CN114264932A - 一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，属于集成电路测试领域。利用集成电路自动测试系统配置的电压电流源，对被测半导体器件施加并测量相应信号，将测试结果代入通过校准得到的温度系数关系式，得出芯片的工作温度。测量方法包括测量仪器准备、温度敏感参数的获取、芯片上PN结温度校准、温度敏感参数与温度的线性关系式、将关系式写入测试代码、对被测产品施加恒定温度、测量并计算得到芯片温度等步骤。解决了现有半导体器件电性能参数测试过程中，半导体器件芯片的外界工作环境温度不能代替封装内部半导体器件芯片的实际工作温度，造成测试结果无法正确反映被测半导体器件真实性能的问题。适用于所有半导体集成电路芯片温度的测量技术领域。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域，进一步来说涉及集成电路测试领域，具体来说，涉及一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法。
背景技术
在高可靠集成电路领域，半导体器件测试流程中的一个关键环节是需要在不同工作温度下进行半导体器件电性能参数测试，而对工作温度的界定就成为了难题。严格意义上说，半导体器件的工作温度应该为封装内部的芯片温度，而不能将半导体器件封装外部的环境温度认为是芯片的工作温度。工作状态下的半导体器件，芯片温度是最高的温度点，它所产生的热量由芯片向半导体器件的封装外部传导，最终向环境散逸。因此，如果将工作温度认为成环境温度，那在向半导体器件所处的环境施加最高额定工作温度值的话，工作状态下的半导体器件，其封装内部的芯片温度将高于最高额定工作温度，可能导致半导体器件过热失效。
现有的技术均为对被测集成电路施加规定的温度，并假定温度不产生重大变化的情况下进行电性能参数的测量，不具备测量封装内部芯片温度的功能，无法知晓芯片温度是否符合规定要求。现有技术中，对于最高或者最低额定工作温度下半导体器件的电性能测量，使用的方法是在半导体器件周围一个半封闭的小空间内吹入有温度设定值的空气，使被测半导体器件的封装外部工作温度温度逐渐达到规定的额定工作温度，再对被测半导体器件进行电性能测量。但这个方法存在不足之处，额定工作温度的测量使用的是半导体器件封装外部的热电偶，所测量得到的温度实际为被测半导体器件封装外部工作温度，而非封装内部芯片工作温度。由于热传导效率的不同，位于封装内部的芯片达到额定工作温度所需的时间不同，也无法监测芯片温度是否达到了额定工作温度。
现有技术存在的问题是，温度测量仪读数为被测半导体器件封装外部工作环境温度，在实际工程应用中，该温度值无法反映被测半导体器件封装内部芯片工作温度，两者存在一定差值。这个差值的存在，导致了被测半导体器件封装内部芯片没有工作在额定工作温度下，无法正确反映被测半导体器件的真实性能。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是：解决现有半导体器件电性能参数测试过程中，半导体器件芯片的外界工作环境温度不能代替封装内部半导体器件芯片的实际工作温度，造成测试结果无法正确反映被测半导体器件真实性能的问题。以便可在多种集成电路自动测试系统(ATE)平台上提供一种通用的被测半导体器件芯片温度测量方法。
针对原有测量方法的不足，本发明提出了可利用集成电路自动测试系统配置的电压电流源，对被测半导体器件施加电信号，并测量相应信号，将测试结果代入通过校准得到的温度系数关系式，计算得出当前的芯片温度，以此为依据，控制测试温度的精度在±1℃以内，即可真实反映封装内半导体器件芯片的工作温度。
测试原理依据：
组成集成电路的基本半导体器件，在工作状态下，大多数是与温度呈线性相关的。如果能通过测量得到这些集成电路内部基本半导体器件的温度系数关系式，那么就能通过测量该基本半导体器件在规定工作状态下的电压值，再对比温度系数关系式，就可以推算出集成电路封装内部芯片当前的工作温度。这个温度系数关系式属于该集成电路的特征，无论外部处于何种集成电路自动测试系统上，只要满足该集成电路内部基本半导体器件工作在规定的工作状态下，即能测量出该基本半导体器件的电压值，进而推算出该基本半导体器件的所处温度，从而反映该集成电路封装内部芯片的温度。该集成电路的温度系数关系式代表了该集成电路特定的结构，因此具有这个特定结构的同型号集成电路都适用与该温度系数关系式，只需要对该型号集成电路中的某一个产品进行温度系数关系式测定，该关系式就能代表该型号集成电路下所有产品。
如图2所示，恒流源在对集成电路封装内部芯片基本半导体器件(选取为PN结)施加一固定强度电流(1mA为例)，且该强度电流不会使集成电路形成明显发热，集成电路封装外部工作温度稳定的情况下，电压表读数值稳定。当集成电路封装外部工作温度发生变化引起集成电路内部芯片温度变化时，电压表读数亦随之变化，且两者之间的变化为线性关系。当温度值保持得足够久，集成电路外部温度与内部芯片温度将达到热平衡状态，即集成电路外部温度与内部温度相等。通过选取不同温度点，使集成电路内外部温度达到热平衡，分别测量不同温度点对应的电压表读数，将得到的数据进行计算即可得出温度系数关系式。该温度系数关系式为集成电路的特征，只要连接的集成电路自动测试系统能施加相同强度的电流，测量得到的电压读数即能通过温度系数关系式推算出集成电路内部芯片当前所处温度。
为此，本发明提供一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，如图1所示。包括如下测试步骤：
一、测量仪器准备：1.恒温箱(箱内温度稳定性±0.5℃，均匀性±0.5℃)；2.恒流源(1mA～20mA，电流精度10uA)；3.电压表(6位半及以上)；4.自动测试系统(ATE)；5.热电偶(可选)。
二、温度敏感参数的获取
温度敏感参数的获取。温度敏感参数主要来源于PN结的正向导通电压、晶体管的饱和电压、场效应管的栅极开启阈值。本发明主要应用PN结的正向导通电压作为温度敏感结构进行芯片温度测量。PN结在芯片上随处可见，主要来源有二极管结构、双极型晶体管结构、场效应管，二极管结构常见于芯片上起静电防护功能的保护二极管、稳压二极管、；双极性晶体管结构上基极-集电极或者基极-发射极、场效应管上的寄生二极管。PN结的选取，该PN结应与封装引脚直接连接，便于连接测试仪器。
三、二极管PN结温度校准
将恒流源两端与被测PN结两端引脚连接，其中恒流源的电流流出端与PN结P极相连，恒流源的电流流入端与PN结N极相连。将电压表测量模式调整为直流电压测量模式，测压端表笔与PN结P极相连，公共端表笔与PN结N极相连。在PN结的线性参数范围内，调整恒流源的输出电流强度，一般而言以1mA为宜，此时可以从电压表显示屏幕上读出此时PN结的正向导通电压。将连接好的被测产品放入恒温烘箱内，电压表和恒流源放置在恒温烘箱外部，连接的导线从恒温烘箱门缝或者预留的小开口引出，恒温烘箱尽可能密闭(如图2所示)。对于有可靠性保证的产品，恒温烘箱施加温度范围为产品的工作温度范围(即-55℃至125℃、-40℃至85℃等)，相邻两次设置的温度间隔为5℃。此步骤的关键为判断产品封装内部芯片是否达到烘箱设置的温度，并记录下恒定温度下的温度敏感参数测量值。判断方法是当恒温烘箱的指示温度达到设定温度后，观察电压表的电压读数，直至读数变化不再以单一方向不断变大或变小，且读数的变化仅在最低两个小数位来回变化，此时可认为产品封装内芯片已达到预设温度，将温度值TJ与电压表电压读数值VJ进行记录。当完成所有温度设置点的数据记录后，以温度值的变化为纵轴，电压值的变化为横轴，对数据进行线性回归计算，得到形式为TJ＝m×VJ+T0的线性关系(m是线性回归计算得到的直线的斜率，T0是直线与Y轴的相交截距)。
四、电压温度关系式写入测试代码
将自动测试系统(ATE)供电源与测量源按照图2所示的连接方式与被测产品进行连接，编辑测试代码，供电源设定输出与第三步骤恒流源电流强度一致的电流，测量源进行电压值的同步测量。将所得到电压值代入第三步骤得到的TJ＝m×VJ+T0关系式，控制测试软件输出TJ值。将测试代码编译更新至自动测试系统(ATE)该产品的测试程序中。
五、对被测产品施加恒定温度
将被测产品放入恒温烘箱，设置电性能测试所需的温度值，保持一定的时间(30分钟左右)，确保产品内部芯片达到设定温度值。
六、测量并计算得到芯片温度
将被测产品从恒温横向内取出，快速安装至自动测试系统测试夹具上，运行测试代码。自动测试系统按照测试代码输出设定的电流值，控制测量源对电压进行测量，将电压值带入关系式计算得到被测产品芯片温度值TJ并输出。测试人员此时在测试软件上读取到被测产品芯片当前的温度值。
由上述得知，本发明只需要对某一型号集成电路中的一个产品进行温度系数关系式测量，该关系式就能应用在不同型号的集成电路自动测试系统上，且能适用该型号集成电路不同生产批次的产品，具有长久的时效性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明立足于对被测半导体器件封装内部芯片温度的直接测量，而非原有技术仅仅测量被测半导体器件封装外部工作环境温度。
本发明实现了集成电路在全温区内测量电性能参数时读取封装内部芯片的温度，测量数据具备实时性。
本发明涉及的测量方法可长期支持具有相同设计结构版图的集成电路芯片的温度测量。设计定型的晶圆版图所选取的制造工艺通常不会改变，制造工艺的微小偏差影响有限，处在本发明测量精度范围内。即对某定型产品只需进行一次校准，测试代码可支持该型产品生命周期内的温度测量。
本发明可适用于所有硅材料半导体集成电路，校准所需的设备均为通用仪表设备无专用设备，自动测试系统所需的供电源与测量源为普遍的基础配置，无特殊配置。
附图说明
图1为本发明测量过程的步骤示意图。
图2为本发明测量装置架构示意图。
图3为内含PN结的被测样品芯片简化示意图。
图4为被测样品温度校准过程连接示意图。
图5为被测样品二极管温度校准效果示意图
具体实施方式
本实施例选取贵州振华风光半导体股份有限公司生产的精密可调电压基准器作为被测产品，内含PN结的被测样品芯片简化示意图如图3所示。可以看到，被测样品从引出端连接至内部电路存在可选为温度校准的二极管，可选取此二极管进行测量。
按照图2及图4所示的连接示意图将被测样品连结至恒流源和电压表后，放入恒温烘箱，设置恒温温度，等待温度达到设定温度，电压表读数稳定，记录此时温度及电压表读数。随后恒温烘箱设置间隔5℃的下一个温度点，重复以上步骤，直至测完工作温度范围内的温度点。
将记录得到的所有数据进行线性回归计算，得到如图5所示的关系曲线图。横轴x为电压表读数，纵轴y为芯片温度。
将此关系式编写入自动测试系统的测试代码内，同时制作与图4所示的相应测试线路，将被测产品与自动测试系统连接。运行测试代码，得到如表1所示的测量结果。结果行号从0.0至6.0为被测产品其他电性能参数测试结果，行号8.0为温度TJ测量结果。产品为常温状态，测试结果为25.8℃，与室温相符，此测量结果能实时反映产品芯片温度。
表1被测样品测试结果
以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测量仪器准备：恒温箱、恒流源、电压表、自动测试系统；
(2)温度敏感参数的获取：
通过半导体器件芯片上与封装引脚直接连接的PN结的正向导通电压作为温度敏感结构进行芯片温度测量，获取温度敏感参数；
(3)二极管PN结温度校准：
将恒流源两端与被测PN结两端引脚连接，其中恒流源的电流流出端与PN结P极相连，恒流源的电流流入端与PN结N极相连；
将电压表测量模式调整为直流电压测量模式，测压端表笔与PN结P极相连，公共端表笔与PN结N极相连；
在PN结的线性参数范围内，调整恒流源的输出电流强度到设定值，从电压表显示屏幕上读出此时PN结的正向导通电压；
将连接好的被测产品放入恒温烘箱内，电压表和恒流源放置在恒温烘箱外部，连接的导线从恒温烘箱门缝或者预留的小开口引出，关闭恒温烘箱门；
根据产品的工作温度范围，给恒温烘箱施加设定的温度范围，按温度变化要求设置相邻两次的温度变化间隔，每个温度点充分恒温后，记录下恒定温度下的温度敏感参数测量值：温度值TJ与电压表电压读数值VJ；
完成所有温度设置点的数据记录后，以温度值的变化为纵轴，电压值的变化为横轴，对数据进行线性回归计算，得到线性关系的电压温度关系式TJ＝m×VJ+T0；
(4)电压温度关系式写入测试代码：
将自动测试系统供电源与测量源按设定的连接方式与被测产品进行连接，编辑测试代码，供电源设定输出与第(3)步骤恒流源电流强度一致的电流，测量源进行电压值的同步测量；
将所得到电压值代入第(3)步骤得到的TJ＝m×VJ+T0关系式，控制测试软件输出TJ值；
将测试代码编译更新至自动测试系统该产品的测试程序中；
(5)对被测产品施加恒定温度：
将被测产品放入恒温烘箱，设置电性能测试所需的温度值，保持一定的时间，确保产品内部芯片达到设定温度值；
(6)测量并计算得到芯片温度：
将被测产品从恒温箱中取出，快速安装至自动测试系统测试夹具上，运行测试代码；
自动测试系统按照测试代码输出设定的电流值，控制测量源对电压进行测量，将电压值带入关系式计算得到被测产品芯片温度值TJ并输出，即可在测试软件上读取到被测产品芯片当前的温度值。
2.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述恒温箱的箱内温度稳定性±0.5℃，均匀性±0.5℃。
3.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述恒流源的输出电流为1mA～20mA，电流精度为10uA。
4.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述电压表的精度为6位半及以上。
5.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述测量仪器包括热电偶。
6.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述温度敏感参数的获取来源为：PN结的正向导通电压、晶体管的饱和电压或场效应管的栅极开启阈值。
7.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述调整恒流源的输出电流强度为1mA。
8.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述恒温烘箱施加温度范围-55℃至125℃或-40℃至85℃。
9.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述恒温烘箱相邻两次设置的温度间隔为5℃。
10.如权利要求1所述的一种用于跨平台监测芯片温度的测量方法，其特征在于，所述恒温烘箱的恒温保持时间为30分钟。
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