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GaN 신뢰성 및 수명 예측: 15단계(4)

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글/Ricardo Garcia, Siddhesh Gajare, Ph.D., Angel Espinoza, Max Zafrani, Alejandro Pozo, Ph.D., Shengke Zhang, Ph.D., EPC

GaN-on-Si 레이저 드라이버 IC의 신뢰성 테스트 결과

(1) 고전류 펄스에 대한 장기적 안정성

이 시험은 실제 라이다 회로로 통상적인 미션 프로파일을 훨씬 상회하는 총 펄스 수로 디바이스들로 스트레스를 가해서 테스트를 실시했다. 차량용 라이다로 정확한 미션 프로파일은 고객들마다 다를 수 있다. 통상적인 차량용 프로파일은 100kHz의 펄스 반복 주파수(PRF)로 하루에 두 시간씩 운행하면서 15년의 수명을 요구한다. 이것은 약 4조의 총 라이다 펄스에 해당된다. 최악 상황 시나리오(격심한 활용 사례)라고 했을 때는 작동 수명에 걸쳐서 많게는 10~12조의 펄스를 필요로 할 수도 있다.

통상적인 미션 프로파일을 훨씬 상회해서 샘플 집단을 테스트하고 시스템 성능의 안정성과 디바이스 특성을 파악함으로써 라이다 미션으로 eGaN 디바이스의 수명을 가늠해볼 수 있다.

다량의 펄스를 달성하기 위해서 통상적인 라이다 회로로 사용되는 것보다 훨씬 높은 펄스 반복 주파수(PRF)로 디바이스들로 지속적으로 스트레스를 가했다.

이 테스트에는 인기가 높은 두 가지 AEC 등급 디바이스들을 사용했다. EPC2202(80V)와 EPC2212(100V)이다. 이들 제품을 4개씩 동시에 테스트했다. 스트레스를 가하면서 모든 각각의 디바이스로 두 가지 주요 파라미터를 지속적으로 모니터링했다. (1) 피크 펄스 전류와 (2) 펄스 폭이다. 이들 파라미터는 라이다 시스템의 거리 및 분해능과 관련해서 중요하다.

그림 16과 그림 17은 처음 13조 펄스에 걸쳐서 이 테스트의 결과를 보여준다. 이 누적 펄스 수는 통상적인 자동차 수명을 훨씬 상회하는 것이며 최악 상황 활용 사례에 해당된다. 펄스 폭이나 펄스 높이로 어떠한 저하나 변화가 관찰되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이것은 GaN 디바이스의 건전성에 관한 간접적인 지표가 될 뿐만 아니라, 라이다 성능으로 부정적으로 영향을 미치는 어떠한 저하 메커니즘이 발생되지 않는다는 것을 확인시켜준다. 

차량 수명 동안에 격심한 활용 사례에 해당되는 총 펄스 수에 걸쳐서 이들 주요 파라미터의 안정성이 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.

(2) 모노리딕 GaN-on-Si 레이저 드라이버 IC

eGaN 트랜지스터를 기반으로 한 다중 칩 디스크리트 솔루션이 소형 풋프린트와 뛰어난 스위칭 성능을 앞세워서 ToF(time-of-flight) 라이다 시스템에 널리 사용되고 있다. EPC는 최근에 고속 GaN 드라이버와 디스크리트 GaN 트랜지스터를 통합한 새로운 GaN 레이저 구동 IC 제품군을 출시했다(그림 18). 이 통합적인 모노리딕 라이다 솔루션은 기존 디스크리트 솔루션보다 더더욱 높은 성능, 더 작은 폼팩터, 더 낮은 비용을 제공한다. 그러므로 로보틱스, 감시 시스템, 드론, 자율 자동차, 진공 청소기 등등을 비롯한 더 다양한 라이다 애플리케이션에 활용할 수 있다.

이 통합적 GaN 레이저 구동 IC 제품군의 첫 두 제품으로서 EPC21601과 EPC21701이 양산을 시작했다. 표 12는 검증을 마친 이 두 IC 제품의 주요 사양을 요약해서 보여준다.

[표 12] EPC 레이저 드라이버 IC 제품군의 첫 두 제품

① 검증 테스트 개요

EPC21601과 EPC21701로 JEDEC 표준 JESD47K에 따라서 다양한 스트레스 테스트를 실시했다. 이들 스트레스 테스트는 다음과 같다:

• HTOL(High Temperature Operating Life: 고온 동작 수명): 1000시간 동안 TJ = 125℃로 최대 권장 동작 조건을 가해서 테스트한다.

• THB(Temperature Humidity Bias: 온도 습도 바이어스): 1000시간 동안 85℃ 주변 온도와 85% 상대 습도(RH)에 노출시키면서 최대 권장 동작 조건을 가해서 테스트한다.

• HTSL(High Temperature Storage Life: 고온 보관 수명): 디바이스를 1000시간 동안 150℃로 베이크한다. 

• PC(Preconditioning: 프리컨디셔닝): 다음의 단계들을 순차적으로 거친다: (1) 최소한 24시간 동안 125℃로 베이크, (2) MSL1 조건(MSL1에 관해서는 뒤에서 더 자세히 설명), (3) 3회의 리플로우.

• uHAST(unbiased Highly Accelerated Test: 바이어스를 인가하지 않고서 고도 가속화 테스트): 96시간 동안 130℃로 비응결 습도 환경으로, 85% RH로, 33.3 psia의 증기 압력으로 스트레스를 가해서 테스트한다.

• TC(Temperature Cycling: 온도 사이클링): 총 850 사이클에 걸쳐서 -40℃부터 +125℃까지 극단적인 저온과 극단적인 고온을 번갈아 가해서 테스트한다.

• MSL1(Moisture Sensitivity Level 1: 습기 민감 수준 1): 디바이스들로 습기와 온도를 가하고 3회의 리플로우를 해서 테스트한다. MSL1은 가장 엄격한 습기 민감 수준으로서, 168시간 동안 85℃와 85% 습도를 가한다.

• ESD(Electrostatic Discharge: 정전기 방전) 특성분석: 디바이스를 HBM(Human Body Model)과 CDM (Charged Device Model)으로 테스트해서 정전기 방전 이벤트에 대한 디바이스 취약성을 평가한다.

이러한 테스트들을 한 다음에 외관상의 시각적 검사를 실시했다. 어셈블리, 운송, 부적절한 취급 등으로 인해서 칩 스케일 패키지로 가장자리 부서짐이나 균열 같은 물리적 손상이 발생하지 않았는지 광학 현미경을 사용해서 검사했다. 손상된 디바이스들은 테스트 집단으로부터 제거했다.

스트레스를 가하기 전과 후에 모든 샘플들로 25℃로 파라메트릭 측정을 실시해서 제품 데이터시트에서 표기하고 있는 사양들과 일치하는지 확인했다. 측정한 파라미터들은 드라이버(VDD 핀)의 정지 전류 및 동작 전류, 출력 트랜지스터의 DC 정적 파라미터(임계 전압과 드레인-소스 누설 전류), 입력 임계 전압, 로직 입력 신호(VIN)의 히스터리시스이다.   

모든 테스트는 4레이어로 1.6mm 두께로 Tg가 높은 FR-4 어댑터 카드에다 디바이스들을 탑재해서 실시했다. 어댑터 카드로 디바이스들을 탑재하기 위해서 Type-4 SAC305 솔더 페이스트와 수용성 플럭스를 사용했다. 어셈블리 후에는 탈이온수를 사용해서 플럭스 잔류물을 세척했다.

- HTOL(고온 동작 수명)

1000시간 동안 최대 권장 동작 온도로 최대 권장 동작 전압을 가해서 테스트를 실시했다. 표 13에서 보듯이, EPC21601과 EPC21701 각각으로 로트당 77개 샘플로 3개 로트를 테스트했다. 이 테스트는 JESD22-A108에 따라서 실시했다.

- THB(온도 습도 바이어스)

1000시간 동안 85℃와 85% 상대 습도로 최대 권장 전압을 가해서 테스트를 실시했다(EPC21601은 VD_DC =30V 및 EPC21701은 VD_DC = 60V, VDD = 5.5V). 표 14는 이 결과를 보여준다. 로트당 25개 샘플로 3개 로트를 테스트했다. 이 테스트는 JESD22-A101에 따라서 실시했다.

- HTSL(고온 보관 수명)

EPC21601은 3개 로트 및 EPC21701은 1개 로트(로트당 25개 샘플)를 총 1000시간 동안 150℃의 주변 온도를 가해서 테스트를 실시했다. 

- uHAST(바이어스를 인가하지 않고서 고도 가속화 테스트)

EPC21601은 3개 로트 및 EPC21701은 1개 로트(로트당 25개 샘플)를 96시간 동안 130℃ 온도, 85% 상대 습도, 33.3 psia의 증기 압력을 가해서 테스트했다. 표 16은 이 결과를 보여준다.

- TC(온도 사이클링)

EPC21601과 EPC21701 모두 3개 로트(로트당 25개 샘플)를 총 850 사이클로 -40℃부터 125℃까지 온도 사이클링을 가해서 테스트를 실시했다. 이 테스트는 JEDEC 표준 JESD22-A104에 따라서 실시했다. 최소 드웰 시간은 5분이었고, 가열/냉각 속도는 분당 약 15℃였다.

- MSL1(습기 민감 수준 1)

무연 솔더와 관련한 IPC/JEDEC 통합 표준 J-STD-020에 따라서 MSL1 조건을 가해서 테스트를 실시했다. 

- 정전기 방전(ESD) 민감성

EPC21601과 EPC21701 모두 1개 로트를 HBM(human body model)을 사용해서 ESD 민감성 테스트를 실시했다. 이 테스트는 JS-001-2017 JEDEC 표준에 따라서 실시했다. 표 19는 이 결과를 보여준다. EPC21701은 500V 정격으로 HBM을 통과했고, EPC21601은 250V 정격으로 HBM을 통과했다.

CDM(charged device model) 정격은 디바이스의 총 패키지 크기에 따라서 크게 좌우된다. 디바이스 크기가 작을수록 큰 디바이스에 비해서 특정 전압으로 CDM 손상에 대해서 덜 취약하다[16]. EPC21601과 EPC21701은 둘 다 CSP(chip scale package) 제품이다. 또한 두 제품 모두 활성 다이 영역이 각각 1.87mm2과 1.65mm2으로 매우 작다. 이전에 EPC는 다수의 CSP 제품에 대해서 CDM 테스트를 실시한 바가 있다. 이들 제품은 EPC21601 및 EPC21701보다 다이 크기가 훨씬 컸으며, 1kV CDM 정격을 테스트했다. 그러므로 EPC21601과 EPC21701 둘 다 1kV의 CDM 정격이 가능할 것으로 추론할 수 있다.

② Test-to-Fail(실패 테스트) 방법론

표준적 검증 테스트의 목적은 장시간 혹은 특정한 사이클 횟수로 비교적 큰 규모의 샘플 집단으로 결함을 일으키지 않는 것이다. 이러한 test-to-pass(통과 테스트) 접근법의 단점은, 테스트 결과를 다른 미션 프로파일에 적용하거나 또는 이 결과를 사용해서 주어진 동작 조건으로 수명을 정확하게 예측하기가 어렵다는 것이다.

그러므로 좀더 확실한 검증을 위해서는 디바이스들을 결함이 발생될 때까지 테스트하는 것이 필요하다. 이를 통해서 데이터 시트 한계와 특정한 미션 프로파일 사이의 여유분에 대한 이해를 구축할 수 있다. 그 다음에는 근본적인 결함 메커니즘을 이해하기 위한 결함 분석을 실시하는 것 또한 마찬가지로 중요하다. 근본적인 원인을 이해함으로써 좀더 일반적인 동작 조건들에 걸쳐서 제품의 안전한 작동 수명을 예측할 수 있다.

③ 라이다 애플리케이션으로 eToF 레이저 드라이버 IC의 주요 스트레스 요인

칩 스케일 패키지로 GaN 게이트 드라이버와 eGaN 전력 트랜지스터를 통합함으로써 기생 인덕턴스를 크게 낮추도록 하고 속도, 최소 펄스 폭, 전력 소모를 더더욱 향상시킨다. 하지만 다중의 디바이스들을 통합하고 직접적으로 접근할 수 없으므로 주요 스트레스 요인을 구분하기가 어렵다는 점이 따른다. 그렇기는 하지만 라이다 애플리케이션으로 코너 동작 조건으로 IC 디바이스로 겪는 주요 스트레스 요인을 파악하기 위한 테스트를 실시했다.

EPC21601과 EPC21701은 각각 1.5mm x 1.0mm 및 1.7mm x 1.0mm 크기의 칩 스케일 BGA 폼팩터로 제공된다. 이들 레이저 드라이버 IC의 패키지 기술은 EPC의 디스크리트 전력 트랜지스터에 다년간 사용되어 왔던 것이며, 그러므로 이전 단계 신뢰성 테스트 보고서 및 관련 자료에서 이들 IC 제품의 패키지 신뢰성과 관련한 데이터들을 볼 수 있다[2,6,17-22].

이 15단계 보고서에서는 IC 디바이스 차원에서 테스트 및 결함 분석에 초점을 맞추고 있다. HTOL(고온 작동 수명)이 라이다 동작 조건을 가장 잘 반영하므로(그림 19a 참조), 장시간에 걸쳐서 각기 다른 가속화 바이어스 조건과 온도의 영향을 알아보기 위해서 HTOL 테스트를 사용했다.

이 test-to-fail(실패 테스트) 시험에는 EPC21601을 테스트 대상으로 선택했다. EPC21601이 EPC21701보다 몇 개월 먼저 출시되었다. 두 제품의 레이저 드라이버 회로 디자인은 동일하다. 유일한 차이는 출력 GaN 트랜지스터의 드레인 전압 정격이다. EPC21601은 절대 VD max 정격이 40V이고, EPC2701은 80V이다.

EPC21601 레이저 드라이버 IC는 다음 3가지가 주요 스트레스 요인인 것으로 파악된다:

• VDD는 레이저 드라이버 회로의 저전압(LV) GaN FET과 출력 트랜지스터를 위한 고전압(HV) GaN FET으로 구동 전압을 제공하는 로직 전원 전압이다.

• VD는 주로 HV 출력 GaN 트랜지스터의 드레인 단자로 인가되는 레이저 구동 전압이다.

• 라이다 동작에 따른 동작 주파수가 또 다른 스트레스 요인이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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