CN100533702C - 测试分类机的温度监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于半导体测试分类机的温度监控系统。预加工台用于使测试器件达到一预定温度，以便于在测试平台以所述的预定温度进行测试。一个或一个以上的辐射传感器，例如热电堆器件，其应用于该测试分类机中，通过测量发自该测试器件的辐射来检测该测试器件的表面温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种当电子器件在半导体测试分类机(test handler)中经过测试分类处理时，测量该电子器件表面温度的方法和装置。更具体而言，当该电子器件准备进行电气测试(electrical testing)时，本装置配设有温度传感器以监控该电子器件的温度。
背景技术
在一些电子器件的制造过程中，尤其是半导体工业中的集成电路封装件，在封装件完成模塑(molded)后，对这些器件进行电气测试是必要的。正常而言，只有在器件通过加热或冷却的方式达到某个预定的温度之后，才测试器件。该预定温度通常反映出被测试器件的期望运行环境。典型的测试温度大约为90-100℃，但是不同的测试温度是根据被测试器件的类型选定的。值得注意的是虽然本发明同样可用于电子器件测试前的冷却处理，但是下面的描述将着重于电子器件电气测试前的加热处理。
有多种测试装置被用来完成这种电气测试，例如：在集成电路封装工业中，测试分类机被用来高速自动地对电子器件完成终程电气测试。测试分类机以期望的速率馈送电子器件到达或者离开测试平台(test platform)。这些测试分类机通常包括加热室(heating chamber(s))，电子器件在测试平台上被测试以前，在该加热室中该被测试的电子器件首先被长时间加热处理(soaked)至特定的测试温度。
当电子器件通过加热室时，它们的温度需要持续地被监控以便使该器件得到逐步的加热，而使其避免遭受过多的热力(excessivethermal stress)或损坏它们。温度传感器通常用于这种温度测量，例如接触型热电偶(contact-type thermocouples)和RTD(resistivetemperature devices)。但是，测试分类机使用这些类型的传感器来检测测试分类机中的移动测试器件的温度，其能力是有限的。
这种温度传感器测量热传输介质的温度，通常为加压热气体或金属支撑物，来取代直接测量测试器件的表面温度。在此之前，嵌入在测试器件中的温度传感器被用来记录真实的器件温度和校正传感器的读数。而且，当在热量控制室(thermally controlled chamber)的大容积中使用单个的温度传感器，该加热室上的传感器的温度读数将按照加热室的表面形状，随着不同的气流而变化。设置在加热室边缘的传感器遭遇较低速率的气流，而设置在加热室中央的传感器遭遇较高速率的气流。这意味着：传感器的读数不能准确地表示该表面温度。当测试器件的载体(carrier)有相对高的热量散失或者有自身的温度分布时，这将变得有意义。
在测试分类机上使用非接触型感测会实现探测而不影响测试器件的温度，尤其是小的测试器件。其允许测试分类机处理不同类型的测试器件，而系统不作任何较大的设计变化。
随着均热时间变得更短，就更进一步需要具有更快反应时间的温度传感器。同步典型接触型传感器(Whilst typical contacting sensors)具有多达数秒的反应时间，辐射传感器(radiation sensors)如热电堆传感器(thermopile sensors)能够在1秒内完成一次测量。而且，由于热量调节室(thermally conditioned chamber)没有设置该温度传感器，那么使得传感器遭受更少的热力，减少了机器的停机时间。因此，用于感测测试器件温度的非接触方法是适合的。测试器件包含有提供持续、大量发射率的塑料模塑时，辐射传感器尤其合适。
发明内容
因此，本发明的目的在于通过提供一种通过检测自测试器件辐射的热量，来感测温度的温度传感器，从而避免现有技术接触型传感器存在的一些不足。
本发明一方面提供一种用于测试封装电子器件的测试分类机，其包含有：预热区域，其用于使封装电子器件达到一期望的测试温度，其中，该预热区域包括：多个温度或加热的区段；多个加热器，其分别设置于该温度或加热的区段中；以及计算机操作的用于该加热器的控制器；测试平台(test platform)，其构造和设置来以所述的测试温度测试该封装电子器件；一个或一个以上的辐射传感器(radiationsensor)，其设置于该预热区域中，其用于检测该封装电子器件的表面温度；温度保持装置，其用于在不对该辐射传感器外部的测试分类机环境温度产生任何实质性干扰的同时，确保该辐射传感器不遭受温度变化。
本发明另一方面提供一种用于在测试分类机的测试平台上以期望的测试温度测试封装电子器件的方法，其包含有以下步骤：
通过下述步骤使封装电子器件达到期望的测试温度：将该封装电子器件通过多个温度或加热的区段，该温度或加热的区段中设置有加热器；通过计算机操作的控制器控制加热器的运行；当该封装电子器件通过每个温度或加热的区段时，测量由该封装电子器件发出的辐射；使用一个或一个以上的辐射传感器控制该温度或加热的区段中的温度，以通过测量发自该封装电子器件的辐射来检测该封装电子器件的表面温度，并提供关于被检测温度的信息给控制器；
以所述的测试温度测试该封装电子器件；以及
控制该辐射传感器的温度，以用于在不对该辐射传感器外部的测试分类机环境温度产生任何实质性干扰的同时，确保该辐射传感器不遭受温度变化。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
图1所示为典型的测试分类机装置的主视图；
图2所示为根据本发明较佳实施例，测试分类机模块(test handlermodule)的示意图；
图3所示为当测试器件在测试平台准备测试时，典型加热顺序的图例说明；
图4所示为根据本发明较佳实施例，热电堆传感器的立体示意图；
图5所示为自图4方向C的热电堆传感器的俯视图；
图6所示为沿着图5的A-A剖面的热电堆传感器的剖面示意图；
图7所示为图4热电堆传感器的分解图；
图8所示为根据本发明较佳实施例，该测试分类机模块的预热区域(preheat location)的立体示意图。
具体实施方式
图1所示为一典型的测试分类机装置10的主视图；该测试分类机装置10可包含有一显示屏11，以实时查看和该测试分类处理相关的处理参数，并且帮助用户设置处理参数，例如加热温度。该测试分类机装置10具有一预加工台，其可以为预热区域12的形式，在测试之前测试器件在其中得到加热。
图2所示为根据本发明较佳实施例，包括有预热区域12和测试平台20的测试分类机模块的示意图。该测试分类机模块具有外壁(outerwall)和内盒(inner case)14。为了围绕该内盒14运送测试器件(未示)，大量可移动的载体(carriers)16容置于该内盒中。每个载体16适合运送一个测试器件，该测试器件可包含有引线框(leadframe)、球形栅格阵列(Ball-Grid Array)或者其他电子封装件。在测试分类机模块的预热区域12中设有上料处(on-load position)18，测试器件由此被引入到内盒14中，并放置于载体16上。然后，沿着加热室移动该载体16，该加热室可进一步分为不同温度或加热的区段，其中加热器(heater)被安装于载体16的下方。该加热室的如此设计以便于测试器件的温度逐步升至预定的温度，以为测试平台20的测试作准备。而大量辐射传感器，如热电堆传感器28，28A-D，散布设置于内盒中，以便测量经过传感器下方的测试器件的温度。
在预热区域12完成预热以后，移动载体16至测试平台20以进行电气测试。完成测试之后，向下料处22移动该载体16，以从测试分类机模块卸载该测试器件。内盒14也可包含有可合适地控制和调节的液态氮控制阀24和冷却风扇26，如果系统中的目标器件温度比周围环境温度低(below ambient temperature)，那么需要进行冷却。
当热电堆传感器28，28A-D检测到来自测试器件的辐射时，其产生和测试器件温度相应的模拟输出，该测试器件由热电堆传感器28，28A-D所感测。一模数转换器30将该热电堆传感器28，28A-D的输出从模拟形式转换为数字形式。该模数转换器30和一计算机32电气连接，该数字输出由该计算机32接收以进行处理。一从计算机32接收输入的温度控制单元34，依次电气连接并控制一温度控制器，其在测试分类模块中控制加热/冷却参数。因此，计算机32通过利用由热电堆传感器28，28A-D所感测的测试器件温度，可根据期望的和由用户选择的测试器件的均热时间(soak time)，来控制诸如测试器件的加热周期之类的因子。计算机32的输出被应用于该温度控制器34，其按照计算机32的输出依次驱动该温度控制器，以使精确的自动温度控制成为可能。计算机32的信息可随意地进一步处理，以便统计分析36。统计的和其他的数据可通过输出到显示屏11实时显示38，以便用户查看。可显示在显示屏11上的参数包括：温度、标准偏差(standard deviation)和趋势数据(trend data)。
图3所示为当测试器件在测试平台20准备测试时，典型加热顺序的图例说明。运送测试器件的载体16经过上料处18，不同的加热区(A-C区)，测试平台20以及最后到达下料处22。测试器件封装件的温度使用设置在加热室不同区段的热电堆传感器28，28A-D来监控，该热电堆传感器正好位于该载体16和被测试器件的上方。参阅图3和图2，第一热电堆传感器28设置于上料处18附近，第二热电堆传感器28A设置于A区，第三热电堆传感器28B设置于B区，第四热电堆传感器28C设置于C区，第五热电堆传感器28D设置于测试平台20处。从热电堆传感器28，28A-D收集来的信息可被编译以形成图3的图例说明，其可输出到显示屏11以供用户监控。
图4所示为根据本发明较佳实施例，热电堆传感器28的立体示意图。通常，该热电堆传感器28包含有：传感器盖30，传感器支架(sensorfixture)32，传输压缩干燥气体到达和离开传感器28的螺纹联接管(threaded nipple)34，和冷却座36。
图5所示为自图4方向C的热电堆传感器28的俯视图。该螺纹联接管34运送压缩气体进入和离开热电堆传感器28。该压缩干燥气体用于冷却热电堆传感器28，以避免来自预热区域12的加热室的热力或其他干扰。
图6所示为沿着图5的A-A剖面的热电堆传感器28的剖面示意图。该图表示了位于该器件中的热电堆(thermopile)器件(device)或集成电路(”IC”：integrated circuit)38。该热电堆IC38附着于传感器支架32并和冷却座36相接触。冷却座36中的气体通道42输送冷却压缩气体以冷却热电堆传感器28。因此，该冷却座38如同一吸热片(heat-sink)，以将热量吸离该热电堆IC38。这有助于确保热电堆传感器28不遭受加热室中的温度变化，从而通过保护该热电堆IC38的物理属性获得更准确的测量。而且，由于减少了热力或震动，和传统的传感器器件比较，设置于加热室内和遭受热力的热电堆传感器28的寿命能够延长。
该热电堆IC38包含有：具有膜结构(membrane structure)的基材，第一绝缘层和接连形成其上的第二绝缘层。排列在该第二绝缘层上的两个热电耦(thermocouples)串联连接，每个热电耦具有热接点(hotjunction)和冷接点(coldjunction)。该热电堆IC38还包含有排列在该第二绝缘层一侧的温度传感器。该热电堆IC38更包含有第三绝缘层和在热接点上方形成于该第三绝缘层上的黑体(black body)。
根据维恩定律(Wien’s law)，辐射强度(radiation intensity)和物体温度的四次方(the fourth power)成比例，这样，当物体的表面温度增加时其辐射强度显著地增加。如同本实施例所述，这种属性可以用来计算物体的表面温度。
为了使得辐射到达热电堆IC38，冷却座36上形成有波导管(wave-guide)39，该波导管39最好具有光面(polished wall)以减少辐射波在到达热电堆IC38之前的漫射(scattering)。此外，如图6所示，以IC封装单元40形式存在的测试器件在感测的波导管39开口的下方输送。
热电堆传感器28通过感测大量的发自测试器件的辐射能量，而提供了准确的温度调节或监控。由于IC封装件通常使用暗色的塑料模塑(darkplastic molding)封装，因此可以充分利用包含有塑料材质的本体的热辐射属性。在加热过程中通过利用测试器件的黑体(black body)和暗体(dark body)之间的辐射率差异，热电堆传感器28感测该测试器件的辐射温度。这样，热电堆传感器产生了和通过波导管39所接收的红外线(infrared ray)相应的电压，该波导管引导由测试器件的辐射所产生的红外线到达热电堆IC38。
图7所示为图4中热电堆传感器的分解图。其依次表明了：传感器盖30，传感器支架32，热电堆IC38，螺纹联接管34和冷却座36。该冷却座36包含有波导管39，使之形成所需尺寸以容许热电堆IC38的插置。
图8所示为根据本发明较佳实施例，该测试分类机模块的预热区域12的立体示意图。当载体16在预热室的空腔(cavities)中被输送和加热时，该预热室由壳体(housing)或者上套体(upper casing)50所封闭。载体16通过上料处18被引入，然后送入上套体50下的预热室。大量的热电堆传感器28安装在位于加热室上方的壳体或者上套体50上。值得注意的是，该热电堆传感器28的波导管39应该延伸到并暴露在预热盖(preheat cover)的下侧，该预热盖面向载体16的测试器件40，以致于来自测试器件上的辐射可被该热电堆IC38所接收。在通过预热区域之后，移动载体16至测试平台(图8中未示)以进行该测试器件的测试。
值得注意的是，本发明使在生产过程中实现无接触检测电子器件的表面温度成为可能。真正的表面温度在预加热和测试区域中被监控，而代替测量热传输介质(如加压的热/冷气体)的温度。测量所得的温度数据被用于示警，反馈控制，或者数据分析。在显示屏上所能显示的实时温度使得用户紧密地监控测试器件的温度变化速率。而数据分析可进一步包括收得益损失(yield loss)和温度分布或热不稳定性的关系。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
Claims (31)
1、一种用于测试封装电子器件的测试分类机，其包含有：
预热区域，其用于使封装电子器件达到一期望的测试温度，其中，该预热区域包括：
多个温度或加热的区段；
多个加热器，其分别设置于该温度或加热的区段中；以及
计算机操作的用于该加热器的控制器；
测试平台，其被构造和设置来以该测试温度测试该封装电子器件；
一个或一个以上的辐射传感器，其设置于该预热区域中，用于检测该封装电子器件的表面温度；
温度保持装置，其用于在不对该辐射传感器外部的测试分类机环境温度产生任何实质性干扰的同时，确保该辐射传感器不遭受温度变化。
2、如权利要求1所述的测试分类机，其中该辐射传感器包含有热电堆器件。
3、如权利要求2所述的测试分类机，其中该热电堆器件包含有串联连接的热电耦，每个热电耦具有热接点和冷接点。
4、如权利要求1所述的测试分类机，其中该辐射传感器附着于包含有该温度保持装置的座体上。
5、如权利要求4所述的测试分类机，其中该温度保持装置包含有引导冷却压缩气体至该辐射传感器的气体通道。
6、如权利要求1所述的测试分类机，其中该辐射传感器包含有邻接于其检测表面的波导管，该波导管用于为来自该封装电子器件的辐射规定传输路径以延伸至该辐射传感器。
7、如权利要求6所述的测试分类机，其中该波导管具有光面以减少辐射波的漫射。
8、如权利要求1所述的测试分类机，其中该辐射传感器设置于该测试平台附近。
9、如权利要求1所述的测试分类机，其中该辐射传感器设置于该预热区域附近。
10、如权利要求9所述的测试分类机，其中该辐射传感器设置于上料处和测试平台之间封装电子器件输送路径的上方。
11、如权利要求10所述的测试分类机，其中当封装电子器件沿着输送路径移动时，该预热区域被用来逐渐改变封装电子器件的温度。
12、如权利要求11所述的测试分类机，其包含有大量的相邻于于该预热区域设置的辐射传感器，其中，每个辐射传感器设置于不同的温度区域，在该预热区域中该封装电子器件的温度将被监控。
13、如权利要求1所述的测试分类机，其包含有温度控制器，该温度控制器对接收自该辐射传感器的信号作出响应，藉此调节该测试分类机中的温度。
14、如权利要求1所述的测试分类机，其中该封装电子器件具有塑料材质形成的表面，设置该辐射传感器以致于来自封装电子器件上的辐射可被该辐射传感器所接收。
15、如权利要求1所述的测试分类机，其还进一步包括：
多个载体，其用于将封装电子器件移动通过该温度或加热的区段到达该测试平台；以及
多个辐射传感器，其沿着该载体的移动路径设置，当封装电子器件被载体移动通过温度或加热的区段时，该载体被构造和设置来使封装电子器件和加热器、辐射传感器进行热交换。
16、如权利要求1所述的测试分类机，其中该预热区域包括：
和该测试平台连通的温度或加热的区段；
位于该温度或加热的区段中的加热器；以及
计算机操作的用于该加热器的控制器。
17、如权利要求16所述的测试分类机，其还包括：载体，其用于将封装电子器件移动通过该温度或加热的区段到达该测试平台，当封装电子器件被载体移动通过温度或加热的区段时，该载体被构造和设置来使封装电子器件和加热器、辐射传感器进行热交换。
18、如权利要求1所述的测试分类机，其中该温度保持装置向该辐射传感器提供冷却压缩气体。
19、如权利要求18所述的测试分类机，其中该冷却压缩气体为空气。
20、一种用于在测试分类机的测试平台上以期望的测试温度测试封装电子器件的方法，其包含有以下步骤：
通过下述步骤使封装电子器件达到期望的测试温度：
将该封装电子器件通过多个温度或加热的区段，该温度或加热的区段中设置有加热器；
通过计算机操作的控制器控制加热器的运行；
当该封装电子器件通过每个温度或加热的区段时，测量由该封装电子器件发出的辐射；
使用一个或一个以上的辐射传感器控制该温度或加热的区段中的温度，以通过测量发自该封装电子器件的辐射来检测该封装电子器件的表面温度，并提供关于被检测温度的信息给控制器；
以所述的测试温度测试该封装电子器件；以及
控制该辐射传感器的温度，以用于在不对该辐射传感器外部的测试分类机环境温度产生任何实质性干扰的同时，确保该辐射传感器不遭受温度变化。
21、如权利要求20所述的方法，其中该辐射传感器包含有热电堆器件。
22、如权利要求21所述的方法，其中该热电堆器件包含有串联连接的热电耦，每个热电耦具有热接点和冷接点。
23、如权利要求20所述的方法，其中保持该辐射传感器在期望的温度的步骤包含有：通过封闭的流动路径向该辐射传感器提供冷却压缩气体供应，以便于冷却压缩气体不会漏入该辐射传感器的周围环境中。
24、如权利要求20所述的方法，其中该保持该辐射传感器在期望的温度的步骤包括：通过气体流动路径向该辐射传感器提供气体的供应。
25、如权利要求20所述的方法，其还包含有下述步骤：在测试平台附近设置该辐射传感器，在该测试平台上将测试封装电子器件。
26、如权利要求20所述的方法，其中是通过加热的区段使得该电子器件达到期望的测试温度，该方法还包含有下述步骤：在该加热的区段附近设置该辐射传感器。
27、如权利要求20所述的方法，其中：在上料处和测试平台之间的封装电子器件输送路径的上方设置该辐射传感器。
28、如权利要求27所述的方法，其中使封装电子器件达到期望的测试温度的步骤包括下述步骤：当封装电子器件沿着输送路径移动时，逐渐改变封装电子器件的温度。
29、如权利要求28所述的方法，其还包含有下述步骤：在该预热区域上方设置大量的辐射传感器，其中，每个辐射传感器设置于不同的温度区域，在该预热区域中该封装电子器件的温度将被监控。
30、如权利要求20所述的方法，其还包含有下述步骤：使用温度控制器调节该测试分类机中的温度，该温度控制器对接收自该辐射传感器的信号作出响应。
31、如权利要求20所述的方法，其中该封装电子器件具有塑料材质形成的表面，从该塑料表面所发出的辐射得到测量。
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