하 시에 불량품 선별 이외에는 하지 않는 경우도 있다. 이 경우 불량품은 대부분 그대로 폐기된다. 하지만 높은 신뢰도가 요구되는 제품, 교정이 필요한 제품, 혹은 제조 공정의 개선에 도움이 되는 경우에는 각 실장 스테이지에서 목적에 따른 검사를 진행해야 한다.

3.2 적용 시험 

ITRS 로드맵의 2009년 판3)에는 ‘적용 시험’ 항목이 새로 추가되었다. 이 개념은 전자기기 실장의 측면에서 봐도 유용하기 때문에, 이를 지금부터 간단히 소개한다.

적용 시험은 테스트 총비용을 절감하기 위해 어떤 테스트를 할 것인가를 그 직전의 테스트 결과를 바탕으로 결정하는 방법이다. 일정 테스트(테스트 그룹)가 통계적으로 테스트 필요성이 낮다고 판단되면, 그 테스트를 생략하던지 다른 테스트로 대체하는 것이 가능하다.

이런 조정은 일반적으로 정기·비정기적으로 이루어지고 있는데, 적용시험의 경우에는 이를 제조 공정 내에서 실시간으로 실시하고자 하는 것이다. 아래는 그 응용의 예이다.

· 테스트 결과 상시 모니터링 : 테스트의 추가 또는 생략, 제조 수율 습득의 관리, 진단 데이터 수집, 실시간 통계적 프·로세스 컨트롤(SPC, Statistical Process Control)을 지원한다.

· 테스트 결과의 사후 통계 해석

· 직전 테스트 결과를 후속 공정의 테스트 자료로 사용하여 다음 테스트를 최적화하고 범위를 한정시켜 선별할 수 있다.

· 테스트 결과를 전공정 테스트로 피드백 가능

· 오프라인 해석 결과와 과거 데이터를 사용해, 다음 로트 생산의 테스트 플로우, 테스트 내용 등을 최적화한다.

결론 

‘검사는 부가가치를 낳지 않는다. 품질을 만들어 내는 것이다’라는 말이 있다. 그러나 제조 현장에서 검사 단계는 빼놓을 수 없다. 

JPCA 조사5)에 따르면 프린트 배선판의 제조 수율(수정 전)은 가장 높은 편면판의 경우 98%, 빌드업 배선판, 모듈 기판(서브스트레이트)의 경우에는 90% 정도, 그리고 부품실장 공정에서의 수율은 삽입 실장, 표면실장 모두 97~98% 정도에 달한다(이 수치는 과거 10년 이상 거의 변함이 없음). 

또한 반도체 칩 양산 시 결함 레벨의 타깃은 83~89.5%라고 알려져 있다3). 완전히 없앨 수 없는 제품 불량에 대해서는 중간 검사나 출하 검사를 통해 외부로 유출을 방지하고 있다.

그러나 검사가 ‘좁은 의미의 검사(제품의 선별)’에 머물러서는 안 된다. 이런 단편적인 검사만으로는 결함 발생을 근절할 수 없기 때문이다. 지금처럼 기존의 방식을 답습하기만 한다면 전자기기의 고집적화에 따른 높아지는 불량 발생률과 테스트 비용 상승으로 인해 제품 경쟁력이 크게 떨어질 것이다. 따라서 제조 공정에서 불량이 나오지 않도록 하는 것이 가장 중요하다. 이를 위해서는 다음과 같은 대책을 세워야 한다.

· 불량이 나오지 않는 제품 설계를 위한 DfM

· 제조 과정에서 종종 불량이 발생했을 경우에는 그 위치와 내용을 특정지어 메모하고, 그 데이터를 제조 공정에 피드백해 공정 조건의 개선, 최적화를 도모한다.

위와 같이 ITRS 로드맵에서는 불량 위치, 불량 내용과 제조 공정으로의 피드백을 통한 비용절감과 DfM의 반영 등이 테스트 공정 최대의 과제로 여겨진다. 이는 전자회로 실장에서도 마찬가지이다. 그러나 이를 보완하기 위해서는 우선 검사 위치가 ‘보이지 않고 만질 수 없는’ 전자기기를 검사할 수 있도록 개선해야 한다. 그 방안으로 가장 기대를 모으고 있는 것이 DfT이다.

이미 DfM을 위한 DfT의 구축은 검사 기술 영역뿐만 아니라 전자기기의 제조 전체에 관련된 기술이 됐다. 따라서 향후 설계 부문, 제조 부문을 중심으로 한 전체적이고 강력한 개발 체제의 마련이 필요하다.

Hayashi KAJITANI  

R&D Strategy Planning & Export Administration Dept. Hitachi, Ltd., Telecommunications & Network Systems Division

Journal of Japan Institute of Electronics Packaging