JP2010066000A - 素子試験装置及び接触子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を精度よく評価する。
【解決手段】素子試験装置１は、半導体素子２０に配設されたコレクタ電極に接触して半導体素子２０を支持する金属板１１と、半導体素子２０に配設されたエミッタ電極２０ｅを押圧しつつ、エミッタ電極２０ｅに接触する伸縮機構を備えた複数の接触子３０ｅと、を備えている。そして、接触子３０ｅの先端部がアルカリ溶液に対し、耐性のある金属で構成されている。このような素子試験装置１によれば、先端部の目減りが防止され、半導体素子２０を精度よく評価することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は素子試験装置及び接触子に関し、特に、半導体素子の電気的特性を試験する素子試験装置及び接触子に関する。

車両機器等で用いられる電力用スイッチング素子として、低損失且つ高速スイッチングが可能なパワー半導体素子が用いられている。
車両機器では、作動させる電流容量が大きいことから、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を並列接続して、所謂パワーモジュールとして用いるのが一般的である。

このパワーモジュールの出荷試験では、モジュール化前に、パワー半導体素子単体でのゲート遮断時の漏れ電流測定、瞬時最大電流値でのスイッチング試験等を行い、不良素子を事前に排除している。

このようなパワー半導体素子を検査する試験装置について以下に説明する。
パワー半導体素子及びその試験装置の一例として、図３にはＩＧＢＴ素子の要部図を示し、図４には素子試験装置の要部斜視図を示している。ここで、図３には、試験用に用いるＩＧＢＴ素子の上面と、その側面が示され、図４には、瞬時最大電流値でのスイッチング試験が可能な素子試験装置の要部構成が示されている。

図３に示すように、ＩＧＢＴ素子１００は、例えば、板状の外形をなし、その主面（上面側）の一部にゲート電極１０１が配置されている。そして、ゲート電極１０１以外の部分のほぼ全面にエミッタ電極１０２を配置している。また、ゲート電極１０１とエミッタ電極１０２との間には絶縁層１０３が設けられ、ゲート電極１０１とエミッタ電極１０２間の絶縁を確保している。更に、ゲート電極１０１とエミッタ電極１０２が配置されている主面の反対側（裏面側）には、コレクタ電極１０４を配置している。

そして、上記のＩＧＢＴ素子１００を、図４に示す如く、素子試験装置２００の基体２０１上に載置する。
ここで、素子試験装置２００にあっては、上述した基体２０１と、金属製の支持台２０２と、多数配置されたコンタクトピン２０３とを含む構成としている。そして、当該支持台２０２に電圧を印加することにより、コレクタ電極１０４に所定の電圧が印加される。

また、素子試験装置２００にあっては、コンタクトピン２０３を矢印の方向に降下させ、コンタクトピン２０３の先端をＩＧＢＴ素子１００のゲート電極１０１及びエミッタ電極１０２に接触させる。

そして、コンタクトピン２０３の中の１本（コンタクトピン２０３ｇ）を接触させ、コンタクトピン２０３ｇを介し、ゲート電極１０１にゲート信号を入力する。
また、エミッタ電極１０２に接触したコンタクトピン２０３においては、これを接地し、エミッタ電極１０２を接地電位とする。

素子試験装置２００に、このような多数のコンタクトピン２０３を配置する理由は、エミッタ電極１０２上での局部的な電流集中を回避するためである。
例えば、１本ないし数本のコンタクトピンのみをエミッタ電極１０２に接触させた場合、エミッタ電極１０２側においては、当該コンタクトピンの先端が点接触するため、当該接触部に電流が集中する。そして、かかる電流集中により、ＩＧＢＴ素子１００内で、局部的な発熱が生じ、ＩＧＢＴ素子１００が破損する場合がある。

このような電流集中を回避するために、多数のコンタクトピン２０３をエミッタ電極１０２に接触させ、各々のコンタクトピン２０３に電流を分散させる。これにより、ＩＧＢＴ素子１００は、局部的な発熱を有することなく、許容発熱温度以下を維持する。

このような素子試験装置２００を用いて、ＩＧＢＴ素子１００のエミッタ電極１０２とコレクタ電極１０４との間に電圧を印加し、ゲート電極１０１にゲート信号を入力する。そして、ＩＧＢＴ素子１００のエミッタ電極１０２とコレクタ電極１０４間の導通または遮断状態を繰り返させ、例えば、スイッチング特性を評価する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３３７２４７号公報（図１０）

しかしながら、製造プロセスに起因して、パワー半導体素子の特定セルに欠陥が存在している場合がある。
このようなパワー半導体素子のスイッチング特性試験を行うと、欠陥が存在するセルのみに大電流が集中して、当該セルからジュール熱が発生してしまう。このため、当該セルまたはセル近傍が溶融する場合がある。

そして、溶融したセル近傍に、コンタクトピン２０３が配置されると、当該コンタクトピン２０３の先端に、パワー半導体素子からの溶融物が付着してしまい、次に試験するパワー半導体素子が損傷を受けてしまう、もしくは試験が正しく行われないという問題があった。溶融物としては、例えば、半導体基材片（シリコン（Ｓｉ）片等）が該当する。

この問題を回避するために、高温のアルカリ溶液（水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液）に定期的にコンタクトピン２０３を浸して、付着した溶融物を洗浄・除去する方法が考えられる。

しかし、コンタクトピン２０３の先端は、通常、炭素系鋼材（ＳＫ鋼）を母材としている。そして、その表面には、電気的な接触を良好にするために、金（Ａｕ）めっきを施している。このような金めっきに、上記溶融物が付着すると、化学反応が生じて、合金（金シリサイド（ＡｕＳｉ））を形成してしまう。更に、この合金は、上記アルカリ溶液に溶解することから、上記洗浄により、コンタクトピン２０３から金めっきが取り除かれてしまい、一旦金めっきが取り除かれてしまうと、その下のＳＫ鋼はアルカリ溶液に比較的溶解し易いため、当該ＳＫ鋼が侵食されてしまうという問題が生じている。

そして、金めっきが残存しているコンタクトピン２０３と、金めっきが取り除かれ、更にその下のＳＫ鋼が侵食されたコンタクトピン２０３とでは、その高さにばらつきが生じてしまう。その結果、後者のコンタクトピン２０３においては、当該コンタクトピン２０３と電極との電気的な接触において、その接触不良を引き起こすという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するものであり、半導体装置を精度よく評価することのできる素子試験装置及び接触子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、半導体素子の電気的特性を評価する素子試験装置であって、前記半導体素子の第１の主面に配設された第１の主電極に接触して、前記半導体素子を支持する支持台と、支持された前記半導体素子の第２の主面に配設された第２の主電極を押圧しつつ、前記第２の主電極に接触する伸縮機構を備えた複数の接触子と、を備え、前記接触子がホルダ部と、前記ホルダ部に対し伸縮する支柱部と、前記支柱部の先端に設けられた先端部と、を有し、前記先端部がアルカリ溶液に対し、耐性のある金属で構成されていることを特徴とする素子試験装置が提供される。

また、半導体素子の電気的特性を評価する接触子であって、ホルダ部と、前記ホルダ部に対し伸縮する支柱部と、前記支柱部の先端に設けられた先端部と、を備え、前記先端部がアルカリ溶液に対し、耐性のある金属で構成されていることを特徴とする接触子が提供される。

上記手段によれば、半導体装置を精度よく評価することのできる素子試験装置及び接触子が実現する。

以下、本実施の形態に係る素子試験装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は素子試験装置を説明するための要部模式図である。当該図１では、素子試験装置１の斜視図が例示されている。また、図１には、被検体である半導体素子２０が併せて図示されている。

素子試験装置１にあっては、セラミックまたは樹脂で構成された基体（絶縁基体）１０と、当該基体１０上に固定された金属板（支持台）１１と、金属板１１に対向するように配置された複数の接触子（コンタクトピン）３０ｅ並びに接触子３０ｇと、を有している。

ここで、金属板１１は、銅（Ｃｕ）を主成分とする材質で構成され、その上面が平坦性よく研磨されている。
また、半導体素子２０は、例えば、図３に例示する縦型のＩＧＢＴ素子１００であり、その上面側に、主電極であるエミッタ電極２０ｅと、制御用電極であるゲート電極２０ｇと、が配置されている。

また、半導体素子２０のエミッタ電極２０ｅが配設されている主面とは反対の主面、即ち半導体素子２０の裏面側においては、他の主電極であるコレクタ電極（図示しない）が配置されている。そして、金属板１１とコレクタ電極とが接触するように、金属板１１上に半導体素子２０が載置されている。

これらのゲート電極２０ｇ、エミッタ電極２０ｅ、並びにコレクタ電極は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属により構成されている。
尚、ここで用いた半導体素子２０は、上記素子に限ることはない。例えば、縦型のパワーデバイスであれば、当該素子試験装置１に適用される。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）素子またはＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子であってもよい。但し、ＦＷＤ素子の場合は、上記ゲート電極２０ｇに対応する部位がないものとなる。

また、素子試験装置１にあっては、エミッタ電極２０ｅの上方に、当該エミッタ電極２０ｅと電気的な接触を図るための複数の接触子３０ｅが配置されている。また、ゲート電極２０ｇの上方には、当該ゲート電極２０ｇと電気的な接触を図るための接触子３０ｇが配置されている。このような接触子３０ｅ、接触子３０ｇは棒状であり、接触子ヘッド４０内にその一部を挿通させている。即ち、それぞれの接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇは、接触子ヘッド４０に支持されている。

また、素子試験装置１にあっては、複数の接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇを、半導体素子２０のエミッタ電極２０ｅ並びにゲート電極２０ｇに同時に押し付ける加重機構（押圧機構）を備えている（図示しない）。

また、接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇは、その先端部を回転させながら、伸縮することができる（後述）。そして、接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇにおいては、その先端がアルカリ溶液に対し、耐性のある材質により構成されている（後述）。

このような接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇを、図１の矢印の方向に降下させて、複数の接触子３０ｅをエミッタ電極２０ｅに接触させ、同時に、接触子３０ｇをゲート電極２０ｇに接触させることができる。

このように、素子試験装置１は、接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇの先端を、それぞれ、エミッタ電極２０ｅ並びにゲート電極２０ｇに抗するように接触させると共に、接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇの先端を回転させながら、エミッタ電極２０ｅ並びにゲート電極２０ｇに接触させることができる。そして、当該先端を回転させることにより、エミッタ電極２０ｅ表面並びにゲート電極２０ｇ表面に形成している自然酸化膜を研磨・除去することができる。

また、素子試験装置１にあっては、金属板１１と接触子３０ｅとの間に、所定の電圧を印加させる電圧印加手段を備え、ゲート電極２０ｇとエミッタ電極２０ｅ間に所定の電圧信号を印加する別の電圧印加手段を備えている。

このような素子試験装置１を用いて、半導体素子２０の素子試験が遂行される。
次に、上述した素子試験装置１の接触子３０ｅ並びに接触子３０ｇの構造、材質について、より詳細に説明する。

尚、以下に例示する全ての図面においては、同一の部材に同一の符号を付し、一度説明した部材についての詳細な説明は省略する。
図２は素子試験装置を説明するための要部模式図である。当該図２では、上記接触子３０ｅの側面が例示されている。尚、上記接触子３０ｇにおいても、図２に例示する接触子３０ｅの構成が適用される。

当該接触子３０ｅにおいては、外部ホルダ３０ｈと、外部ホルダ３０ｈに挿入されたプランジャ状の支柱部３０ｐと、支柱部３０ｐの端に設けられた先端部３０ｔと、を含む構成としている。また、先端部３０ｔは、上記自然酸化膜を研磨・除去できるように、その先端を先鋭状としている。或いは、先端部３０ｔの先端をＲ形状としてもよい。

また、接触子３０ｅにおいては、支柱部３０ｐの側面に螺旋状の溝部（凹部）３０ｄが設けられている。また、外部ホルダ３０ｈの内壁には、当該溝部３０ｄと嵌合することのできる凸部（図示しない）が形成されている。そして、溝部３０ｄと凸部との間隙には、潤滑油が充填されている。

即ち、支柱部３０ｐは、当該凸部をガイドとして、外部ホルダ３０ｈから突出させたり、外部ホルダ３０ｈの内部に挿入させたりすることができる。そして、溝部３０ｄと上記凸部が互いに接触していることから、その上下運動と共に、支柱部３０ｐは、その中心軸を基準にして回転（自転）することができる。

また、接触子３０ｅにおいては、支柱部３０ｐのもう一方の端に、止め具３０ｓを装着している。そして、当該止め具３０ｓには、外部ホルダ３０ｈ内に設けられたバネ３０ｓｐの先端が接触している。これにより、上記支柱部３０ｐは、止め具３０ｓを介して、バネ３０ｓｐの反発力を常時受けている。

但し、外部ホルダ３０ｈの内壁には、ストッパ３０ｓｔが設けられ、止め具３０ｓをストッパ３０ｓｔにて係止することができる。これにより、外部ホルダ３０ｈから必要長さ以上に、支柱部３０ｐが突出しない構成になる。

また、このような接触子３０ｅ、接触子３０ｇを、それぞれ、上記エミッタ電極２０ｅ、上記ゲート電極２０ｇに押し付けると、支柱部３０ｐは、自ら回転しながら外部ホルダ３０ｈ内に押し込まれる。この際、支柱部３０ｐは、バネ３０ｓｐから強い反発力を受けることになる。そして、当該反発力が、先端部３０ｔがエミッタ電極２０ｅ或いはゲート電極２０ｇを押圧する押圧力になる。

また、上記押圧力は、当該バネ３０ｓｐが所定のバネ定数を有していることから、支柱部３０ｐを外部ホルダ３０ｈ内に押し込む距離により変化する。従って、先端部３０ｔをどの程度、エミッタ電極２０ｅに食い込ませるかは、当該距離を調整することにより達成される。このような調整は、上記加重機構により、自動的に調整される。

そして、本実施の形態においては、外部ホルダ３０ｈの材質をステンレス鋼、或いは炭素系鋼材（ＳＫ鋼）とし、支柱部３０ｐ並びに先端部３０ｔの材質をアルカリ溶液に対し耐性のある耐食性金属としている。或いは、支柱部３０ｐを炭素系鋼材とし、先端部３０ｔのみを前記耐食性金属としてもよい。

ここで、アルカリ溶液としては、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液、水酸化ナトリウム溶液（ＮａＯＨ）が用いられる。
また、耐食性金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モネル（登録商標）合金、ＳＵＳ３１６等のステンレス鋼が用いられる。

そして、先端部３０ｔ或いは支柱部３０ｐに上記溶融物が付着した場合、当該溶融物を９０℃〜１００℃のアルカリ溶液に浸漬することにより、溶融物が当該アルカリ溶液に溶解して、溶融物が先端部３０ｔ或いは支柱部３０ｐから除去される。

この際、先端部３０ｔ（または、支柱部３０ｐ）は、前記耐食性金属により構成されていることから、先端部３０ｔ（または、支柱部３０ｐ）は上記アルカリ溶液に溶解し難い。

具体的には、９３℃の２７％水酸化カリウム溶液を用いて、溶融物が付着した先端部３０ｔを洗浄すると、溶融物は完全に除去されている。また、先端部３０ｔの材料を９３℃の２７％水酸化カリウム溶液中に１年間放置したときの浸食データとして、ＳＫ鋼が５１０μｍを超えるのに対し、ＳＵＳ３１６は５１０μｍ以下、ジルコニウム，ニッケル，モネルは５１μｍ以下に抑制されるという結果が得られている。

このような素子試験装置１であれば、接触子３０ｅ，３０ｇに半導体素子２０からの溶融物が付着しても、アルカリ溶液による洗浄によって、溶融物のみが接触子３０ｅ，３０ｇから除去される。従って、接触子３０ｅ，３０ｇの先端部３０ｔ（支柱部３０ｐ）は、原形を維持する。

即ち、接触子３０ｅ，３０ｇを繰り返し、アルカリ溶液によって洗浄しても、その高さにばらつきが生じることはない。これにより、全ての接触子３０ｅ，３０ｇと電極との接触不良は発生しない。

また、接触子３０ｅ，３０ｇの支柱部３０ｐは回転することから、接触子３０ｅ，３０ｇの先端部３０ｔを半導体素子２０の電極に食い込ませることができる。これにより、接触子３０ｅ，３０ｇと電極との電気的な接続が確実なものになる。

このように、本実施の形態によれば、接触子３０ｅ，３０ｇを搭載した素子試験装置１により、その先端部３０ｔの目減りが防止され、半導体素子２０を精度よく評価することができる。

素子試験装置を説明するための要部模式図である。 素子試験装置を説明するための要部模式図である。 ＩＧＢＴ素子の要部図である。 素子試験装置の要部斜視図である。

符号の説明

１ 素子試験装置
１０ 基体
１１ 金属板
２０ 半導体素子
２０ｅ エミッタ電極
２０ｇ ゲート電極
３０ｅ，３０ｇ 接触子
３０ｄ 溝部
３０ｈ 外部ホルダ
３０ｐ 支柱部
３０ｓ 止め具
３０ｓｐ バネ
３０ｓｔ ストッパ
３０ｔ 先端部
４０ 接触子ヘッド

Claims (8)

1. 半導体素子の電気的特性を評価する素子試験装置であって、
   前記半導体素子の第１の主面に配設された第１の主電極に接触して、前記半導体素子を支持する支持台と、
   支持された前記半導体素子の第２の主面に配設された第２の主電極を押圧しつつ、前記第２の主電極に接触する伸縮機構を備えた複数の接触子と、
   を備え、
   前記接触子がホルダ部と、前記ホルダ部に対し伸縮する支柱部と、前記支柱部の先端に設けられた先端部と、を有し、前記先端部がアルカリ溶液に対し、耐性のある金属で構成されていることを特徴とする素子試験装置。
2. 前記第２の主面に配設された制御用電極に接触する別の接触子を備え、前記別の接触子が前記接触子と同一の形態であることを特徴とする請求項１記載の素子試験装置。
3. 前記支柱部が前記支柱部の中心軸を中心に回転することを特徴とする請求項１記載の素子試験装置。
4. 前記支柱部が前記金属で構成されていることを特徴とする請求項１または３記載の素子試験装置。
5. 前記第１の主電極と前記第２の主電極との間に第１の電圧を印加し、前記第２の主電極と制御用電極との間に第２の電圧を印加する電圧印加手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の素子試験装置。
6. 半導体素子の電気的特性を評価する接触子であって、
   ホルダ部と、
   前記ホルダ部に対し伸縮する支柱部と、
   前記支柱部の先端に設けられた先端部と、
   を備え、前記先端部がアルカリ溶液に対し、耐性のある金属で構成されていることを特徴とする接触子。
7. 前記支柱部が前記支柱部の中心軸を中心に回転することを特徴とする請求項６記載の接触子。
8. 前記支柱部が前記金属で構成されていることを特徴とする請求項６または７記載の接触子。

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