JP2006189340A - 半導体デバイスの検査システムおよび検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境試験における半導体デバイスの接続部を簡易に検査する。
【解決手段】検査システムは、接続端子部に接続される抵抗回路網４と、定電流源装置５と、電圧モニタ装置６とを備える。抵抗回路網４は、観測端Ｐから見込んだ抵抗値が接続端子部毎の短絡開放に応じて変化して開放した接続端子部が同定可能となるように構成される。また、定電流源装置５は、観測端Ｐに接続され、観測端Ｐに所定の電流を供給する。さらに、電圧モニタ装置６は、観測端Ｐに接続され、観測端Ｐでの電圧値の変化を測定することで、どの接続端子部が開放したかを判別する。環境試験槽９に入れた状態における半導体デバイス１の各接続端子部と、抵抗回路網４を介して２本の配線（１本は接地線である）で定電流源装置５および電圧モニタ装置６とが接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの検査装置および検査方法に関し、特に環境試験における半導体デバイスの接続部を検査する装置および方法に関する。

半導体デバイスの寿命及び耐環境性を確認するためには環境試験が実施される。その際、半導体デバイスの接続端子部や２次実装基板との接続信頼性を確認するためには、インサーキットテスタのような高額な検査設備と検査用基板及び検査設備を制御するプログラムも用意する必要があり、大掛りな工数と費用が発生する。また環境試験を行っている間には半導体デバイスの接続端子部や２次実装基板との接続信頼性の確認が行なえず、一旦環境試験を中止させ、半導体デバイスを検査装置で検査する必要があった。したがって、連続的に試験が行われないために、半導体デバイスの端子が不良に至った経緯を容易に把握することができなかった。そこで、環境試験における簡易な検査装置が望まれていた。

このようなシステムに適合するものとして、例えば特許文献１には、多数のサンプルを同時に一つの電源によりテストすることができ、電源の電圧変動を直列接続の抵抗負荷により受けて簡単に検出することができる半導体装置の試験システムが開示されている。このシステムにおいて、被試験半導体装置すなわちサンプルは、複数個の同一のテストパタン、同一デバイス構造のサンプルであり、直列接続の抵抗の抵抗値もほぼ同等のものである。これらのサンプルを並列に接続し、各サンプルそれぞれには、抵抗とスイッチを直列に接続している。上記の並列に接続した各サンプルには、１個の電圧源により、EM試験電流を一斉に流す。各サンプルに流れる総電流値を電流計により継続してモニタする。これにより、総電流値が変化したら、各サンプルに直列接続している上記抵抗の電圧を測定する。このとき電圧の変化している抵抗につながっているサンプルが抵抗変化を起こしたと判定することができる。

特開２０００−１４７０５９号公報 （図１）

一般に環境試験においては、検査対象となる半導体デバイスを環境試験装置内に収容し、半導体デバイスから試験に必要な配線を環境試験装置外部に引き出し、環境試験装置外部に設置する測定装置に接続して測定が行われる。ところで、特許文献１のシステムでは、各半導体デバイスに接続する抵抗は、同一のものを接続し、電圧測定には多チャンネルもしくは複数台用意して、電圧の変化によって半導体デバイスの不良サンプルの特定を行っている。このため、試験のために半導体デバイスを環境試験装置内に収容する場合、少なくともチャンネル数分の配線を環境試験装置内から外部に引き出す必要があり、チャンネル数が多い場合、配線数が極めて多くなってしまう。

前記課題を解決するために本発明の一つのアスペクトに係る半導体デバイスの検査システムは、半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した２次実装基板における検査対象となるそれぞれの接続端子部に接続される抵抗回路網を備え、抵抗回路網は、接続端子部毎の短絡開放に応じて変化する抵抗値を生ずる観測端を有する。また、電流が供給される観測端での電圧値の変化を測定する電圧モニタ装置を備え、接続端子部のうち開放されたいずれかの接続端子部を同定する。

また、本発明の一つのアスペクトに係る半導体デバイスの検査方法は、半導体デバイスの検査システムが半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した２次実装基板における接続端子部の検査を行う方法である。この方法は、検査対象となるそれぞれの接続端子部に、観測端から見込んだ抵抗値が接続端子部毎の短絡開放に応じて変化して開放したいずれかの接続端子部を同定可能とする抵抗回路網を接続し、抵抗値の変化を測定する。

本発明によれば、環境試験装置等に入れた状態における半導体デバイスの各端子の短絡開放の検査を行う際に、環境試験装置の外部に置かれた測定装置と２本（１本は接地線）の配線のみで接続可能であり、検査システムを極めて簡単な構成とすることができる。

本発明の実施形態に係る半導体デバイスの検査システムは、環境試験槽（図１の９）に入れた半導体デバイスを搭載した２次実装基板、または半導体デバイス（図１の１）における接続端子部（図１の３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）を検査対象とする。検査システムは、接続端子部に接続される抵抗回路網（図１の４）と、定電流源装置（図１の５）と、電圧モニタ装置（図１の６）とを備える。抵抗回路網は、観測端（図１のＰ）から見込んだ抵抗値が接続端子部毎の短絡開放に応じて変化して開放した接続端子部が同定可能となるように構成される。また、電流源装置は、観測端に接続され、観測端に所定の電流を供給する。さらに、電圧モニタ装置は、観測端に接続され、観測端での電圧値の変化を測定することで、どの接続端子部が開放したかを判別する。

以上のように構成される検査システムは、環境試験装置等に入れた状態における半導体デバイスの各接続端子部に接続される抵抗回路網に対して、２本の配線（１本は接地線である）で電流源装置および電圧モニタ装置を接続する。したがって、各接続端子部の検査システムが極めて簡単に構成される。以下、実施例に則して、図面を参照し詳しく説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体デバイスの検査システムの構成を示すブロック図である。図１において、検査システムは、抵抗回路網４、定電流源装置５、電圧モニタ装置６を備える。検査対象となる半導体デバイス１と、半導体デバイス１の接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと接続される抵抗回路網４とは、環境試験装置である環境試験槽９内に配置される。環境試験槽９の外に配置される定電流源装置５および電圧モニタ装置６と、抵抗回路網４の一端とが観測端Ｐで接続される。

半導体デバイス１には、複数のＩ／ＯバッファＢＵＦが含まれ、それぞれのＩ／ＯバッファＢＵＦの入力端あるいは出力端は、それぞれ静電気放電保護用のダイオード（ＥＳＤ保護ダイオード）Ｄを介して接地および電源に接続されると共に、半導体デバイス１の外部端子である接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにそれぞれ接続される。接続端子部３ａは、抵抗回路網４内の抵抗値Ｒの抵抗素子の一端に接続され、接続端子部３ｂは、抵抗回路網４内の抵抗値２Ｒの抵抗素子の一端に接続される。同様に、接続端子部３ｃは、抵抗回路網４内の抵抗値４Ｒの抵抗素子の一端に接続され、接続端子部３ｄは、抵抗回路網４内の抵抗値８Ｒの抵抗素子の一端に接続される。抵抗値Ｒの抵抗素子、抵抗値２Ｒの抵抗素子、抵抗値４Ｒの抵抗素子、および抵抗値８Ｒの抵抗素子のそれぞれの他端は、共通とされ、定電流源装置５および電圧モニタ装置６に接続される。

以上のような構成において、定電流源装置５から抵抗回路網４に供給される一定電流によって、抵抗回路網４の接続状態によって変化する電圧が観測端Ｐに生じ、この電圧が電圧モニタ装置６によって測定される。すなわち、接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが全て接続されている状態では、観測端Ｐから見込んだ抵抗値は、Ｒ／／２Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒ（抵抗値Ｒ、２Ｒ、４Ｒ、及び８Ｒからなる各抵抗を並列接続した場合の抵抗値を表す。以下同じ。）に見え、接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのいずれかが開放する（オープンが発生する）と、この抵抗値が変化する。抵抗値の変化を読み取ることで接続端子部の接続状態を判定することができる。

図２は、半導体デバイスの検査時の実装状態を模式的に示す図である。試験対象となる半導体デバイス１と抵抗回路網４を実装した基板７を環境試験槽９内に設置する。半導体デバイス１は、接続端子部３を基板接続部８を介して基板７に取り付ける。また、先に説明したような抵抗値がＲ、２Ｒ、４Ｒ、８Ｒである抵抗素子を基板７の上に取り付けて抵抗回路網４を構成する。基板７上の抵抗回路網４の一端との接続点に１本の配線の一端を接続して取り出し、他端を環境試験槽９外に置かれた定電流源装置５および電圧モニタ装置６に接続する。半導体デバイス１を実装した基板７は、環境試験槽９内で例えば温度試験のような所定の試験環境にさらされる。そして、時間経過と共に、電圧モニタ装置６によって電圧の変化が読み取られ、接続端子部３の切断（オープン）が監視される。

次に、抵抗回路網４における抵抗素子について説明する。先に述べたように抵抗素子の抵抗値は、それぞれ異なった値のものを使う。この時、例えば１番端子（接続端子部）に抵抗値Ｒ、２番端子に抵抗値２Ｒ、３番端子に抵抗値４Ｒ、４番端子に抵抗値８Ｒ・・・・のように係数がそれぞれ倍になっているものが好ましい。これらの抵抗素子は、並列回路として抵抗回路網４を構成し、合成抵抗値は、Ｒ／／２Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒの場合で０．５３３３Ｒとなる。抵抗素子の共通の接続点に定電流源装置５を接続し、電流Ｉを供給する。電圧モニタ装置６は、接続点の電圧を連続でモニタする。その際の電圧の初期値Ｖ＝Ｉ×（Ｒ／／２Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒ）を計測し記録を行っておく。

この状態で半導体デバイスに信頼性試験等の環境負荷をかけながら電圧の状態をモニタし続ける。半導体デバイスの各端子における保護ダイオード部もしくは信号端子部がオープン（切断）になると、電圧値が初期値と比較し異なった値を示す。この異なった値によって、どこの信号端子が切断したかを、初期値Ｖ＝I×（Ｒ／／２Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒ）から求める。

例えばｎ番端子（１番端子部、２番端子部、３番端子部、４番端子部が、それぞれ接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに相当する）が切れた際の電圧値Ｖｎとする。この時、
Ｖ１＝Ｉ×（２Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒ）＝Ｉ×１．１４２９Ｒ
Ｖ２＝Ｉ×（Ｒ／／４Ｒ／／８Ｒ）＝Ｉ×０．７２７３Ｒ
Ｖ３＝Ｉ×（Ｒ／／２Ｒ／／８Ｒ）＝Ｉ×０．６１５４Ｒ
Ｖ４＝Ｉ×（Ｒ／／２Ｒ／／４Ｒ）＝Ｉ×０．５７１４Ｒ
となる。例えばＲ＝１０ｋΩ、Ｉ＝０．１ｍＡとすると初期値はＶ＝０．５３３３［Ｖ］であり、３番端子がオープンになるとモニタ電圧値は０．６１５４［Ｖ］を示す。また、１番端子と２番端子とが切れた際の合成抵抗値は２．６６６７Ｒとなり、１番端子と３番端子とが切れた際の合成抵抗値は１．６Ｒとなり、複数の信号端子が切断した場合であっても、それに応じたモニタ電圧値が検知される。

図３は、試験経過時間と共に各端子がオープンになった際の電圧値の変化の一例を示す図である。試験経過時間に伴い端子部オープン不良が発生すると、初期値（電圧）に対してモニタされる電圧値が上昇する。上記計算で求めた値によって、モニタされた電圧値から何番目の端子がオープンしたかを判断することができる。

以上のように、半導体デバイスの各信号端子にそれぞれ異なった値の抵抗を含む抵抗回路網を接続することによって、変化した電圧値から半導体デバイスのどこの端子がオープンになったかを判定することができる。すなわち、半導体デバイスにおける信号端子部の接続状態や外部端子と接続される基板との接続状態を、環境試験等でストレスを加えながら、かつ環境試験を止めることなく確認し、不良となった端子部を同定することができる。

以上のような接続試験によれば、常時接続状態を把握する事で、正確な破断サイクル数が把握でき、ワイブル解析などの寿命解析を実施する場合、正確な解析ができる。特に、試験中の炉中で異常値を示しても、炉から取り出すと、正常値を示してしまう場合が考えられるが、このような現象の発生を避けることができる。また、常時確認する事で、例えば、低温から高温での変化点で接続が破断する場合、挟み込む基板の膨張率が原因であるか、あるいは、高温時に移行後、破断する場合、クリープ現状が原因である等、の原因の推測が可能となる。

このような試験では、半導体デバイスの、主に、ワイヤボンディング、半田、ボール、チップクラックに対して、正常な組み立てとなっているかが試験される。一般に、製品として構造を決定する前の事前検証として、信頼性試験（ＱＴ）フェーズを設けて、製品版とは別に、内部にＱＴ試験の為の特別な回路（ここでは、抵抗デイジーチェーン）を設けたＴＥＧを作成する。ＴＥＧは、外部に測定器を設ける事で、各端子の応力を想定した接続試験を実施する事が可能である。本実施例では、ＴＥＧを作成せずとも製品チップで直ぐに接続試験が実施できる利点がある。また、ＴＥＧと製品チップでは、内部構造に違いがある事が多く、試験結果に違いが出る事が往々にしてあるが、製品チップで信頼性試験が可能な為に、試験結果に矛盾が生じることがない。

図４は、本発明の第２の実施例に係る半導体デバイスの検査システムの構成を示すブロック図である。図１において、検査システムは、抵抗回路網４ａ、定電流源装置５、電圧モニタ装置６を備える。検査対象となる半導体デバイス１と、半導体デバイス１の接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと接続される抵抗回路網４ａとは、環境試験装置である環境試験槽９内に配置される。環境試験槽９の外に配置される定電流源装置５および電圧モニタ装置６と、抵抗回路網４ａの一端とが観測端Ｐで接続される。図４の検査システムで図１と異なる点は、抵抗回路網４ａのみであり、他は同一であるので、その説明を省略し、以下、抵抗回路網４ａについて説明する。

抵抗回路網４ａは、それぞれの接続端子部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに、それぞれ抵抗値２Ｒの抵抗器の一端を接続する。また、抵抗値２Ｒの抵抗器のそれぞれの他端を、抵抗値Ｒの抵抗器が縦続接続される抵抗器群のそれぞれの節点に接続する。さらに、抵抗器群の一端を、抵抗値２Ｒの抵抗器を介して接地し、抵抗器群の他端を観測端Ｐに接続する。

実施例１で説明したと同様に、半導体デバイスに信頼性試験等の環境負荷をかけながら電圧の状態をモニタし続ける。そして例えばｎ番端子が切れた際の電圧値Ｖｎとすると、この時、
Ｖ１＝Ｉ×２Ｒ
Ｖ２＝Ｉ×６／５Ｒ＝Ｉ×１．２Ｒ
Ｖ３＝Ｉ×２２／２１Ｒ＝Ｉ×１．０４７６Ｒ
Ｖ４＝Ｉ×８６／８５Ｒ＝Ｉ×１．０１１８Ｒ
となる。例えばＲ＝１０ｋΩ、Ｉ＝０．１ｍＡとすると初期値はＶ＝１．０［Ｖ］であり、３番端子がオープンになるとモニタ電圧値は１．０４７６［Ｖ］を示す。

なお、ここで抵抗回路網４、４ａの構成は、一例を示すものであって、観測端Ｐから見込んだ抵抗値が接続端子部毎の短絡開放に応じて変化して開放した接続端子部が同定可能となるような抵抗回路網であれば良い。

本発明の第１の実施例に係る半導体デバイスの検査システムの構成を示すブロック図である。 半導体デバイスの検査時の実装状態を模式的に示す図である。 試験経過時間と共に各端子がオープンになった際の電圧値の変化の一例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る半導体デバイスの検査システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 半導体デバイス
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 接続端子部
４、４ａ 抵抗回路網
５ 定電流源装置
６ 電圧モニタ装置
７ 基板
８ 基板接続部
９ 環境試験槽

Claims (10)

1. 半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した２次実装基板における検査対象となるそれぞれの接続端子部に接続される抵抗回路網を備え、該抵抗回路網は、前記接続端子部毎の短絡開放に応じて変化する抵抗値を生ずる観測端を有し、
   電流が供給される前記観測端での電圧値の変化を測定する電圧モニタ装置を備え、前記接続端子部のうち開放されたいずれかの接続端子部を同定することを特徴とする半導体デバイスの検査システム。
2. 前記半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した前記２次実装基板と、前記抵抗回路網とは、半導体デバイスの環境試験装置内に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの検査システム。
3. 前記電圧モニタ装置は、前記観測端の電圧値の環境試験開始時の初期値を記憶し、前記環境試験装置の環境負荷をかけながら前記初期値からの変化を測定することを特徴とする請求項２記載の半導体デバイスの検査システム。
4. 前記抵抗回路網は、それぞれの前記接続端子部に、それぞれ抵抗値Ｒ、２Ｒ、４Ｒ、８Ｒ、１６Ｒ・・・・の抵抗器の一端を接続し、それぞれの他端を共通として前記観測端に接続する回路網であることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの検査システム。
5. 前記抵抗回路網は、それぞれの前記接続端子部に、それぞれ抵抗値２Ｒの抵抗器の一端を接続し、それぞれの他端を、抵抗値Ｒの抵抗器が縦続接続される抵抗器群のそれぞれの節点に接続すると共に、前記抵抗器群の一端を、抵抗値２Ｒの抵抗器を介して接地し、前記抵抗器群の他端を前記観測端に接続する回路網であることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの検査システム。
6. 半導体デバイスの検査システムが半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した２次実装基板における接続端子部の検査を行う方法であって、
   検査対象となるそれぞれの前記接続端子部に、観測端から見込んだ抵抗値が前記接続端子部毎の短絡開放に応じて変化して開放したいずれかの接続端子部を同定可能とする抵抗回路網を接続し、前記抵抗値の変化を測定することを特徴とする半導体デバイスの検査方法。
7. 前記半導体デバイスまたは半導体デバイスを搭載した前記２次実装基板と、前記抵抗回路網とは、半導体デバイスの環境試験装置内に配置されることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの検査方法。
8. 前記観測端には定電流源を接続して前記観測端の電圧値の環境試験開始時の初期値を記憶し、前記環境試験装置の環境負荷をかけながら前記初期値からの変化を測定することを特徴とする請求項７記載の半導体デバイスの検査方法。
9. 前記抵抗回路網は、それぞれの前記接続端子部に、それぞれ抵抗値Ｒ、２Ｒ、４Ｒ、８Ｒ、１６Ｒ・・・・の抵抗器の一端を接続し、それぞれの他端を共通として前記観測端に接続する回路網であることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの検査方法。
10. 前記抵抗回路網は、それぞれの前記接続端子部に、それぞれ抵抗値２Ｒの抵抗器の一端を接続し、それぞれの他端を、抵抗値Ｒの抵抗器が縦続接続される抵抗器群のそれぞれの節点に接続すると共に、前記抵抗器群の一端を、抵抗値２Ｒの抵抗器を介して接地し、前記抵抗器群の他端を前記観測端に接続する回路網であることを特徴とする請求項６記載の半導体デバイスの検査方法。

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