사업분야
초음파 검사(SAT) 기술 가이드
SAT(Scanning Acoustic Tomography, 주사 초음파 단층 촬영)는 초음파로 반도체 웨이퍼·패키지·기판 내부의 보이드·박리·크랙을 비파괴로 찾아내는 검사 기술입니다. 서구권에서는 같은 장비를 SAM(초음파 현미경)·C-SAM이라고 부르며 물리 원리는 같습니다. 이 페이지는 반도체 양산 검사 관점에서 SAT의 용어·원리·적용·장비 형태를 정리한 기술 자료입니다.
1. 용어 정리
| 언어 | 양산 검사 용어 | 학술·서구권 용어 |
|---|---|---|
| 한국어 | 초음파 검사(SAT), SAT 장비, 초음파 검사 장비 | 초음파 현미경, 주사 음향 현미경(SAM) |
| English | scanning acoustic tomography (SAT) | scanning acoustic microscopy (SAM), C-SAM |
| 中文（简体） | 超声波扫描检测（SAT） | 超声波扫描显微镜（SAM） |
| 中文（繁體） | 超音波掃描檢測（SAT） | 超音波掃瞄顯微鏡（SAM） |
| 日本語 | SAT、超音波映像装置 | 走査型超音波顕微鏡（SAM） |
SAM·초음파 현미경은 재료 연구와 고장 분석용 실험실 장비까지 포함하는 넓은 말이고, SAT는 반도체 제조 라인에서 웨이퍼와 패키지를 검사하는 양산용 장비를 가리킬 때 주로 씁니다. C-SAM은 특정 제조사의 제품명이 보통명사처럼 굳어진 것이고, SAT는 일본계 장비명에서 한국·일본 반도체 업계로 널리 퍼진 표현입니다.
2. 원리
집속 초음파 탐촉자(프로브)가 짧은 펄스를 쏘고, 시료 내부의 각 경계면에서 되돌아오는 반사파(에코)를 받아 영상을 만듭니다(펄스-에코). 초음파는 공기 경계에서 거의 전부 반사되므로 탐촉자와 시료 사이는 물로 채워 신호를 전달합니다(커플링).
반사파의 세기는 경계면 양쪽 재료의 음향 임피던스 차이가 클수록 커집니다. 내부에 보이드나 박리가 있으면 고체-공기 경계가 생겨 강한 반사가 일어나고 반사파의 위상이 뒤집히므로, 이 위상 반전으로 결함을 이물과 구별합니다. 반사파가 돌아오는 시간은 깊이에 비례하기 때문에 특정 시간 구간만 골라내는 게이팅으로 원하는 깊이의 계면만 영상화할 수 있습니다 — '단층 촬영'이라는 이름은 여기서 나왔습니다.
- A-스캔: 한 지점에서 시간에 따른 에코 진폭 파형
- B-스캔: 시료의 수직 단면 영상
- C-스캔: 특정 깊이의 평면 영상. 양산 검사에서 가장 많이 씁니다
- 투과 스캔: 시료를 통과한 초음파를 반대쪽에서 받아 결함을 그림자로 보는 방식
3. 주파수 선택 — 분해능과 침투 깊이의 교환
주파수가 높을수록 분해능은 좋아지지만 감쇠가 커져(대략 주파수의 제곱에 비례) 깊이 들어가지 못합니다. 검사 대상에 맞춰 탐촉자를 고릅니다.
| 주파수 대역 | 주요 대상 | 비고 |
|---|---|---|
| 15–50 MHz | 두꺼운 패키지, 전력모듈(DCB·AMB 기판 접합부), 몰드가 두꺼운 부품 | 깊은 침투, 큰 결함 |
| 50–120 MHz | 일반 패키지(BGA·QFN 등), 기판, 다이 어태치 | 양산 검사의 주력 대역 |
| 120–250 MHz | 웨이퍼 접합면, HBM 등 얇은 적층, 미세 범프 | 얕은 깊이의 미세 결함 |
| 300 MHz 이상 | 근표면 영상, 실험실 고장 분석 | 양산 전수검사보다 분석용 |
엠아이티의 SFSAT 시리즈는 25–250 MHz 탐촉자를 사용하며, 이 대역은 패키지 관통 검사와 적층 검사를 양산 라인에서 처리하는 데 맞춰져 있습니다.
4. 검출 결함
| 결함 | 발생 위치 | SAT에서 보이는 특징 |
|---|---|---|
| 보이드(void) | 다이 어태치, 솔더, 언더필, 몰드 수지, 웨이퍼 접합면 | 강한 반사와 위상 반전, C-스캔에서 밝은 점 |
| 박리(delamination) | 칩-몰드, 리드프레임-몰드, 기판-접착층, 적층 계면 | 면 형태의 강한 반사와 위상 반전 |
| 크랙 | 칩, 몰드, 기판, 솔더 접합부 | 선 형태 반사, B-스캔으로 깊이 확인 |
| 비접합(non-wet) | 범프·솔더 접합 | 접합면 반사 패턴 이상 |
| 이물·기공 | 몰드, 접착층 | 반사는 있으나 위상 반전 없음(보이드와 구별) |
5. 반도체 산업에서의 적용
패키지 신뢰성 평가에서는 IPC/JEDEC J-STD-035(플라스틱 봉지 부품의 초음파 현미경 검사 절차)가 표준이며, 습도 민감도 시험 전후의 박리 확인이 대표적입니다. 최근에는 검사 대상이 패키지에서 웨이퍼 단계로 넓어져, 웨이퍼 적층·본딩 공정의 접합면 보이드를 300 mm 웨이퍼 전면에서 검사하는 수요가 커졌습니다.
| 적용 분야 | 검사 대상 | 주요 결함 |
|---|---|---|
| HBM·적층 메모리 | 적층 접합면, 마이크로 범프 | 보이드, 비접합, 박리 |
| 어드밴스드 패키지 | FC-BGA, 2.5D/3D, 칩렛 | 언더필 보이드, 범프 크랙, 박리 |
| 전력반도체 모듈 | DCB·AMB 기판–칩–베이스판 접합 | 솔더·소결 접합 보이드(열저항·수명에 직결) |
| 웨이퍼 본딩 | 웨이퍼-웨이퍼, 다이-웨이퍼 접합면 | 접합 보이드, 이물 |
| 기판·MLCC·mini LED | 세라믹 기판, 적층 세라믹, LED 패키지 | 내부 크랙, 박리 |
위 적용 분야는 초음파 검사 장비 사업 페이지의 솔루션 분류와 같습니다.
6. 장비 형태 — 실험실형과 전자동 인라인형
| 구분 | 실험실형(수동·반자동) | 전자동 인라인형 |
|---|---|---|
| 용도 | 고장 분석, 연구, 샘플 검사 | 양산 라인 전수·발췌 검사 |
| 시료 공급 | 사람이 올려놓음 | 로더·핸들러가 웨이퍼·트레이를 자동 공급 |
| 판정 | 사람이 영상 판독 | 자동 판정(딥러닝 등)·분류·SECS/GEM 데이터 연동 |
| 핵심 성능 | 분해능, 영상 품질 | 처리량(시간당 검사 매수), 판정 신뢰도, 라인 연동 |
| 프로브 구성 | 대개 1개 | 다수 프로브 병렬 스캔(멀티프로브)으로 처리량 확보 |
처리량은 스캔 피치와 구성(프로브 수·검사 존 수)에 따라 달라지므로, 장비를 비교할 때는 같은 피치·같은 구성 조건에서 비교해야 합니다.
엠아이티의 SFSAT 시리즈는 다수의 프로브가 최대 2개 검사 존에서 병렬로 스캔하는 전자동 인라인 장비로, 딥러닝 기반 자동 판정, 실시간 휨 보정(±2.5 mm), 최대 스캔 속도 1,200 mm/s, 자체 개발 SECS/GEM 소프트웨어를 갖추고 있습니다.
관련 페이지: SFSAT 시리즈 제품 페이지
7. 커플링 방식 — 침수형과 비침수형
전통적인 침수형은 시료를 물에 담가 검사합니다. 수분에 민감한 첨단 공정에서는 웨이퍼 표면에 물이 직접 닿지 않도록 물을 국부적으로 흘리는 비침수형(워터폴·버블트랩 결합 방식 등)을 씁니다. 엠아이티 장비는 비침수 방식을 적용합니다.
8. 다른 검사법과의 비교
| 구분 | SAT(초음파) | X-ray / CT | 적외선(IR / SWIR) |
|---|---|---|---|
| 보는 것 | 계면 상태, 탄성 특성 | 밀도 차이, 형상 | 실리콘을 투과한 광학 영상 |
| 강점 | 얇은 박리·공기층(서브마이크론)에 매우 민감, 양산 인라인에 적합 | 배선·범프 형상, CT는 3D 구조 | 비접촉, 본딩 직후 대형 보이드 고속 검사 |
| 한계 | 물 커플링 필요, 상층 결함이 하층을 가림 | 얇은 박리·공기층을 놓치기 쉬움, CT는 느림 | 깊은 곳의 미세 결함 분해능 한계, 불투명 재료 불가 |
실제 현장에서는 서로 보완적으로 씁니다.
자주 묻는 질문
- SAT와 SAM(초음파 현미경)은 다른 기술인가요?
- 아닙니다. 둘 다 집속 초음파 탐촉자가 짧은 펄스를 쏘고 내부 계면에서 되돌아오는 반사파를 영상화하는 같은 원리입니다. 용어의 계보와 용도가 다를 뿐입니다. SAT는 반도체 웨이퍼·패키지의 양산 검사 장비를 가리킬 때 주로 쓰고, SAM·초음파 현미경은 실험실·고장 분석 장비까지 포함하는 넓은 말입니다. C-SAM은 특정 제조사의 제품명이 보통명사처럼 굳어진 것입니다.
- SAT로 어떤 결함을 찾나요?
- 보이드, 박리, 크랙, 비접합 같은 내부 계면 결함입니다. 초음파는 고체와 공기의 경계에서 거의 전부 반사되고 반사파의 위상이 뒤집히기 때문에, 매우 얇은 박리나 공기층도 검출되며 이물과 구별됩니다.
- X-ray 검사와 무엇이 다른가요?
- X-ray는 밀도 차이와 형상을 보고, SAT는 계면 상태와 탄성 특성에 반응합니다. 얇은 박리·공기층은 SAT가, 배선·범프 형상은 X-ray가 유리합니다. 현장에서는 두 검사법을 보완적으로 씁니다.
- 어떤 탐촉자 주파수를 써야 하나요?
- 주파수가 높을수록 분해능은 좋아지지만 감쇠가 주파수의 제곱에 가깝게 커져 침투 깊이가 얕아집니다. 일반적으로 두꺼운 패키지·전력모듈은 15~50 MHz, 일반 패키지·기판은 50~120 MHz, 웨이퍼 접합면·얇은 적층은 120~250 MHz를 씁니다. SFSAT 시리즈는 25~250 MHz를 지원합니다.
- SAT 검사에 물이 꼭 필요한가요?
- 네. 공기는 초음파를 거의 전부 반사하기 때문에 초음파를 시료 안으로 전달하는 매질로 물이 필요합니다. 침수형은 시료를 물에 담그고, 워터폴·버블트랩 같은 비침수형은 웨이퍼 표면이 물에 잠기지 않게 하므로 수분에 민감한 첨단 공정에 유리합니다.
- 실험실용 SAT와 인라인 SAT 장비의 차이는 무엇인가요?
- 인라인 장비는 웨이퍼나 트레이를 자동으로 공급하고 검사·판정·분류까지 사람 없이 처리하며 SECS/GEM으로 공장 시스템과 연결되므로, 처리량과 판정 신뢰도가 핵심 지표가 됩니다. 실험실 장비는 사람이 올려놓고 판독하며 영상 품질을 우선합니다. 처리량 비교는 같은 스캔 피치·같은 프로브 구성 조건에서만 의미가 있습니다.