AI가 반도체 아키텍처를 재편하고 있습니다 — 기계적 테스트는 어떻게 발전해야 하는가
인공지능은 더 이상 소프트웨어에만 국한되지 않습니다. 이제 반도체 산업을 근본적으로 변화시키고 있습니다. AI 워크로드가 증가함에 따라 처리 능력, 메모리 대역폭 및 에너지 효율성에 대한 새로운 요구가 발생하고 있으며, 반도체 설계는 대대적인 변화로 이에 대응하고 있습니다.
업계는 기존 트랜지스터 스케일링을 넘어 시스템 수준 혁신에 집중하고 있습니다. 이제 성능 향상은 첨단 패키징, 신소재 및 다양한 유형의 부품 결합에서 비롯됩니다. 이러한 변화는 더 강력한 장치를 생산하지만, 동시에 더 많은 인터페이스와 잠재적 고장 지점을 가진 더 복잡한 장치를 만들어내므로, 더 발전되고 실용적인 테스트 방법이 필요합니다.
모놀리식 칩에서 3D 통합 시스템으로
최신 장치는 이제 첨단 패키징 아키텍처로 구축되며, 기존 2D 칩에서 칩렛 및 인터포저를 사용하는 2.5D 설계로, 궁극적으로는 완전한 3D 스택형 장치로 발전하고 있습니다. 이러한 새로운 설계는 처리 장치, 메모리 및 연결을 더 가깝게 배치하여 성능을 향상시킵니다. 그러나 더 많은 기능이 하나의 패키지에 결합될수록 인터페이스 및 가능한 고장 지점의 수가 크게 증가합니다.
이러한 변화는 또한 코패키징 광학 및 복잡한 재료 층을 도입하여 '패키지'를 고도로 통합된 시스템으로 만듭니다. 이로 인해 테스트는 개별 구성 요소 확인을 넘어 전체 시스템이 실제 조건에서 어떻게 작동하는지를 반영하는 방법을 사용해야 합니다.
Instron® 6800 시리즈 만능 재료 시험기는 이러한 변화를 위해 특별히 제작되었으며, 단일 구성 가능한 플랫폼에서 부품 수준 재료 테스트와 시스템 수준 신뢰성 검증을 연결합니다. 교체 가능한 그립, 고정 장치 및 환경 액세서리를 통해 엔지니어는 완전히 새로운 장비에 투자하지 않고도 새로운 아키텍처에 적응할 수 있습니다.
혁신을 이끄는 신소재 — 그리고 새로운 과제
3D 통합을 지원하기 위해 제조업체는 첨단 접착제, 열 인터페이스 재료(TIM) 및 유리 기판과 같은 신소재를 채택하고 있습니다. 이러한 재료는 더 크고 통합된 설계와 더 나은 열 성능을 가능하게 하지만, 동시에 표적화된 테스트 접근 방식이 필요한 새로운 위험을 초래합니다.
주요 과제는 다음과 같습니다.
- 층 간 열팽창 계수(CTE) 불일치
- 뒤틀림 및 응력 축적
- 유리와 같은 취성 재료의 파괴 위험
- 열 사이클링 및 환경 조건에 대한 민감도
이러한 각 고장 모드에는 다른 테스트 방법이 필요합니다. 인장 테스트는 인발 하중 하에서 접착제의 성능을 보여주고, 굽힘 테스트는 취성 기판의 파괴 거동을 평가하며, 전단 테스트는 접합된 인터페이스의 무결성을 평가합니다. Instron 6800 시리즈는 교체 가능한 그립 및 고정 장치를 사용하여 이 모든 것을 하나의 프레임에서 수용할 수 있습니다. 이는 재료 세트가 계속 발전하고 인증 주기가 단축됨에 따라 매우 중요합니다.
정의적인 설계 제약으로서의 열 관리
AI 기반 장치가 전력 밀도를 높이면서 열 관리는 반도체 설계에서 가장 중요한 제약 중 하나가 되었습니다. 여러 다이와 광학 부품이 긴밀하게 통합된 첨단 패키징에서는 특히 열 방출이 제한적인 스택형 구성에서 열이 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.
테스트는 주변 환경만 고려하는 것이 아니라 실제 조건을 시뮬레이션해야 합니다. 이는 열 사이클링과 기계적 응력을 결합하고, 시간이 지남에 따라 국부적인 온도 변화에 재료가 어떻게 반응하는지 포착하는 것을 의미합니다.
Instron 테스트 시스템과 결합된 통합 환경 챔버를 통해 엔지니어는 접착제, TIM 및 접합된 인터페이스를 동시 열 및 기계적 하중 하에서 특성화할 수 있습니다. 이는 이러한 재료가 실제로 사용되는 조건입니다. 이 결합된 접근 방식은 주변 환경 테스트만으로는 놓칠 수 있는 고장 모드를 찾아냅니다.
부품 테스트를 넘어 실제 시뮬레이션으로
테스트는 재료 특성을 개별적으로 측정하는 것에서 벗어나 실제 적용 환경에서 재료가 어떻게 작동하는지 이해하는 것으로 바뀌었습니다. 이제 엔지니어는 단순히 "이 재료는 얼마나 강한가?"가 아니라 "이 조립품에서, 이러한 하중 하에서, 이 온도에서 어떻게 작동하는가?"에 대한 답을 필요로 합니다.
응용 분야별 테스트 방법은 다음과 같습니다.
- 상호 연결 및 접착제 무결성을 위한 다이 전단 테스트
- 다이 강도 및 파괴 거동 평가를 위한 마이크로 굽힘 테스트
- 조립 및 작동 응력을 시뮬레이션하기 위한 PCB 및 패키지 굽힘 테스트
Instron 다이 전단 및 마이크로 굽힘 고정 장치를 포함한 전용 고정 장치는 이러한 측정이 요구하는 정밀한 정렬과 반복 가능한 위치 지정을 제공하여 이러한 테스트를 가능하게 합니다. Instron 만능 재료 시험기에서 사용하도록 설계되었기 때문에 단일 시스템에서 테스트 방법을 빠르게 전환할 수 있어 필요한 전용 장비 수를 줄이고 인증 일정을 단축합니다.
다중 물리 데이터: 기계적, 열적, 전기적 및 광학적 거동을 함께 테스트
반도체 시스템이 더욱 복잡해짐에 따라 테스트는 여러 도메인에 걸쳐 동시에 거동을 포착해야 합니다. 기계적 반응만 측정하는 것으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 엔지니어는 힘, 변위, 온도, 전기적 성능 및 광학 신호 품질이 어떻게 상호 작용하는지 이해해야 합니다.
이는 실리콘 포토닉스 및 코패키징 광학을 통합하는 시스템에서 특히 중요합니다. 광학 부품은 극도로 정밀한 정렬을 요구합니다. 열팽창 또는 조립 응력으로 인한 작은 기계적 변화도 신호 전송을 저하시킬 수 있습니다. 광학 장치와 고전력 부품을 결합한 AI 시스템에서는 재료 간의 CTE 불일치가 반복적인 열 사이클에 걸쳐 점진적인 정렬 불량을 유발할 수 있습니다. 이는 기계적 및 광학적 데이터를 함께 분석할 때만 나타나는 고장 모드입니다.
Bluehill® Universal 소프트웨어로 제어되는 Instron 시스템은 이를 직접적으로 해결합니다. Bluehill은 자동화된 테스트 시퀀스, 내보내기 가능한 보고서 및 타사 센서 통합 지원을 통해 기계적, 열적, 전기적 및 광학적 데이터 스트림을 실시간으로 동기화하여 수집할 수 있도록 합니다. 엔지니어는 결합된 고장 모드를 식별하고, 시뮬레이션 모델을 검증하며, 단일 테스트 실행에서 시스템 거동에 대한 완전한 그림을 구축할 수 있습니다.
대량 생산을 위한 반도체 테스트 확장
AI 인프라 성장은 생산량을 증가시키고 있으며, 제조업체는 데이터 품질을 희생하지 않고 더 많은 샘플을 더 빠르게 테스트해야 하는 압박을 받고 있습니다. 복잡성이 증가함에 따라 수동 테스트 워크플로우는 병목 현상이 되어 작업자 가변성을 초래하고 처리량을 제한합니다.
자동화가 핵심 동력입니다. 자동화된 XY 스테이지와 같은 기술은 최소한의 작업자 개입으로 반복 가능하고 높은 처리량의 테스트를 가능하게 합니다. Bluehill Automation의 자동화된 테스트 시퀀스와 결합된 이러한 시스템은 연속 또는 무인 테스트를 지원하여 대량 실행 전반에 걸쳐 데이터 일관성을 유지합니다.
AI 하드웨어 생산을 확장하는 제조업체의 경우, 자동화 준비가 된 하드웨어 및 소프트웨어와 결합된 만능 테스트 플랫폼은 비용이나 인력의 비례적인 증가 없이 생산량과 함께 테스트 용량을 늘릴 수 있음을 의미합니다.
빠르게 진화하는 산업을 위한 구성 가능한 플랫폼
반도체 혁신은 가속화되고 있습니다. 신소재, 아키텍처 및 통합 접근 방식은 대부분의 연구실이 따라잡을 수 없을 정도로 빠르게 등장하며, 모든 새로운 테스트 요구 사항에 대해 전용 장비를 추가하는 것은 실용적인 해결책이 아닙니다. 이러한 환경에서 새로운 요구 사항을 충족하도록 확장되는 단일 구성 가능한 플랫폼은 점점 늘어나는 단일 목적 장비 컬렉션보다 의미 있는 이점을 제공합니다.
6800 시리즈는 이러한 현실을 위해 설계되었습니다. 교체 가능한 고정 장치 및 그립, 통합 환경 챔버, 타사 센서 통합 지원, 그리고 자동화 준비가 된 하드웨어 및 소프트웨어를 갖추고 있습니다. 마이크로일렉트로닉스 응용 분야를 위한 다이 전단 및 마이크로 굽힘 고정 장치부터 결합된 열 및 기계적 하중 하에서 테스트되는 전체 시스템 수준 조립품에 이르기까지 하나의 플랫폼이 모든 범위를 처리합니다.
AI가 반도체 장치의 한계를 계속해서 확장함에 따라 테스트도 보조를 맞춰야 합니다. 즉, 더 통합되고, 더 응용 분야에 특화되며, 확장 가능하도록 구축되어야 합니다. Instron의 모듈식 플랫폼 — 만능 재료 시험기부터 응용 분야별 고정 장치 및 Bluehill 소프트웨어에 이르기까지 — 반도체 혁신과 함께 성장하도록 설계되어 엔지니어링 팀이 신뢰성 데이터가 실제 세계를 반영한다는 확신을 가질 수 있도록 합니다.
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플랫폼에서 고정 장치, 소프트웨어에 이르기까지 Instron은 반도체 및 마이크로일렉트로닉스 엔지니어가 확신을 가지고 테스트하는 데 필요한 도구를 갖추고 있습니다.
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저자 소개
Phil Levesque
Phil Levesque는 Instron의 전자 제품 시장 관리자로, 엔지니어링 및 시장 개발 분야에서 13년 이상의 재료 테스트 경험을 보유하고 있습니다. 이전 수석 엔지니어로서 Phil은 Instron의 만능 재료 시험기를 위한 맞춤형 고정 장치 설계, 자동화 및 응용 프로그램 개발에 걸쳐 광범위한 프로젝트를 이끌었으며, 전자 및 반도체 산업에 고유한 과제와 요구 사항에 대한 깊은 이해를 구축했습니다. 오늘날 그는 이러한 실무 전문 지식을 활용하여 고객이 시장을 재편하는 빠른 혁신에 발맞출 수 있는 테스트 전략을 개발하도록 돕고 있습니다.