테스트메이션 - BGA Package OPEN / SHORT Test System

Author(s):
김유철 대표이사/연구소장 - 테스트메이션㈜

Industry:
Electronics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
짧은 기간 내에 개발을 완료해야 했으므로 시험측정 시스템 소프트웨어 개발에 최적화되어 있는 LabVIEW를 이용하여 빠른 시간 내에 개발하게 되었다.

The Solution:
BGA(Ball Grid Array) 패키지의 생산 과정에서 발생할 수 있는 패키지 내부 회로선의 오픈, 쇼트 및 적정 저항값 상태를 정밀하고, 빠르게 시험 평가하는 시스템이다.

요약
BGA(Ball Grid Array) 패키지의 생산 과정에서 발생할 수 있는 패키지 내부 회로선의 오픈, 쇼트 및 적정 저항값 상태를 정밀하고, 빠르게 시험 평가하는 시스템이다. 양호/불량 상태를 실시간으로 판독할 뿐만 아니라 시스템 운용자로 하여금 시각적으로 시험 과정을 관찰할 수 있도록 각 볼의 위치도와 함께 양호/불량 상태를 그래픽으로 처리한다.

개발 배경
생산된 BGA 패키지의 이상 유무를 판단하기 위해 내부 회로선 사이의 저항(Kelvin 감지방식 적용), 오픈/쇼트 상태, 전류 등의 다양한 시험 항목을 정밀하고 빠르게 측정할 수 있는 다기능의 까다로운 시스템을 고객이 요구하였고, 빠르게 현장에 투입할 수 있기를 원했다. 이러한 요구조건을 기존 시스템으로는 충족시킬 수 없었으므로, PXI 매트릭스 스윗칭 시스템, 정밀 전류/전압 출력 및 측정 장비를 PXI 콘트롤러로 제어 및 처리하는 시스템을 개발하게 되었다. 짧은 기간 내에 개발을 완료해야 했으므로 시험측정 시스템 소프트웨어 개발에 최적화되어 있는 LabVIEW를 이용하여 빠른 시간 내에 개발하게 되었다.

본론

하드웨어
본 시스템은 전류나 전압을 낮은 값에서 정밀하게 소싱(Soucing)하고 측정할 수 있는 SMU(Source Measuring Unit)와 4-wire/2-wire 측정이 가능한 4개의 Row를 가진 매트릭스 릴레이, 그리고, 매트릭스 릴레이 보드와 SMU간의 핸드쉐이킹을 위한 트리거 보드 및 시스템 콘트롤러, 랙으로 구성되어 있다.
낮은 전류에서 정밀한 저항을 측정하기 위해서는 수십 마이크로 암페어의 전류소싱과 수십 마이크로 볼트의 전압강하를 측정할 수 있는 SMU가 필요하며, 이러한 낮은 전류와 전압신호가 안정적으로 움직일 수 있는 경로가 필요하였다. 그리고, 1000개 이상의 접점을 시험하는 데 소요되는 시간이 수 초 이내인 빠른 속도를 유지할 수 있는 매트릭스 릴레이가 필요하였다. NI사의 PXI2532 매트릭스 릴레이 보드는 이러한 속도를 만족시켰으며, 10개의 모듈을 동시에 장착함으로써 4x1280 다접점 매트릭스 릴레이를 구현할 수 있었다. 또한 접점과 측정을 원활하게 수행하기 위해서는 매트릭스와 SMU간의 트리거를 주고 받는 핸드쉐이킹(Hand-Shaking)이 필요하였고, 추가적인 트리거 보드를 제작하여 PXI 트리거 라인과 SMU 후면의 Trig In/Out 라인을 연결함으로써 해결하였다. 모든 장비는 표준 19인치 랙(Rack)에 장착하고, LCD와 키보드 마우스 암(Arm)을 설치함으로써 공간을 최대한 줄였다. 또한 터치스크린 방식의 모니터를 사용함으로써 작업자가 보다 쉽고 빠르게 시험을 수행할 수 있게 하였다.

소프트웨어
생산현장에 사용되는 장비로서 오퍼레이터가 소프트웨어를 빠르고 직관적으로 운용할 수 있어야 한다. 또한, 다양한 모드의 시험을 하기 위해서 세밀한 설정을 할 수 있는 기능을 필요로 한다. 그 요구조건을 만족시키기 위해, 메인 윈도에서 몇 가지 동작만으로 모든 기능을 사용할 수 있게 하였으며, 그 결과를 빠르고 정확하게 확인할 수 있게 하였다. 사용자는 복잡한 내용을 포함하고 있는 설정파일을 선택만 함으로써 시험준비를 끝낼 수 있고, 실행 버튼을 누르면 그 결과를 테이블 형태나 그래픽 형태로 바로 확인할 수 있다.
그래픽 결과는 시험하고 있는 다양한 BGA 볼접점 맵(Max 45x45)을 모두 수용하고 있으며, 양호한 볼접점은 초록색으로, 불량이 난 볼접점은 적색으로 표시함으로써 보다 직관적인 시험을 가능하게 하였다. 또한 결과를 MS Excel 형태로 저장시킴으로써 리포트 생성에 업무효율을 높였다.
세밀한 설정을 위해서는 설정 윈도를 사용하는데, 일반 사용자는 접근을 할 수 없게 암호를 입력하도록 하였으며, 이 설정윈도에서는 3가지 시험모드를 선택할 수 있으며, 소싱(Sourcing)되는 전압과 전류를 조정할 수 있다. 또한, Pass/Fail의 기준이 되는 결과 선택 및 상/하 한계치 설정을 수행할 수 있다. 이 모든 설정 내용은 특정한 형식의 파일로 저장됨으로써 쉽게 관리 및 재사용이 가능하게 하였다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
생산된 BGA 패키지의 이상 유무를 판단하기 위해서는 정밀한 볼접점 사이의 저항 측정(Kelvin Sensing), Open/Short 시험, 누설 전류 측정 등의 다양한 시험방법이 존재하며, 생산성을 높이기 위해 정밀하고 빠르게 측정할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어가 필요하였다. 또한 BGA 패키지의 많은 수의 볼을 여러 경로로 측정하기 위한 많은 수의 접점 포인트와 빠른 릴레이 동작이 요구되어졌다. 그리고, 이러한 다양한 특성을 빠르게 납품할 수 있어야 되었고, 본 시스템은 이러한 요구조건을 만족시키기 위해서 PXI 모듈형 매트릭스 릴레이와 LabVIEW를 사용함으로써 완벽한 통합시스템을 구현할 수 있었다.
그 결과 기존 시스템보다 더 빠른 시간 안에 시험을 끝낼 수 있는 속도와 보다 낮은 전류 에서 정밀하게 시험할 수 기능을 구현할 수 있었다. 그리고, 시험모드를 선택함으로써 Kelvin Sensing Test, Open/Short Test 그리고, 전류 측정 기능을 구현하였다. 또한, 속도를 증가시키기 위해서 SMU와 PXI 장비간의 핸드쉐이킹(Hand-Shaking) 기능을 사용하였으며, 매트릭스 릴레이의 접점을 동작시키는 다양한 스캔 리스트를 활용하였다.

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김유철 대표이사/연구소장
테스트메이션㈜

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