DE112010000729B4

DE112010000729B4 - Integrierte Einheit für elektrisches Testen/ Zuverlässigkeitstesten mit verbesserter thermischer Kontrolle

Info

Publication number: DE112010000729B4
Application number: DE201011000729
Authority: DE
Inventors: Mirtcha LUPASHKU; Jacob Herschmann; Gedaliahoo Krieger
Original assignee: QualiTau Inc
Current assignee: QualiTau Inc
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN102317802B; TW201100823A; SG172233A1; US20100201389A1; KR101289615B1; US7888951B2; JP2012517591A; JP5313368B2; WO2010093517A2; DE112010000729T5; TWI454718B; KR20110113767A; CN102317802A; WO2010093517A3

Abstract

Thermisch regelbare integrierte Einheit, die eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling (Device Under Test, DUT) aufzunehmen, umfassend: zumindest eine Heizplatte (THB, BHB), die aus thermisch leitendem Material besteht und mit zumindest einem globalen Heizelement (GHR, GHL) ausgestattet ist, das auf die zumindest eine Heizplatte (THB, BHB) aufgedruckt ist und eingerichtet ist, eine DUT-Platte (DUTB) aufzuheizen; und die DUT-Platte (DUTB), die in thermischem Kontakt mit der zumindest einen Heizplatte (THB; BHB) steht, wobei die DUT-Platte (DUTB) eine Vielzahl von Fassungen beinhaltet, von denen jede eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling (DUT) aufzunehmen, und die DUT-Platte (DUTB) Leitungspfade aufweist, um elektrische Signale zwischen Test-Equipment und den Anschlusspunkten des zumindest einen Prüflings (DUT) in den Fassungen zu leiten, wobei jede Fassung einen zugeordneten Temperatursensor (SENT) und ein separat steuerbares lokales Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) beinhaltet, das eingerichtet ist, das lokale Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) für diese Fassung basierend auf einer Temperaturangabe von dem Temperatursensor (SENT) zu aktivieren, um den zumindest einen Prüfling (DUT) in dieser Fassung aufzuheizen, und wobei das lokale Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) ein aufgedrucktes, heizendes Element ist.

Description

Hintergrund
Das Testen der Zuverlässigkeit von Halbleitern erfordert eine präzise elektrische Beanspruchung und Messungen unter einer strengen Temperaturkontrolle. Typische Testtemperaturen reichen von knapp über Raumtemperatur bis zu T_max ~350°C, wobei räumliche Temperaturschwankungen durch Unterschiede in der Selbsterwärmung (Joule Heating) von einem Prüfling (Device Unter Test, DUT) zu einem anderen verschärft werden. Zudem sind DUT-Fassungen, Leiterplatten (DUT-Platten) und Isolationsmaterialien, die für Temperaturen unterhalb 250°C leicht erhältlich sind, für höhere Temperaturen schwierig herzustellen.
Konvektionsöfen, die für den benötigten Temperaturbereich optimiert sind, werden in der Industrie seit vielen Jahren benutzt. Diese Öfen haben jedoch zwei inhärente Schwächen, die ihre Leistung begrenzen: (i) das große Volumen, das mit deren Heizmechanismus (Heißluft-Konvektion) verbunden ist, ist wenig geeignet, wenn eine geringe Anzahl (5 bis 15) von DUTs pro Temperatur erforderlich ist; (ii) definitionsgemäß ist die Temperaturkontrolle global, sodass lokale Temperaturschwankungen und Ungleichförmigkeiten oft problematisch sind.
Beispielhafter Stand der Technik ist aus der DE 69201923 T2 bekannt. Hierin ist eine Einbrennvorrichtung offenbart, die mindestens eine Einbrennplatte zur Anbringung einer Mehrzahl von Halbleitervorrichtungen mit eingebauten Halbleiterchips, eine Einbrennprüfkammer zur Aufnahme der besagten Einbrennplatten, eine Messeinrichtung zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften von in die jeweiligen Halbleiterchips eingebauten Temperaturfühlern, um Übergangstemperaturen der jeweiligen Halbleiterchips zu messen, eine Heizeinrichtung zur selektiven Erwärmung der jeweiligen Halbleitervorrichtungen, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der besagten Heizeinrichtung auf der Grundlage von Ausgangsgrößen der besagten Messeinrichtung umfasst, sodass Übergangstemperaturen der jeweiligen Halbleitervorrichtungen in einem eingestellten Übergangstemperaturbereich liegen. In der Einbrennprüfkammer ist weiterhin eine Temperatureinstelleinheit vorgesehen, um eine Umgebungstemperatur in der Einbrennprüfkammer durch Einblasen erwärmter Luft oder durch Aufheizen mit einer Heizung anzupassen. In der Einbrennprüfkammer ist eine Laserstrahl-Bestrahlungseinrichtung als Heizeinrichtung zur Erwärmung der Halbleitervorrichtungen vorgesehen. Die Halbleitervorrichtungen werden selektiv mit Laserstrahlen bestrahlt.
Ein anderer Ansatz hat zu einer kleinen Ofeneinheit geführt, die mit einer einzelnen DUT-Platte (Stand der Technik: US Patent No. 6,097,200 ) integriert ist, wobei die zu testenden Prüflinge (DUTs) bei einer kontrollierten Temperatur innerhalb des geforderten Bereichs gehalten werden. Das Konzept basiert auf einer elektrisch geheizten Oberfläche, die die Wärme über mehrere Metallplatten an einen Radiator überführt, der sehr nah an den DUTs positioniert ist. Obwohl die Einheit kompakt ist und keine Luft-Konvektion mit sich bringt, geschieht die Aufheizung global für die gesamte Einheit, mit einem einzelnen Temperatursensor auf der DUT-Platte. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass ein Wechsel der DUT-Platte erforderlich ist, sobald sich die PIN-Anordnung der gehäusten DUTs ändert.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt ist eine thermisch kontrollierbare integrierte Einheit eingerichtet, Prüflinge aufzunehmen. Die integrierte Einheit beinhaltet zumindest eine Heizplatte, die aus thermisch-leitendem Material besteht und mit zumindest einem globalen Heizelement ausgestattet ist, das dazu eingerichtet ist, die DUT-Platte global zu beheizen, Eine DUT-Platte der integrierten Einheit beinhaltet eine DUT-Platte, die im thermischen Kontakt mit der zumindest einen Heizplatte steht, wobei die DUT-Platte eine Vielzahl von Fassungen aufweist, von denen jede dazu eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling aufzunehmen. Der Prüfling weist Leitungspfade auf, um elektrische Signale zwischen Test-Equipment und den Prüflingsanschlusspunkten in den Fassungen zu leiten. Jede Fassung beinhaltet einen assoziierten Temperatursensor und ein separat kontrollierbares lokales Heizelement, das eingerichtet ist, einen Prüfling in dieser Fassung basierend auf einer Temperaturangabe von dem Temperatursensor aufzuheizen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Explosionsdarstellung einer DUT-Plattenanordnung gemäß einem Aspekt.
2 ist eine Explosionsdarstellung einer DUT-Plattenanordnung ohne Pufferplatten.
3 ist eine Draufsicht auf eine DUT-Fassung.
4 ist eine Querschnittsansicht der DUT-Fassung von 3.
5 ist eine Draufsicht auf eine Fassungsbodenplatte mit Temperatursensor.
6 ist eine Explosionsdarstellung der DUT-Fassung und deren Temperatursensor.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfinder haben eine Heiz- und Integrationstechnologie erkannt, bei der speziell entworfenen Heizplatten, an denen globale und lokale elektrische Heizelemente aufgebracht sind, derart mit einer DUT-Platte integriert werden können, dass die DUT-Fassungen in direktem physikalischen Kontakt mit einem lokalen Heizelement stehen können. Zusätzlich wird ein dedizierter Temperatursensor innerhalb jeder DUT-Fassung physikalisch integriert. Das Ergebnis ist in der Praxis eine exzellente Temperaturkontrolle an jedem einzelnen DUT, ungeachtet von räumlichen Ungleichförmigkeiten und Unterschieden in der joule'schen Erwärmung von einem DUT zu einem anderen. Schließlich kann die Einheit eine leicht zugängliche Leiterplatte außerhalb des beheizten Bereichs beinhalten, an der das notwendige Verbinden durch Einsteckbrücken (Plug-in Jumpers) manuell „programmiert” werden kann; dadurch eignet sie sich für einen weiten Bereich von Verbindungskonfigurationen.
Im Folgenden wird auf 1 Bezug genommen, Gemäß einem Aspekt beinhaltet eine primäre Komponente, die hierin als „DUT-Plattenanordnung” („DUT Board Assembly”) bezeichnet wird, zwei identische Heizplatten, zwei identische Pufferplatten, eine DUT-Platte und Fassungen. Eine perspektivische Explosionsansicht eines Beispiels einer solchen DUT-Plattenanordnung ist in 1 gezeigt. Jede Heizplatte (THB: obere Heizplatte; und BHB: untere Heizplatte) kann aus Metall (wie z. B. nichtrostendem Edelstahl) hergestellt sein und einen dünnen dielektrischen Film zur Isolation aufgedruckt haben. Heizelemente befinden sich auf der dielektrischen Schicht (wie z. B. durch Aufdrucken), während aufgedruckte goldene Linien eine robuste Konnektivität mit geringem Widerstand für externe Impulse bereitstellen und auch als Verbindung zwischen den Heizelementen, soweit notwendig, dienen. Die Pufferplatten können aus elektrisch isolierendem, aber thermisch leitendem Material (z. B. Mica) hergestellt sein und befinden sich zwischen den Heizplatten und der DUT-Platte, um eine exzessive mechanische Belastung der gedruckten Schichten auf der DUT-Platte zu vermeiden. Diese Pufferplatten haben, in einem Beispiel, keinen funktionalen Zweck an sich und werden daher in 1 nur zu Anschauungszwecken gezeigt. Die folgende Beschreibung basiert auf 2, die ähnlich der 1 ist, aber keine Pufferplatten aufweist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Anordnung „zweiseitig”; sie weist nämlich DUTs an beiden Seiten der DUT-Platte auf.
Im Folgenden wird auf 2 Bezug genommen. Die obere Heizplatte THB (Top Heater Board) ist mechanisch an die obere Seite der DUT-Platte DUTB angefügt, während die untere Heizplatte BHB (Bottom Heater Board) mechanisch an die untere Seite der DUT-Platte angefügt ist. Bezüglich der 2 sind die Ausdrücke „obere Seite” und „untere Seite” zufällig gewählt, da es keine obere oder untere Seite an sich gibt, sondern nur zwei Seiten mit einem symmetrischen Aufbau und Layout. In 2 weist jede Heizplatte insgesamt acht Heizelemente auf, wobei die Anzahl von einer speziellen Ausführungsform zu einer anderen je nach Notwendigkeit variieren kann. Vier Heizelemente, LH1, LH2, LH3 und LH4, sind „lokal”; jedes lokale Heizelement ist nämlich unterhalb einer einzelnen Fassung angeordnet. Die globalen Heizelemente, GHL und GHR, befinden sich jeweils an der linken und rechten Seite der Heizplatte und beheizen als solche die gesamte DUT-Platte und nicht nur eine spezielle Fassung. Die zwei übrigen Elemente, BH und TH, befinden sich jeweils auf der oberen und unteren Seite der Heizplatte. Diese Heizelemente kontrollieren die lokale Temperatur der oberen und unteren Fassung und kompensieren auch Wärmeverluste an den oberen und unteren Kanten. Es ist zu beachten, dass jedes einzelne der Heizelemente unabhängig voneinander auf ein geeignetes Level aktiviert oder ausgeschaltet werden kann, ohne den Zustand der anderen zu beeinflussen. In einem Beispiel wird die unabhängige Kontrolle der Heizelemente durch Verwendung von federbelasteten Zapfen („Pogo Pins”) erreicht, um die elektrischen Impulse über vergoldete Pads (PCS in 2) einzuspeisen.
Im Allgemeinen kann der Großteil der Wärme über die globalen Heizelemente geliefert werden und die lokalen Heizelemente werden in erster Linie dazu verwendet, die DUT-Temperatur fein abzustimmen. Die starke thermische Kopplung zwischen den globalen Heizelementen und der DUT-Platte sowie zwischen jedem DUT-Gehäuse, seiner Fassung und dem darunter liegenden lokalen Heizelement resultiert in einer genauen, stabilen und schnellen Temperaturkontrolle der DUTs.
Die 3, 4 und 5 werden verwendet, um das thermische Geschehen rund um den DUT in näherem Detail zu zeigen. Es ist zu beachten, dass die in dieser Anwendung gezeigte spezielle Fassung (wie in US Patent 6,798,228 offenbart) sowie das gezeigte DUT-Gehäuse ein Beispiel darstellen und im Allgemeinen jede Hochtemperaturfassung mit einem integrierten Temperatursensor, der in engem thermischen Kontakt mit einem lokalen Heizelement steht, verwendet werden kann; zu dessen Aufnahme können geeignete DUT-Platten und Heizplatten hergestellt werden.
Die DUT-Fassung ist in dem gezeigten Beispiel aus zwei Platten hergestellt: Sb – die untere Platte und St – die obere Platte. Der Temperatursensor SENT ist in einer Auskerbung in der unteren Platte eingesetzt und seine Anschlussdrähte sind durch die leitenden Federn (SPR) und die Buchsen (PIN) verbunden. In ähnlicher Weise sind die Anschlusspunkte des gehäusten DUT in die Löcher in der oberen Platte und die Buchsen eingesetzt und kontaktieren die darunterliegenden Pads (SPAD) auf der DUT-Platte DUTB. Die mit der Federaktion und der mechanischen Anlagerung der Buchsen verbundenen Details und die Vorteile dieses Kontaktierungsschemas sind bekannt (siehe z. B. US Patent 6,798,228 ) und werden hier nicht weiter diskutiert.
Die untere Fassungsplatte SB ist derartig ausgeformt, dass der Bereich der Buchsenpins ausbaucht und dadurch in den Aussparungen CUTO in der Heizplatte THB (oder BHB) anliegt. Der mittlere Teil von Sb mit dem Temperatursensor berührt praktisch das zugehörige lokale Heizelement der Heizplatte. Insgesamt formen die Fassung, ihr lokales Heizelement, ihr Temperatursensor, das DUT-Gehäuse und die DUT-Platte eine wohlgekoppelte, enge Anordnung mit effizienten thermischen, elektrischen und mechanischen Merkmalen, was besonders in 6 gezeigt ist.
Wenn ein typischer Hochtemperaturtest beginnt, werden die Temperaturen aller individuellen Sensoren durch eine bestimmte mikrocontrollerbasierte Einheit gelesen. In den meisten Fällen sind diese Temperaturen viel geringer als die beabsichtigte Testtemperatur, sodass alle Heizelemente angeschaltet werden. Die Kontrolleinheit liest die Temperaturen kontinuierlich aus und schaltet die verschiedenen Heizelemente basierend auf einem Temperaturkontrollalgorithmus, der üblicherweise als „PID” (Proportional-Integral-Differential) bezeichnet wird, dynamisch aus und ein. Die einzigartige Kombination von „globalen” Heizelementen sowie fassungsbezogenen („lokale”) Heizelementen stellt eine genaue, reaktionsfähige und energieeffiziente Temperaturkontrolle an jedem einzelnen getesteten Gehäuse bereit.
Es ist daher zu erkennen, dass unter Verwendung von sowohl globalen als auch lokalen elektrischen Heizelementen eine exzellente Temperaturkontrolle an jedem DUT ungeachtet von räumlichen Ungleichförmigkeiten und Unterschieden im joule'schen Erwärmen von einem DUT zu einem anderen bereitgestellt werden kann.
Zudem kann die Anordnung derart implementiert werden, dass eine Konnektivitäts-Personalisierung unterstützt wird. Im Allgemeinen ist ein DUT in einer Weise mit seinem Gehäuse verbunden, die einzigartig für dieses DUT ist. Zum Beispiel können in einem typischen 20-Pin-Gehäuse der Pin 1 mit einer Stromquelle (+), der Pin 5 mit einer Stromsenke (–) und die Pins 11 und 17 mit zugehörigen Abtastpins verbunden sein. In einem anderen 20-Pin-DUT können jedoch die gleichen Pins in anderer Weise für die Verbindung mit den gleichen Signalen konfiguriert sein. In einigen Beispielen können Zapfen oder Jumper bereitgestellt werden, um zu rekonfigurieren, wie die Pins mit den Testsignalen verbunden werden, sodass die gleiche Hardware (z. B. die Fassungen) für eine große Vielfalt von Hardware-Konfigurationen verwendet werden kann.

Claims

Thermisch regelbare integrierte Einheit, die eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling (Device Under Test, DUT) aufzunehmen, umfassend: zumindest eine Heizplatte (THB, BHB), die aus thermisch leitendem Material besteht und mit zumindest einem globalen Heizelement (GHR, GHL) ausgestattet ist, das auf die zumindest eine Heizplatte (THB, BHB) aufgedruckt ist und eingerichtet ist, eine DUT-Platte (DUTB) aufzuheizen; und die DUT-Platte (DUTB), die in thermischem Kontakt mit der zumindest einen Heizplatte (THB; BHB) steht, wobei die DUT-Platte (DUTB) eine Vielzahl von Fassungen beinhaltet, von denen jede eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling (DUT) aufzunehmen, und die DUT-Platte (DUTB) Leitungspfade aufweist, um elektrische Signale zwischen Test-Equipment und den Anschlusspunkten des zumindest einen Prüflings (DUT) in den Fassungen zu leiten, wobei jede Fassung einen zugeordneten Temperatursensor (SENT) und ein separat steuerbares lokales Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) beinhaltet, das eingerichtet ist, das lokale Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) für diese Fassung basierend auf einer Temperaturangabe von dem Temperatursensor (SENT) zu aktivieren, um den zumindest einen Prüfling (DUT) in dieser Fassung aufzuheizen, und wobei das lokale Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) ein aufgedrucktes, heizendes Element ist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei: die zumindest eine Heizplatte (THB, BHB) zwei Heizplatten (THB, BHB) sind, und die DUT-Platte (DUTB) zwischen den zwei Heizplatten (THB, BHB) eingefügt ist.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: eine Pufferplatte, die aus einem elektrisch isolierenden, doch thermisch leitenden Material besteht und sich zwischen der zumindest einen Heizplatte (THB, BHB) und der DUT-Platte (DUTB) befindet, wobei die Pufferplatte der DUT-Platte (DUTB) eine mechanische Stütze bietet, um eine exzessive mechanische Beanspruchung einer auf der DUT-Platte (DUTB) aufgedruckten Schicht zu vermeiden.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Temperatursensor (SENT), der jeder DUT-Fassung zugeordnet ist, sich in einer dieser DUT-Fassung zugeordneten Auskerbung befindet und jeder Anschlussleiter des Temperatursensors (SENT) mittels einer Feder (SPR) mit einem elektrischen Pfad auf der zumindest einen Heizplatte (THB, BHB) gekoppelt ist, wobei der Anschlussleiter durch einen Pin (PIN) an die Feder (SPR) gedrückt wird.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: zumindest einige der globalen Heizelemente (GHR, GHL) und der lokalen Heizelemente (LH1, LH2, LH3, LH4) jeweils mit einem elektrischen Pfad auf der zumindest einen Heizplatte (THB, BHB) gekoppelt sind, wobei der elektrische Pfad ein Pfad zu einem externen Verbindungselement darstellt, über das die Aktivierung und Deaktivierung des Heizelements (LH1, LH2, LH3, LH4, GHR, GHL) gesteuert werden kann.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: zumindest einige der globalen Heizelemente (GHR, GHL) und der lokalen Heizelemente (LH1, LH2, LH3, LH4) mit einem elektrischen Pfad auf der zumindest einen Heizplatte (THB, BHB) gekoppelt sind, wobei der elektrische Pfad ein Pfad zu einem Kontaktpin darstellt, der einen darin eingefügten federbelasteten Zapfen aufweist und der Kontaktpin eine externe Verbindung bereitstellt, über die die Aktivierung und Deaktivierung des Heizelements der globalen Heizelemente (GHR, GHL) und der lokalen kontrolliert werden kann.
Einheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Leitungspfade für das Leiten elektrischer Signale zwischen Test-Equipment und den Anschlusspunkten der Prüflinge (DUT) in den Fassungen rekonfigurierbar sind.
Einheit nach Anspruch 7, wobei: die rekonfigurierbaren Leitungspfade Zapfen oder Steckbrücken umfassen, die bereitgestellt sind, um zu rekonfigurieren, wie die Pins der Prüflinge (DUT) in den Fassungen an Testsignale verbunden werden.
Verfahren zum Steuern von Heizelementen (GHR, GHL, LH1, LH2, LH3, LH4) einer integrierten Einheit, die eingerichtet ist, zumindest einen Prüfling (Device Under Test, DUT) aufzunehmen, wobei die integrierte Einheit zumindest eine Heizplatte (THB, BHB) enthält, die aus thermisch leitendem Material besteht und mit zumindest einem globalen Heizelement (GHR, GHL) ausgestattet ist, um eine DUT-Platte (DUTB) global zu heizen, und die DUT-Platte (DUTB) in thermischem Kontakt mit der zumindest einen Heizplatte (THB, BHB) steht, wobei die DUT-Platte (DUTB) eine Vielzahl von Fassungen umfasst, wobei jede Fassung eingerichtet ist, einen des zumindest einen Prüfling (DUT) aufzunehmen, und die DUT-Platte (DUTB) Leitungspfade aufweist, um elektrische Signale zwischen Test-Equipment und den Anschlusspunkten der Prüflinge (DUT) in den Fassungen zu leiten, wobei jede Fassung einen zugeordneten Temperatursensor (SENT) und ein separat steuerbares lokales Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) beinhaltet, die dazu eingerichtet sind, ein lokales Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) für diesen Sockel basierend auf einer Temperaturangabe von dem Temperatursensor (SENT) zu aktivieren, um einen Prüfling (DUT) in dieser Fassung lokal zu heizen, wobei das lokale Heizelement (LH1, LH2, LH3, LH4) ein aufgedrucktes, heizendes Element ist und das Verfahren umfasst: Steuern des zumindest einen globalen Heizelements (GHR, GHL), um die DUT-Platte (DUTB) global zu heizen, wobei das zumindest eine globale Heizelement (GHR, GHL) auf die zumindest eine Heizplatte (THB, BHB) aufgedruckt ist; und Empfangen von Signalen von den Temperatursensoren (SENT) und, darauf basierend, selektives Aktivieren der lokalen Heizelemente (LH1, LH2, LH3, LH4), um eine gewünschte Temperatur an jeder Fassung aufrecht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das selektive Aktivieren der lokalen Heizelemente (LH1, LH2, LH3, LH4) ein Verarbeiten der empfangenen Temperatursensorsignale gemäß einem Proportional-Integral-Differential-Algorithmus beinhaltet.