스미스 차트를 이용한 구리 인터커텍트의 비파괴적 부식도 평가

Nondestructive Quantification of Corrosion in Cu Interconnects Using Smith Charts

전자패키지 내부의 부식이 시스템 성능 및 신뢰성에 큰 영향을 미치고 있어, 시스템 건전성 관리를 위해 부식에대한 비파괴적 진단 기법의 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 복소 임피던스의 크기와 위상을 통합적으로 시각화하는도구인 스미스 차트를 활용하여, 구리 인터커넥트의 부식을 비파괴적으로 평가하는 방법을 제시하고자 한다. 실험을 위해구리 전송선을 모사한 시편을 제작하고, MIL-STD-810G 기준 온습도 사이클에 노출시켜 시편에 부식을 인가하였다. R 채널 기반 색변화로 시편의 부식도를 정량적으로 평가하고 레이블링 하였다. 부식의 성장에 따라 시편의 S-파라미터와 스미스 차트를 측정한 결과, 5 단계의 부식도에 따라 유의미한 패턴의 변화가 관찰되어, 스미스 차트가 부식도 평가에 효과적인 도구임을 확인하였다. 더 나아가 데이터 증강을 통해 다양한 부식도를 갖는 4,444개의 스미스 차트를 확보하여, 스미스차트를 입력 받아 구리 인터커넥트의 부식 단계를 출력하는 인공지능 모델을 학습시켰다. 이미지 분류에 특화된 CNN 및Transfomrer 모델을 적용한 결과, ConvNeXt 모델이 정확도 89 .4%로 가장 높은 부식 진단 성능을 보였다. 스미스 차트를이용하여 전자패키지 내부 부식을 진단할 경우, 전자신호를 이용하는 비파괴적 평가를 수행할 수 있다. 또한. 신호 크기와위상 정보를 통합적으로 시각화 하여 직관적이며 노이즈에 강건한 진단이 가능할 것으로 기대한다.

Corrosion inside electronic packages significantly impacts the system performance and reliability, necessitating non-destructive diagnostic techniques for system health management. This study aims to present a non-destructive method for assessing corrosion in copper interconnects using the Smith chart, a tool that integrates the magnitude and phase of complex impedance for visualization. For the experiment, specimens simulating copper transmission lines were subjected to temperature and humidity cycles according to the MIL-STD-810G standard to induce corrosion. The corrosion level of the specimen was quantitatively assessed and labeled based on color changes in the R channel. S-parameters and Smith charts with progressing corrosion stages showed unique patterns corresponding to five levels of corrosion, confirming the effectiveness of the Smith chart as a tool for corrosion assessment. Furthermore, by employing data augmentation, 4,444 Smith charts representing various corrosion levels were obtained, and artificial intelligence models were trained to output the corrosion stages of copper interconnects based on the input Smith charts. Among image classification-specialized CNN and Transformer models, the ConvNeXt model achieved the highest diagnostic performance with an accuracy of 89.4%. When diagnosing the corrosion using the Smith chart, it is possible to perform a non-destructive evaluation using electronic signals. Additionally, by integrating and visualizing signal magnitude and phase information, it is expected to perform an intuitive and noise-robust diagnosis.