신뢰성과 수율
반도체 공장이 하는 확률 계산의 끝에는 두 질문이 남는다. 웨이퍼 한 장에서 살아 나오는 다이는 몇 개인가(수율), 그리고 출하된 칩은 언제까지 살아 있는가(신뢰성)이다. 두 질문 모두 "결함이 어디에, 언제 생기는가"를 확률로 묻는다. 아래 칩 200개는 같은 공정에서 나왔지만 저마다 다른 시각에 죽는다. 누가 먼저 죽을지는 모르지만, 몇 %가 언제까지 살아 있을지는 분포 하나로 정확히 말할 수 있다. 흰 원을 끌어 와이블 모양 모수 β를 바꾸면 같은 칩들이 "일찍 죽는 무리", "아무 때나 죽는 무리", "늙어서 한꺼번에 죽는 무리"로 바뀐다. 이 장에서는 수명 자료를 분포로 요약하고, 끝나지 않은 시험에서 모수를 추정하고, 온도를 올려 시간을 빨리 감고, 웨이퍼 위 결함 지도로 수율을 예측한다.
- 신뢰도 함수 \(R(t)\), 누적 분포 함수 \(F(t)\), 밀도 \(f(t)\), 고장률 \(h(t)\), 누적 고장률 \(H(t)\)를 서로 바꾸어 쓰고, MTTF·FIT·조건부 신뢰도를 계산한다.
- 욕조 곡선을 약한 부분 모집단(혼합)과 여러 고장 메커니즘(경쟁 위험)으로 분해하고, 지수·와이블·로그 정규 수명의 고장률 모양을 비교한다.
- 중앙 순위로 와이블 확률지를 그려 직선 회귀와 최대 가능도로 \(\beta\), \(\eta\), B10 수명을 추정한다.
- 중도 절단 자료를 버리면 생기는 편향을 확인하고, 카플란–마이어 추정량과 중도 절단 MLE로 바르게 추정한다.
- 아레니우스·멱법칙 가속 계수로 시험 시간을 사용 시간으로 바꾸고, 카이제곱 상한으로 FIT를 보증하는 HTOL 시험을 설계한다.
- 번인 시간이 초기 고장률과 수명 소모 사이에서 정해지는 원리를 이해하고, 직렬·병렬·대기 계통의 신뢰도를 시간의 함수로 계산한다.
- 포아송·머피·시즈·음이항 수율 모형을 결함 밀도의 분포로 유도하고, 결함 군집과 다이 면적이 수율과 웨이퍼당 양품 다이 수를 어떻게 바꾸는지 계산한다.
신뢰도 함수와 고장률
소자의 수명 \(T\)는 0 이상의 연속 확률 변수다. 5장에서 수명의 누적 분포 함수 \(F(t) = P(T \le t)\)는 "\(t\)까지 고장 날 확률"이었다. 신뢰성 공학은 반대쪽을 본다. 시각 \(t\)까지 살아 있을 확률
밀도 \(f(t) = F'(t) = -R'(t)\)는 "처음 모집단 가운데 \(t\) 근처에서 단위 시간당 죽는 비율"이다. 그런데 엔지니어가 궁금한 것은 대개 다른 질문이다. 지금까지 살아남은 칩이 다음 한 시간 안에 죽을 확률은 얼마인가? 분모를 처음 모집단에서 살아남은 무리로 바꾼 이 양이 고장률(hazard rate, failure rate)이다.
- 같은 공정의 소자 1000개로 수명 시험을 시작한다.
- 2000 h에 800개가 살아 있다. 신뢰도 \(R(2000) \approx 0.8\)이다.
- 다음 100 h에 16개가 죽었다. 처음 1000개 기준으로 나누면 밀도, 지금 살아 있는 800개 기준으로 나누면 고장률이다. 고장률이 늘 더 크다(\(h = f/R \ge f\)).
- \(h = f/R = -R'/R = -(\ln R)'\)이므로 적분하면 \(R(t) = e^{-H(t)}\)이다. 고장률 곡선 하나가 수명 분포 전체를 정한다.
\(h = -(\ln R)'\)라는 관계 덕분에 고장률은 수명 분포를 고르는 가장 좋은 렌즈가 된다. 고장률이 일정하면 \(H = \lambda t\), \(R = e^{-\lambda t}\)로 지수 분포이고, \(h \propto t^{\beta-1}\)이면 \(H = (t/\eta)^\beta\)로 와이블 분포다. 평균 수명은 \(E[T] = \int_0^\infty R(t)\,dt\)로, 부분 적분으로 얻는다. 수리하지 않는 소자의 평균 수명을 평균 고장 시간(mean time to failure, MTTF)이라 한다.
어떤 수명 분포에서 \(R(t) = 0.5\)가 되는 시각(중앙 수명)을 골랐다. 이 시각에서 밀도 \(f(t)\)와 고장률 \(h(t)\)는 어떤 관계일까?
신뢰도의 네 얼굴
고장률을 자료에서 직접 재는 방법이 생명표다. 시간을 같은 폭 \(\Delta\)로 나누고, 구간 \(i\)가 시작될 때 살아 있는 소자 수 \(n_i\)와 그 구간에서 죽은 수 \(d_i\)로 \(\hat h_i = d_i/(n_i\Delta)\)를 계산한다. 앞쪽 구간은 \(n_i\)가 커서 추정이 안정하지만, 뒤로 갈수록 살아 있는 소자가 줄어 막대가 크게 흔들린다.
고장률은 "이미 살아남았다"는 조건을 품은 양이다. 그래서 오래 쓴 소자가 앞으로 얼마나 버틸지를 묻는 조건부 신뢰도(conditional reliability)
는 \(t\)에서 \(t+s\)까지의 고장률 넓이로 정해진다. 고장률이 줄어드는 소자는 나이를 먹을수록 더 믿을 만해지고, 고장률이 느는 소자는 덜 믿을 만해진다. 일정하면 나이와 상관없다(5장의 무기억성).
수명이 와이블 \(\beta\) = 2.0, \(\eta\) = 50인 소자가 이미 20를 버텼다. 다음 10를 더 버틸 확률은 이고, 같은 기간을 새 소자가 버틸 확률은 이다. 지금 고장률은 이다.
어떤 컨트롤러 칩의 고장률이 사용 조건에서 일정하게 50 FIT이다. (가) 10년(87,600 h) 신뢰도, (나) MTTF, (다) 이 칩 100만 개를 출하했을 때 10년 동안의 기대 고장 수를 구하라.
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수명이 \(\mathrm{Weibull}(\beta = 2, \eta = 50{,}000\ \text{h})\)인 소자가 있다. (가) 20,000 h 신뢰도, (나) 20,000 h를 버틴 소자가 10,000 h를 더 버틸 확률, (다) 20,000 h에서의 고장률(FIT)을 구하라.
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수명 분포와 욕조 곡선
5장에서 세 수명 분포를 만났다. 일정한 고장률의 지수 분포, 고장률이 \(t^{\beta-1}\)로 변하는 와이블 분포, 로그를 취하면 정규인 로그 정규 분포다. 실제 제품의 고장률은 어느 하나로도 그려지지 않는다. 출하 직후에는 높다가 내려가고, 오랫동안 낮고 평평하다가, 수명 끝에서 다시 오른다. 이 모양이 욕조 곡선(bathtub curve)이고, 세 구간을 초기 고장(infant mortality), 우발 고장(random failure), 마모 고장(wear-out)이라 한다.
욕조 곡선은 분포 하나가 아니라 두 가지 조립 방식의 결과다. 칩 하나 안에 고장 메커니즘이 여럿 있고(산화막 TDDB, 배선 EM, 트랜지스터 BTI …) 그중 가장 먼저 일어나는 것이 칩을 죽이면, 수명은 메커니즘별 수명의 최솟값이다. 이것이 경쟁 위험(competing risks)이다. 한편 출하된 칩 가운데 일부는 처음부터 잠재 결함(얇은 산화막, 금이 간 비아)을 품은 약한 부분 모집단(weak subpopulation)이다. 이것은 두 모집단이 섞인 혼합 분포다.
먼저 혼합이 왜 "내려가는" 고장률을 만드는지 보자. 두 무리 모두 고장률이 일정한 지수 분포라도, 섞이면 고장률이 줄어든다. 초기에는 약한 무리가 많이 살아 있어 평균 고장률이 높지만, 그들이 먼저 빠지면서 살아남은 무리의 구성이 정상 쪽으로 바뀌기 때문이다. 개별 칩이 "좋아지는" 것이 아니라 생존자 구성이 바뀐다.
고장률이 일정한 두 무리를 섞었다: 정상 칩(λ = 1)과 약한 칩 5%(λ = 20). 섞인 모집단의 고장률 \(h(t)\)는 시간에 따라 어떻게 될까?
실제 제품은 혼합과 경쟁 위험이 겹친다. 출하된 칩의 작은 비율 \(p\)가 잠재 결함을 품고(초기 고장), 모든 칩이 우발적인 외부 스트레스(고장률 \(\lambda\))와 마모 메커니즘(와이블 \(\beta_o > 1\))을 함께 겪는다고 하면
이다. 경쟁 위험이라 세 항이 더해진다. 고장률은 여러 자릿수에 걸쳐 변하므로 신뢰성 엔지니어는 욕조 곡선을 양 로그 눈금으로 그린다. 그러면 와이블 항은 기울기 \(\beta - 1\)인 직선이 된다.
욕조 곡선 조립하기
메커니즘마다 맞는 분포가 다르다는 것도 기억하자. 5장에서 본 대로 산화막 TDDB처럼 "가장 약한 곳이 먼저 뚫리는" 고장은 와이블, 배선 EM처럼 여러 요인이 곱해져 서서히 자라는 고장은 로그 정규가 관례다. 두 분포는 중앙값 근처에서는 비슷해도 낮은 분위수에서 크게 갈린다. 보증은 바로 그 낮은 분위수(0.1%, 0.01%)에서 하므로, 분포 선택이 곧 보증 수명의 선택이다.
시험 자료에서 중앙 수명 \(t_{50}\) = 40, 10% 수명 \(t_{10}\) = 20을 얻었다. 두 점을 지나는 로그 정규 분포(σ = )는 0.1% 수명을 으로, 같은 두 점을 지나는 와이블 분포(β = )는 으로 예측한다.
어떤 칩의 산화막 TDDB 수명은 \(\mathrm{Weibull}(\beta = 1.5, \eta = 300\text{년})\), 배선 EM 수명은 \(t_{50} = 60\)년, \(\sigma = 0.5\)인 로그 정규 분포를 따르고, 둘은 독립이다. 칩은 둘 중 먼저 일어나는 고장으로 죽는다. 10년 안에 칩이 고장 날 확률과 10년 시점의 메커니즘별 고장률(FIT)을 구하라.
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와이블 확률지와 모수 추정
수명 시험에서 고장 시각 몇 개를 얻었다. 이 자료가 와이블 분포를 따르는지, 따른다면 \(\beta\)와 \(\eta\)가 얼마인지 어떻게 알까? 와이블 누적 분포 함수 \(F = 1 - e^{-(t/\eta)^\beta}\)를 두 번 로그 취하면 직선이 된다.
문제는 각 고장 시각의 \(F\)를 무엇으로 찍느냐다. \(n\)개 중 \(i\)번째로 빠른 고장 시각 \(t_{(i)}\)에 \(i/n\)을 쓰면 마지막 점이 \(F = 1\)이 되어 세로 눈금 밖(무한대)으로 나간다. \(F(T_{(i)})\)는 8장의 순서 통계량으로 \(\mathrm{Beta}(i, n-i+1)\) 분포를 따르므로, 그 중앙값을 쓰는 것이 자연스럽다. 그 근사가 베르나르의 중앙 순위(median rank)다.
- 고장 시각을 작은 것부터 정렬해 순위 \(i\)를 매긴다.
- 순위마다 베르나르 중앙 순위 \(\hat F_i = (i-0.3)/(n+0.4)\)를 계산한다.
- \(x = \ln t_{(i)}\), \(y = \ln[-\ln(1-\hat F_i)]\)로 바꾸어 찍는다. 와이블이면 점들이 거의 일직선이다.
- \(y\)를 \(x\)에 회귀한 직선의 기울기가 \(\hat\beta\), \(y = 0\)이 되는 \(t\)가 \(\hat\eta\)다. 이 방법을 중앙 순위 회귀(RRY)라 한다.
점들에 직선을 맞추는 방법은 두 가지다. 중앙 순위 회귀(rank regression on Y, RRY)는 13장의 최소 제곱으로 \(y\)를 \(x\)에 회귀한다. 그림으로 보여 주기 좋고 계산이 쉽다. 최대 가능도는 9장의 방법대로 \(\ell(\beta, \eta) = \sum[\ln f(t_i)]\)를 최대로 하는 값으로, \(\beta\)는 방정식
확률지에서 바로 읽는 대표 수명이 B10 수명(B10 life), 곧 10%가 고장 나는 시각 \(t_{0.10} = \eta(-\ln 0.9)^{1/\beta}\)다. 베어링 산업에서 나온 이름이고, 반도체에서는 0.1%나 0.01% 분위수를 더 자주 쓴다.
와이블 확률지 — 점을 끌고 직선을 맞히기
시험 하나에서 얻은 \(\hat\beta\)는 얼마나 믿을 만할까? 시험을 수천 번 반복하는 것은 컴퓨터만 할 수 있다. 참값이 \(\beta = 2\)인 모집단에서 \(n\)개짜리 시험을 거듭해 두 추정량의 표본 분포를 쌓아 보자.
소자 6개를 가속 조건에서 모두 고장 날 때까지 시험해 고장 시각 150, 280, 390, 520, 700, 1050 h를 얻었다. 중앙 순위 회귀로 \(\beta\), \(\eta\), B10 수명을 구하라.
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중도 절단 자료
9장에서 본 대로 수명 시험은 모든 소자가 죽을 때까지 기다리지 않는다. 정해진 시각 \(t_c\)에 끝내는 정시 중도 절단(Type I censoring)과 \(r\)번째 고장에서 끝내는 정수 중도 절단(Type II censoring)이 대표적이고, 현장 반품 자료처럼 소자마다 관찰이 끝나는 시각이 다른 다중 중도 절단도 흔하다. 살아남은 소자를 신뢰성 분야에서는 정지(suspension)라 부른다. 정지는 "적어도 이만큼은 산다"는 정보다. 이 정보를 버리면 어떻게 될까?
소자 20개를 600 h에 시험을 끝냈더니 7개가 고장 나고 13개가 살아 있다. 고장 7개만으로 와이블 \(\eta\)를 추정하면 참값(1000 h)에 비해 어떻게 나올까?
정지를 버리면 생기는 편향
정지를 바르게 쓰는 가장 직관적인 방법이 카플란–마이어 추정량(Kaplan–Meier estimator)이다. 고장이 일어난 시각 \(t_{(j)}\)마다 그 직전에 살아 있던(위험에 노출된) 소자 수 \(n_j\)와 그때 고장 수 \(d_j\)로 조건부 생존 확률 \(1 - d_j/n_j\)를 곱해 나간다.
카플란–마이어 곡선 만들기
현장에서 회수한 모듈 8개의 기록(h)이 90(고장), 160(고장), 160(정지), 230(고장), 300(정지), 410(고장), 520(정지), 600(정지)이다. 카플란–마이어 \(\hat R(t)\)를 구하고 \(\hat R(450)\)을 답하라.
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가속 수명 시험과 FIT
사용 조건에서 칩의 중앙 수명은 수십 년이다. 시험실에서 수십 년을 기다릴 수는 없으니 온도·전압·습도를 높여 고장 메커니즘을 빨리 돌린다. 이것이 가속 수명 시험(accelerated life test, ALT)이다. 전제는 스트레스가 메커니즘은 그대로 두고 시간 눈금만 줄인다는 것이다. 그러면 스트레스 조건의 수명 \(t_s\)와 사용 조건의 수명 \(t_u\) 사이에 가속 계수(acceleration factor) \(\mathrm{AF} = t_u/t_s\)가 성립하고, 와이블이라면 \(\beta\)는 같고 \(\eta\)만 AF배로 바뀐다.
온도 가속의 기본 모형은 화학 반응 속도의 아레니우스 모형(Arrhenius model)이다. 고장 반응의 속도가 \(e^{-E_a/kT}\)에 비례하면 수명은 그 역수에 비례하므로
활성화 에너지 \(E_a\) = 0.70인 메커니즘을 사용 온도 55에서 125로 올려 시험하면 가속 계수는 다. 시험 1000은 사용 조건의 에 해당한다.
가속 계수는 \(E_a\)에 지수적으로 민감하다. \(E_a\)를 0.1 eV 틀리면 AF가 두세 배 달라진다. 그래서 \(E_a\)를 가정하지 않고 자료에서 추정하려면 세 온도 이상에서 시험해 아레니우스 그림의 기울기를 회귀로 구한다. 시험 온도를 어디에 두느냐가 외삽의 정밀도를 좌우한다.
전압 가속에는 경험식을 쓴다. TDDB·HCI처럼 전계가 메커니즘을 직접 구동하는 경우 역멱법칙(inverse power law) \(t \propto V^{-n}\), 곧 \(\mathrm{AF}_V = (V_s/V_u)^n\)이나 지수형 E 모형 \(\mathrm{AF} = e^{\gamma(E_s - E_u)}\)을 쓴다. 습도가 끼면 펙 모형 \(\mathrm{AF} = (\mathrm{RH}_s/\mathrm{RH}_u)^{n}\times\mathrm{AF}_{\text{아레니우스}}\)를 쓴다. 스트레스가 독립적으로 작용한다고 보면 가속 계수는 곱해진다.
동작 전압 1.00인 산화막을 1.40에서 시험한다. 전압 지수 \(n\) = 30이면 \(\mathrm{AF}_V = (V_s/V_u)^n\) = 이고, 125 °C/55 °C 온도 가속(0.7 eV, 77.6배)과 겹치면 전체 가속 계수는 , 시험 168 h가 사용 조건 에 해당한다.
가속 계수가 정해지면 고장률을 보증할 차례다. 반도체 신뢰성 시험의 단위는 FIT(failures in time)로, 소자 \(10^9\)개를 한 시간 돌릴 때(또는 한 개를 \(10^9\)시간 돌릴 때) 기대 고장 수다. 1 FIT = \(10^{-9}\)/h, MTTF로는 약 11만 4천 년이다. 사용 조건 고장률이 일정하고(지수), 소자 \(N\)개를 스트레스 조건에서 \(t\)시간 시험해 \(r\)개가 고장 났다면, 등가 소자·시간 \(T = N t\,\mathrm{AF}\)를 써서 고장률의 단측 상한은
소자 1000개를 사용 조건(가속 없음)에서 1000 h 돌려 하나도 고장 나지 않았다. 60% 신뢰 수준의 FIT 상한은 대략 얼마일까?
HTOL 시험 설계 — 10 FIT를 가장 싸게 보증하기
3개 로트에서 77개씩, 모두 231개를 125 °C에서 1000 h 고온 동작 시험(HTOL)했다. 사용 온도 55 °C, \(E_a = 0.7\) eV로 가정한다. (가) 가속 계수와 등가 소자·시간, (나) 고장이 0개일 때 60% 신뢰 FIT 상한, (다) 고장이 1개였다면?
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번인: 약한 칩 미리 걸러 내기
욕조 곡선의 왼쪽 벽은 고객에게 가장 비싸다. 출하 첫해에 죽는 칩은 시스템을 세우고 반품과 분석 비용을 부른다. 그래서 출하 전에 칩을 고온·고전압에서 몇 시간에서 며칠 돌려 약한 칩을 공장 안에서 미리 죽인다. 이것이 번인(burn-in)이다. 번인을 거친 칩의 출하 후 첫 기간 고장 비율을 초기 고장률(early life failure rate, ELFR)이라 부르고 ppm으로 관리한다.
번인 \(t_b\)시간은 가속 계수 AF를 곱해 사용 조건의 \(t_e = \mathrm{AF}\,t_b\)시간을 미리 산 것과 같다. 번인을 통과한 칩은 조건부 신뢰도의 식대로 \(t_e\)부터 수명을 시작한다.
번인이 고장률이 줄어드는 구간(β < 1)에서만 이득이라는 점이 핵심이다. 약한 무리를 거의 다 걸러 낸 뒤에도 번인을 계속하면 정상 칩의 수명만 깎는다. 마모 메커니즘(β > 1)이 있으면 번인이 길수록 출하 후 고장이 오히려 늘어난다.
번인 시간을 0에서 점점 늘리면 출하 후 1년 고장(ELFR)은 어떻게 될까?
번인 시간 정하기 — ELFR 250 ppm을 가장 짧게
출하 전 칩의 2000가 \(\mathrm{Weibull}(\beta_{\text{약}}\) = 0.50, \(\eta_{\text{약}}\) = 500\()\)인 약한 칩이다. 가속 계수 78배 조건에서 24 번인하면 사용 조건 을 산 셈이고, 약한 칩은 만 남는다(제거율 ).
계통 신뢰도
3장에서 독립 부품의 직렬 계통은 신뢰도를 곱하고, 병렬 계통은 실패 확률을 곱한다는 것을 배웠다. 그때는 신뢰도가 고정된 숫자였다. 이제 각 부품의 신뢰도가 시간의 함수 \(R_i(t)\)이므로 계통 신뢰도도 시간의 함수가 된다. 고장률이 일정한(지수) 부품 \(n\)개의 직렬 계통은
서버 보드에 40개의 칩이 있고 칩 하나의 고장률이 20, 땜 접합 5000개는 각각 0.10이다. 보드 고장률은 , MTTF는 , 5년 신뢰도는 이다.
병렬(중복) 계통은 사정이 다르다. 같은 지수 부품 두 개를 능동 병렬로 두면 \(R(t) = 1 - (1 - e^{-\lambda t})^2 = 2e^{-\lambda t} - e^{-2\lambda t}\)이고, 이것은 지수 분포가 아니다. 처음에는 둘 다 살아 있어 계통 고장률이 0에 가깝고, 하나가 죽고 나면 남은 하나의 고장률 \(\lambda\)로 다가간다. 중복은 고장률을 "증가형"으로 바꾼다. 평균 수명은
실제 시스템은 직렬 단계마다 중복 수준이 다르다. 각 단계의 중복을 바꾸며 시스템 수명 분포가 어떻게 바뀌는지, 그리고 계산이 맞는지 시스템 수백 대를 가상으로 돌려 확인해 보자.
중복 설계 블록 만들기
메모리는 부품 수준이 아니라 비트 수준에서 \(k\)-out-of-\(n\)을 쓴다. 72비트 워드에 오류 정정 부호(ECC)를 붙이면 64비트 데이터 가운데 비트 하나가 틀려도 고칠 수 있어, 워드는 "72개 중 71개 이상 정상"이면 산다. 소프트 에러와 비트 마모가 비트마다 독립이고 드물면 워드 고장 확률은 비트 고장 확률의 제곱에 비례하게 떨어진다(MemoryBook · 신뢰성과 오류 정정).
MTTF 10,000 h(지수)인 전원 모듈로 (가) 단독, (나) 두 개 능동 병렬, (다) 두 개 대기 중복(완벽 전환), (라) 세 개 중 두 개 이상 필요(2-out-of-3)를 구성했다. 5000 h 신뢰도와 MTTF를 비교하라.
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수율 모형과 결함 군집
이제 시간을 멈추고 웨이퍼 위의 공간을 보자. 4장에서 결함이 웨이퍼 위에 고르게, 독립적으로 떨어지면 다이 하나의 결함 수가 \(\mathrm{Poisson}(\lambda = D_0A)\)이고 수율은 결함이 하나도 없을 확률 \(Y = e^{-D_0A}\)라는 것을 보았다. 여기서 \(D_0\)는 결함 밀도(defect density)(개/cm²), \(A\)는 다이 면적이다. 정확히는 결함 하나가 떨어져서 다이를 죽이는 넓이, 곧 임계 면적(critical area) \(A_c\)를 써야 한다.
그런데 실제 웨이퍼에서는 포아송 모형이 큰 다이의 수율을 늘 비관적으로 예측한다. 결함이 고르게 떨어지지 않고 결함 군집(defect clustering)을 이루기 때문이다. 입자는 장비의 특정 부분에서 한꺼번에 떨어지고, 스크래치는 줄지어 생기고, 웨이퍼 가장자리는 결함이 많다. 결함이 몰린 다이는 어차피 죽은 다이이므로, 같은 수의 결함이 더 적은 다이를 죽인다.
웨이퍼 전체의 평균 결함 밀도 \(D_0\)가 같을 때, 결함이 고르게 흩어진 웨이퍼와 몇 곳에 뭉친 웨이퍼 중 어느 쪽 수율이 높을까?
웨이퍼 결함 지도와 수율 모형
군집을 모형에 넣는 방법은 우아하다. 다이마다 결함 밀도 \(D\) 자체가 확률 변수라고 보는 것이다. 주어진 \(D\)에서 결함 수는 포아송이니 수율은 \(e^{-DA}\)이고, 이것을 \(D\)의 분포 \(g(D)\)로 평균하면 된다.
수율 모형은 거꾸로도 쓴다. 측정한 수율과 다이 면적에서 결함 밀도를 역산해 라인끼리, 제품끼리 결함 수준을 비교한다. 이때 어떤 모형을 쓰느냐에 따라 \(D_0\)가 달라지므로 비교는 같은 모형끼리 해야 한다.
면적 1.5인 다이의 수율이 70이다. 포아송 모형으로 역산한 결함 밀도는 , 군집 모수 α = 2.0인 음이항 모형으로는 이다. 같은 공정으로 면적 4.0인 다이를 만들면 포아송은 , 음이항은 을 예측한다.
수율은 결국 돈이다. 웨이퍼 한 장에서 나오는 양품 다이 수는 웨이퍼에 들어가는 다이 수와 수율의 곱이다. 지름 \(d\)인 웨이퍼에 넓이 \(S\)인 정사각형 다이는 대략
칩렛 분할 게임 — 시스템 한 개당 비용 최소화
새 공정의 결함 밀도는 시간이 지나며 줄어든다. 결함 원인을 하나씩 찾아 없애는 과정이라 감소 속도는 처음에 빠르고 점점 느려진다. 흔히 \(D_0(t) = D_\infty + (D_{\text{시작}} - D_\infty)e^{-t/\tau}\)처럼 지수 감쇠로 그리는 이 곡선이 수율 학습 곡선(yield learning curve)이다.
(가) \(D_0 = 0.3\)/cm², 다이 면적 1.5 cm²일 때 포아송·머피·시즈·음이항(α = 2) 수율을 구하라. (나) 이 다이의 실제 수율이 70%였다면 포아송과 음이항(α = 2) 모형으로 역산한 \(D_0\)는?
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핵심 정리
- 신뢰도 \(R = 1 - F\), 밀도 \(f = -R'\), 고장률 \(h = f/R\)(생존자 기준), 누적 고장률 \(H = \int h\), \(R = e^{-H}\). 넷 중 하나가 나머지를 정한다. MTTF \(= \int_0^\infty R\,dt\), 조건부 신뢰도 \(R(s\mid t) = R(t+s)/R(t)\). 1 FIT = \(10^{-9}\)/h.
- 욕조 곡선 = 약한 부분 모집단의 혼합(초기 고장, 감소 고장률) + 경쟁 위험(우발 λ + 마모 β > 1). 경쟁 위험은 고장률이 더해지고, 혼합은 신뢰도가 가중 평균된다. 지수 분포끼리 섞어도 고장률은 감소한다.
- 와이블 확률지: \(x = \ln t\), \(y = \ln[-\ln(1-\hat F)]\), 중앙 순위 \(\hat F_i = (i-0.3)/(n+0.4)\). 기울기가 \(\beta\), \(F = 63.2\%\)의 시각이 \(\eta\), B10 \(= \eta(-\ln0.9)^{1/\beta}\). 작은 표본에서 \(\hat\beta\)는 크게 흔들리고 MLE는 위로 치우친다.
- 정지(중도 절단된 소자)를 버리거나 고장으로 치면 수명을 과소 추정한다. 카플란–마이어 \(\hat R(t) = \prod(1 - d_j/n_j)\)와 중도 절단 MLE(\(\sum t_i^\beta\)에 정지 포함, 분모는 고장 수 \(r\))를 쓴다.
- 아레니우스 \(\mathrm{AF} = \exp[\frac{E_a}{k}(\frac1{T_u} - \frac1{T_s})]\), 전압 멱법칙 \((V_s/V_u)^n\), 가속은 곱한다. FIT 상한 \(\lambda_U = \chi^2_{1-\mathrm{CL},2r+2}/(2NtA_F)\), 0 고장 60%면 \(0.916/T\).
- 번인은 사용 조건 \(t_e = \mathrm{AF}\,t_b\)를 미리 사는 것이다. ELFR \(= 1 - R(t_e + t_1)/R(t_e)\)는 약한 칩이 빠지는 동안 줄고, 마모 수명을 깎기 시작하면 다시 는다. 직렬 계통은 FIT를 더하고, 중복은 고장률을 증가형으로 바꾸며, 능동 \(n\)중 MTTF \(= \frac1\lambda\sum_{k\le n}\frac1k\), 대기 \(n/\lambda\).
- 수율 \(Y = E[e^{-DA}]\): 포아송 \(e^{-D_0A}\), 머피 \(((1-e^{-D_0A})/D_0A)^2\), 시즈 \(1/(1+D_0A)\), 음이항 \((1 + D_0A/\alpha)^{-\alpha}\). 결함이 뭉칠수록(α 작을수록) 같은 \(D_0\)에서 수율이 높다. 양품 다이 = DPW × Y.
연습문제
1년은 8760 h, 볼츠만 상수 \(k = 8.617\times10^{-5}\) eV/K로 계산한다. 카이제곱 분위수(상위 꼬리): \(\chi^2_{0.4,2} = 1.833\), \(\chi^2_{0.4,4} = 4.045\), \(\chi^2_{0.1,2} = 4.605\), \(\chi^2_{0.1,4} = 7.779\). 웨이퍼당 다이 수는 \(\lfloor\pi d^2/4S - \pi d/\sqrt{2S}\rfloor\)로 계산한다.
소자의 신뢰도가 \(R(t) = e^{-(t/1000)^2}\)(t는 h)이다. 500 h에서의 고장률 \(h(500)\)은?
\(h(t) = \frac{d}{dt}(t/1000)^2 = 2t/10^6\). \(h(500) = 1.00\times10^{-3}\)/h. 와이블 \(\beta = 2\), \(\eta = 1000\) h의 \(\frac{\beta}{\eta}(t/\eta)^{\beta-1} = 0.002\times0.5\)와 같다.
고장률이 일정하게 200 FIT인 칩 100만 개가 1년(8760 h) 동안 동작하면 기대 고장 수는?
\(10^6\times(1 - e^{-200\times10^{-9}\times8760}) = 10^6\times(1 - e^{-0.001752}) = 1750\)개. \(\lambda t\)가 작아 \(10^6\times0.001752 = 1752\)로 어림해도 된다.
수명이 \(\mathrm{Weibull}(\beta = 1.8, \eta = 12{,}000\ \text{h})\)인 펌프 베어링의 B10 수명과 5000 h 신뢰도를 구하라.
B10 \(= 12000\times(-\ln0.9)^{1/1.8} = 12000\times0.10536^{0.5556} = 3437\) h. \(R(5000) = e^{-(5000/12000)^{1.8}} = e^{-0.2068} = 0.813\).
소자 10개를 모두 고장 날 때까지 시험했다. 세 번째 고장의 베르나르 중앙 순위 \(\hat F_3\)와 와이블 확률지 세로 좌표 \(y_3 = \ln[-\ln(1-\hat F_3)]\)를 구하라.
\(\hat F_3 = (3 - 0.3)/(10 + 0.4) = 0.2596\). \(y_3 = \ln(-\ln 0.7404) = \ln 0.3006 = -1.202\).
와이블 확률지에 그은 직선이 \(F = 10\%\)에서 200 h, \(F = 63.2\%\)에서 1000 h를 지난다. 모양 모수 \(\beta\)는?
\(y(10\%) = \ln(-\ln0.9) = -2.250\), \(y(63.2\%) = 0\). \(\beta = (0 - (-2.250))/(\ln1000 - \ln200) = 2.250/1.609 = 1.40\). \(\eta = 1000\) h.
\(E_a = 0.7\) eV인 메커니즘을 사용 온도 55 °C 대신 125 °C에서 시험한다. 가속 계수와, 시험 1000 h가 사용 조건 몇 년에 해당하는지 구하라.
\(\mathrm{AF} = \exp\big[\frac{0.7}{8.617\times10^{-5}}\big(\frac1{328.15} - \frac1{398.15}\big)\big] = e^{4.352} = 77.6\). \(1000\times77.6 = 77{,}645\) h \(= 8.86\)년.
소자 500개를 가속 계수 80인 조건에서 2000 h 시험해 고장이 하나도 없었다. 60%와 90% 신뢰 수준의 FIT 상한을 구하라.
\(T = 500\times2000\times80 = 8\times10^7\) 소자·시간. 60%: \(1.833/(1.6\times10^8) = 1.145\times10^{-8}\)/h = 11.5 FIT. 90%: \(4.605/(1.6\times10^8) = 2.88\times10^{-8}\)/h = 28.8 FIT.
사용 조건 55 °C에서 10 FIT 이하를 90% 신뢰로 보증하려 한다. 125 °C(\(E_a = 0.7\) eV)에서 1000 h 시험하고 고장 0개를 허용할 때 필요한 최소 시료 수는?
\(T = 4.605/(2\times10^{-8}) = 2.303\times10^8\) 소자·시간. AF = 77.6이므로 실제 소자·시간은 \(2.303\times10^8/77.65 = 2.966\times10^6\), \(N = 2.966\times10^6/1000 = 2965.5\) → 2966개. 고장 1개까지 허용하려면 \(\chi^2_{0.1,4} = 7.779\)로 약 5010개가 필요하다.
소자 10개를 500 h까지 시험해 180, 320, 410 h에 고장 나고 7개는 살아 있었다. 같은 메커니즘의 과거 자료로 \(\beta = 2\)를 안다고 할 때 \(\eta\)의 최대 가능도 추정값은?
\(\sum t_i^2 = 180^2 + 320^2 + 410^2 + 7\times500^2 = 2{,}052{,}900\), \(r = 3\). \(\hat\eta = \sqrt{2052900/3} = 827\) h. 정지를 빼고 고장 3개만 쓰면 \(\sqrt{302900/3} = 318\) h로 터무니없이 작아진다.
모듈 6개의 기록(h)이 50(고장), 80(정지), 120(고장), 120(고장), 200(정지), 260(고장)이다. 카플란–마이어 추정값 \(\hat R(150)\)은?
50 h: \(n = 6\), \(5/6\). 80 h 정지로 \(n = 4\). 120 h: \(d = 2\), \(n = 4\), \(\hat R = \frac56\times\frac24 = 0.417\). 150 h까지 다른 고장이 없으므로 \(\hat R(150) = 0.417\).
\(D_0 = 0.4\)/cm², 다이 면적 2 cm²이다. 포아송 수율과 군집 모수 α = 1.5인 음이항 수율을 구하라.
\(D_0A = 0.8\). 포아송 \(e^{-0.8} = 0.449\). 음이항 \((1 + 0.8/1.5)^{-1.5} = 1.5333^{-1.5} = 0.527\). 군집을 고려하면 수율이 8%p 높게 예측된다.
300 mm 웨이퍼, \(D_0 = 0.2\)/cm²인 공정에서 시즈 모형을 쓴다. 다이 면적이 100 mm²일 때와 200 mm²일 때 웨이퍼당 기대 양품 다이 수를 구하라.
100 mm²: DPW \(= \lfloor 706.9 - 66.6\rfloor = 640\), \(Y = 1/(1 + 0.2\times1) = 0.833\), 양품 533개. 200 mm²: DPW \(= \lfloor353.4 - 47.1\rfloor = 306\), \(Y = 1/1.4 = 0.714\), 양품 219개. 면적을 두 배로 하면 양품 수는 절반보다 더 줄어(41%) 다이 원가가 2.4배가 된다.
출하 전 칩의 2000 ppm이 \(\mathrm{Weibull}(\beta = 0.5, \eta = 500\ \text{h})\)(사용 조건)인 약한 칩이다. 125 °C에서 24 h 번인한다(\(E_a = 0.7\) eV, 사용 55 °C). 번인 뒤 남은 약한 칩은 처음 모집단의 몇 ppm인가?
AF = 77.6이므로 \(t_e = 24\times77.6 = 1863\) h. \(R_{\text{약}}(1863) = e^{-\sqrt{1863/500}} = e^{-1.931} = 0.145\). 남은 약한 칩 \(2000\times0.145 = 290\) ppm. 약한 칩의 85%를 걸렀지만 290 ppm이 남는다. β가 작을수록 꼬리가 길어 다 걸러 내기 어렵다.
고장률 \(2\times10^{-4}\)/h인 지수 부품 3개로 (가) 하나만 살아도 되는 능동 병렬, (나) 둘 이상 살아야 하는 2-out-of-3 계통을 만든다. 각각의 MTTF는?
(가) \(\frac1\lambda(1 + \frac12 + \frac13) = 5000\times1.833 = 9167\) h. (나) \(\frac1\lambda(\frac12 + \frac13) = 5000\times0.833 = 4167\) h.
출하 후 반품 자료를 와이블 확률지에 그렸더니 기울기가 0.4였다. 이 고장은 욕조 곡선의 어느 구간이며 어떤 대책이 맞는가?
\(\beta < 1\)이면 고장률이 시간에 따라 줄어드는 초기 고장이다. 잠재 결함을 품은 약한 부분 모집단이 원인이므로 번인·고전압 스트레스로 출하 전에 걸러 내는 것이 맞다. 마모(\(\beta > 1\))에 번인을 하면 오히려 수명을 깎는다.
같은 \(D_0\)와 다이 면적에서 수율을 가장 높게 예측하는 모형은?
수율 \(E[e^{-DA}]\)는 \(D\)의 분포가 퍼질수록 크다. 퍼짐 순서는 점(포아송) < 삼각(머피) < 감마 α = 2 < 지수(시즈, 음이항 α = 1과 같음)이므로 시즈가 가장 높다. 예제 17.8에서 0.638 < 0.648 < 0.666 < 0.690이었다.
개념 확인 퀴즈
같은 시각에서 밀도 \(f(t)\)와 고장률 \(h(t)\)를 비교하면?
고장률이 일정한 칩들인데 반품 자료의 고장률이 시간에 따라 줄어든다. 가장 그럴듯한 설명은?
와이블 확률지에서 앞쪽 점들은 완만하고 뒤쪽 점들은 가파르게 꺾여 보인다(두 직선). 무엇을 의심해야 할까?
HTOL에서 고장이 0개였다. 고장률에 대해 옳은 말은?
결함 군집을 무시하고 포아송 모형으로 큰 다이의 수율을 예측하면?