적용분야

차세대 마이크로전자 제품을 개발하는 과정에서 열 최적화는 점점 더 중요해지고 있으며, 동시에 그 난이도도 높아지고 있습니다. 마이크로전자기계시스템(MEMS)은 나노기술 분야에서 매우 광범위한 응용 가능성을 지니고 있으며, 대표적인 예로는 휴대전화의 위치 인식 기능을 비롯해 에어백, 디지털 카메라, 심박조율기 등에 활용되고 있습니다. 또한 MEMS 기술은 소형화된 의료 진단 분야에서도 활용이 확대되고 있어, 첨단 헬스케어 솔루션을 위한 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 소형화를 향한 흐름은 단순히 시스템 솔루션에만 영향을 미치는 것이 아니라, 센서와 제어 요소의 개발 방식에도 큰 변화를 가져오고 있습니다. 전자 장치가 더욱 작아지는 동시에 성능과 출력은 계속해서 증가함에 따라, 효과적인 열 관리는 그 어느 때보다도 중요한 요소로 자리 잡고 있습니다.

고도로 집적된 회로와 트랜지스터로 구성된 현대의 마이크로프로세서는 국부적인 핫스폿으로 인해 성능 저하와 수명 단축의 위험에 직면해 있습니다. 특히 이러한 핫스폿이 여러 금속층 아래에 위치하거나 플립칩 패키지 구조 내부에 존재하는 경우, 열 검증을 통해 이를 검출하는 것은 매우 어렵습니다.

마이크로미터 수준에서 매우 정밀한 열 분석을 제공하는 마이크로열화상 기술은 복잡한 전자 어셈블리와 부품의 온도 분포를 상세하게 파악할 수 있도록 하여, 최적의 성능과 신뢰성을 보장합니다. 이러한 첨단 열화상 시스템은 전원이 인가된 부품의 온도 분포를 정밀하게 분석할 수 있게 해주며, 영상 영역 내에서 핫스폿을 효과적으로 식별하고 추적할 수 있습니다. 마이크로프로세서 기술이 발전함에 따라 성능은 향상되고 다이 비용은 감소하는 반면, 집적회로(IC) 내 금속층 수, CMOS 소자 수, 그리고 인터커넥트 밀도는 지속적으로 증가하고 있습니다. 이와 같은 서브마이크론 기술의 발전 추세는 결함 위치를 정확히 찾아내는 작업을 더욱 복잡하게 만듭니다. 적외선 현미경 기술은 이러한 분야에서 중요한 장점을 제공합니다. 본질적인 실리콘은 1.1µm 밴드갭 이상의 파장 영역에서 거의 투명해지기 때문에, 적외선 현미경을 통해 내부 구조를 효과적으로 관찰할 수 있습니다. 비록 도핑 물질이 실리콘의 흡수율을 증가시키기는 하지만, 이는 고농도로 도핑된 기판에서만 두드러지게 나타나는 현상입니다. 이러한 특성 덕분에 적외선 현미경 기술은 복잡한 전자 구조를 분석하는 데 매우 강력한 도구로 활용됩니다.

전통적으로 2~5µm 중적외선(Mid-IR) 대역에 민감한 고성능 적외선 영상 시스템은 이러한 핵심 영역에서 발생하는 열 방출을 비침습적이고 실시간으로 영상화할 수 있는 장점을 제공합니다. 그러나 이러한 시스템은 높은 비용, 큰 부피, 높은 전력 소모, 그리고 극저온 냉각 시스템이 필요하다는 단점이 있으며, 이로 인해 유지보수의 복잡성이 증가합니다.

2배 배율을 지원하는 PI 640i 적외선 현미경 키트와 같은 첨단 적외선 현미경 기술은 소형 전자 장치나 MEMS에 대한 정밀한 열 분석이 필요한 엔지니어에게 정확한 솔루션을 제공합니다. 이 적외선 영상 시스템은 고해상도 검출기 기술을 활용해 적외선 열 에너지를 카메라 센서에 정밀하게 집속함으로써, 연구 및 설계 엔지니어가 미세한 대상의 온도를 정확하게 측정하고 열 분포 변화를 시각화할 수 있도록 합니다. 이를 통해 매우 작은 부품에 대해서도 신뢰성 있고 상세한 열 분석이 가능해지며, 마이크로프로세서, MEMS, 마이크로전자 소자 및 패키징 시스템의 비파괴 고장 분석에 이상적인 솔루션이 됩니다.

극저온 냉각이 필요한 적외선 현미경과 달리, 2배 배율의 PI 640i 현미경은 8~14µm의 장파장 적외선(Long-Wave IR) 영역에서 작동합니다. 냉각이 필요 없는 최신 마이크로볼로미터는 이 파장 대역을 감지할 수 있어, 엔지니어들이 훨씬 적은 예산으로도 적외선 영상 기술을 활용할 수 있도록 해줍니다.

PI 640i와 같은 고해상도 적외선 카메라는 5.4 mm × 4.0 mm의 시야(Field of View)를 제공하며, 언급된 파장에서의 회절 한계에 근접한 수준인 최소 8 µm(IFOV)의 대상까지 온도 변화를 감지할 수 있습니다. 낮은 열 잡음과 17 µm의 최적화된 픽셀 피치 크기가 결합되어, 단 4 × 4 픽셀만으로도 매우 작은 측정 시야(MFOV) 요구 사항을 충족할 수 있습니다. PI 640i는 표준 모드에서 32 Hz, 고속 서브프레임 모드에서 최대 125 Hz의 프레임 속도를 지원하여, 엔지니어가 빠르게 변화하는 열 공정을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 합니다.

이 첨단 비접촉식 열 분석 시스템은 매우 미세한 결함과 열 불균일성까지도 신뢰성 있게 감지하고 분석하여, 최신 마이크로프로세서, MEMS 및 기타 소형 전자 소자의 고해상도 시험과 검증을 효과적으로 지원합니다.

PI 640i 적외선 영상 시스템은 낮은 NETD(등가 온도 차이 잡음)를 갖추고 있어, 미세한 온도 변화에도 매우 높은 감도를 제공합니다. 락인 원리(lock-in principle), 즉 락인 증폭(lock-in amplification)은 잡음이 많은 환경에서도 유의미한 신호를 추출하기 위해 사용되며, 특히 시험 대상 장치(DUT)에 전압을 인가해 열적 특성을 분석하는 애플리케이션에서 효과적으로 활용됩니다. 일부 경우에는 보다 정밀한 결함 분석을 위해 다크 락인 열화상(Dark Lock-In Thermography, DLIT) 기법이 적용됩니다. DLIT를 사용할 때는 DUT를 전원 공급 장치에 연결하고, 적외선 카메라로 방출되는 열을 측정하여 표면 온도 분석을 통해 국부적인 품질 저하 영역을 검출합니다.

DLIT에서는 시험 대상 장치(DUT)에 펄스 전압을 인가하고, 그로 인해 발생하는 온도 변조를 포착합니다.
이 비파괴 영상 기법은 마이크로전자 소자에서 발생하는 전기적 결함을 식별하고 분석하는 데 특히 효과적입니다.
DLIT는 전기적 바이어스를 인가한 상태에서 주기적인 신호로 열원을 변조함으로써 작동하며, 적외선 카메라가 매우 미세한 온도 진동을 감지할 수 있도록 합니다.

이 기법은 시료에 주기적으로 열을 가한 뒤 자극된 표면의 온도 분포를 관찰함으로써, 가열 및 냉각 곡선을 모두 분석합니다. 이는 일반적으로 공급 전압을 온·오프하거나 사인파 형태로 변조함으로써 구현되며, 각 자극 펄스 이후 발생하는 국부적인 냉각 현상을 드러냅니다. 이러한 접근 방식은 표면 아래에 존재하는 구조물까지 검출할 수 있게 해주어, 전력 반도체 조립과 같은 응용 분야에서 특히 높은 가치를 지닙니다.

DLIT는 미약한 전류와 매우 미세한 열 변화를 감지할 수 있어, 전하 운반자의 과도한 재결합과 같은 전기적 결함으로 인해 열이 발생하는 영역을 효과적으로 부각시킵니다. 주기적인 변조 기법은 감도와 공간 해상도를 모두 향상시켜, NETD 한계 이하의 온도 변화—마이크로켈빈(µK) 수준까지—를 검출할 수 있게 합니다. 이러한 성능 덕분에 DLIT는 극히 작은 열 이상까지 식별하는 데 필수적인 도구로 활용됩니다.