JP2012517591A - 改良温度制御を備えた電気／信頼性試験のための統合されたユニット - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】一態様によると、温度制御可能な統合されたユニットは、被試験素子を保持するよう構成される。統合されたユニットは、熱伝導材料で構成された少なくとも１つのヒータボードを備えており、ヒータボードは、ＤＵＴボードを全体的に加熱するよう構成された少なくとも１つの全体的ヒータを備える。統合されたユニットのＤＵＴボードは、少なくとも１つのヒータボードと熱的に接触するＤＵＴボードを含み、ＤＵＴボードは、少なくとも１つのＤＵＴを保持するようそれぞれ構成された複数のソケットを備える。ＤＵＴは、試験装置とソケット内のＤＵＴの端子との間で電気信号を伝導させる導体経路を有する。各ソケットは、関連する温度センサと、温度センサからの温度指示に基づいて、そのソケット内のＤＵＴを加熱するよう構成された別個に制御可能な局所的ヒータとを備える。
【選択図】図１

Description

半導体の信頼性試験には、厳しい温度制御の下で正確に電気的ストレスをかけて測定を行うことが必要である。典型的な試験温度は、室温よりもやや高い温度からＴｍａｘ〜３５０℃までの範囲であるが、被試験素子（ＤＵＴ）によって自己発熱（ジュール加熱）に差があることで、空間的な温度の変動が悪化することが多い。さらに、ＤＵＴソケット、プリント回路基板（ＤＵＴボード）、および、絶縁材料は、２５０℃未満の温度では容易に利用可能であるが、より高い温度での利用は困難である。

長年、工業界では、求められた温度範囲に最適化された対流式オーブンが利用されてきた。しかしながら、これらのオーブンは、以下の２つの特有な欠点を有しており、性能が制限される：（ｉ）加熱機構（熱風対流）に関連して体積が大きいことにより、温度ごとに少数（５〜１５）のＤＵＴが必要とされる場合には実用的でない；（ｉｉ）本質的に、温度制御が全体的なものなので、局所的な温度の変動および不均一がしばしば問題になる。

異なる方法では、小型のオーブンユニットが単一のＤＵＴボードと統合されており（従来技術：米国特許第６，０９７，２００号）、その技術では、試験されるＤＵＴは、必要な範囲の制御された温度に維持される。その概念は、電気的に加熱される表面に基づいており、その表面は、いくつかの金属板を介して、ＤＵＴのごく近傍に配置されたラジエータに熱を伝達する。そのユニットは小型で、空気対流を利用しないが、ユニット全体では、加熱が全体的なものであり、ＤＵＴボード上に１つの温度センサが備えられる。別の制限は、パッケージング済みのＤＵＴのピン割り当てが変更されると、ＤＵＴボードを変更する必要があることである。

一態様によると、温度制御可能な統合ユニットは、被試験素子を保持するよう構成される。統合ユニットは、熱伝導材料で構成された少なくとも１つのヒータボードを備えており、ヒータボードは、ＤＵＴボードを全体的に加熱するよう構成された少なくとも１つの全体的ヒータを備える。統合されたユニットのＤＵＴボードは、少なくとも１つのヒータボードと熱的に接触するＤＵＴボードを含み、ＤＵＴボードは、少なくとも１つのＤＵＴを保持するようそれぞれ構成された複数のソケットを備える。ＤＵＴは、試験装置とソケット内のＤＵＴの端子との間で電気信号を伝導させる導体経路を有する。各ソケットは、関連する温度センサと、温度センサからの温度指示に基づいて、そのソケット内のＤＵＴを加熱するよう構成された別個に制御可能な局所的ヒータとを備える。

一態様に従ったＤＵＴボードアセンブリを示す分解図。

緩衝ボードを含まないＤＵＴボードアセンブリを示す分解図。

ＤＵＴソケットを示す上面斜視図。

図３のＤＵＴソケットの断面図。

温度センサを備えたソケット底部プレートを示す上面図。

ＤＵＴソケットおよび温度センサを示す分解図。

発明者は、全体的および局所的な電気ヒータをプリントした特別な設計のヒータボードをＤＵＴボードと統合できる加熱および統合技術により、ＤＵＴソケットを局所的なヒータと直接物理的に接触させることができることを認識した。さらに、専用の温度センサが、各ＤＵＴソケット内に物理的に統合されている。その結果、実際に、ＤＵＴによってジュール加熱に空間的な不均一および差異が存在しても、どのＤＵＴでも良好な温度制御が実現される。最後に、そのユニットは、加熱される領域の外に、容易にアクセス可能なプリント回路基板を備えてよく、差し込み式ジャンパによって手動で、必要なボンディングを「プログラム」することができるため、幅広いボンディング構成に適合させることができる。

図１によると、一態様において、主要な構成要素（「ＤＵＴボードアセンブリ」と呼ぶ）は、２つの同一なヒータボード、２つの同一な緩衝ボード、ＤＵＴボード、および、ソケットを備える。ＤＵＴボードアセンブリの一例の分解斜視図が、図１に示されている。各ヒータボード（ＴＨＢ：上部ヒータボード、および、ＢＨＢ：底部ヒータボード）は、金属（ステンレス鋼など）で形成されてよく、絶縁のためにその上に誘電体薄膜がプリントされる。加熱素子が、誘電体層の上に（プリントなどによって）配置される。金配線をプリントすれば、外部刺激に対するロバストで低抵抗の接続、および、必要に応じて、加熱素子間の相互接続を提供できる。緩衝ボードは、電気絶縁性であるが熱伝導性を有する材料（例えば、マイカ）で形成されてよく、ＤＵＴボードのプリント層に対する過度の機械的ストレスを防ぐために、ヒータボードとＤＵＴボードとの間に配置される。これらの緩衝ボードは、一例では、本質的に機能的な目的を持たないため、図１では参考として図示されている。以下の説明では、緩衝ボードがないことを除いて図１と同様の図２を参照する。図の実施形態では、アセンブリは、「両面」であり、すなわち、ＤＵＴボードの両側にＤＵＴを有する。

ここで図２を参照すると、ＴＨＢ（上部ヒータボード）は、ＤＵＴボードＤＵＴＢの「上部」に機械的に取り付けられ、ＢＨＢ（底部ヒータボード）は、ＤＵＴボードの「底部」に機械的に取り付けられる。図２に関しては、本質的に上部も底部もなく、対称的な構造およびレイアウトを有する２つの側にすぎないため、「上部」および「底部」という用語は、恣意的なものである。図２において、各ヒータボードは、合計８個の加熱素子を有しているが、必要に応じて具体的な実施形態により、その数は変更されてよい。４つの加熱素子ＬＨ１、ＬＨ２、ＬＨ３、および、ＬＨ４は、「局所的」なものであり、すなわち、各局所的加熱素子は、１つのソケットの下に配置される。全体的加熱素子ＧＨＬおよびＧＨＲは、それぞれ、ヒータボードの左側および右側に配置され、１つの特定のソケットではなく、ＤＵＴボード全体を加熱する。２つの残りの素子ＢＨおよびＴＨは、それぞれ、ヒータボードの底部および上部に配置される。これらのヒータは、上部および底部のソケットの局所的な温度を制御すると共に、上部および底部の縁部における熱損失を補償する。加熱素子のいずれも、他の素子の状態に影響を与えることなく、独立的に、適切なレベルに作動させたりオフにしたりすることができることに注意されたい。一例では、加熱素子の独立制御は、バネ付勢されたペグ（「ポゴピン」）を用いて、金メッキのパッド（図２のＰＣＳ）を介して電気刺激を伝達することによって実現される。

一般に、熱のほとんどは、全体的なヒータによって供給されてよく、局所的なヒータは、主に、ＤＵＴの温度を微調整するために用いられる。全体的なヒータおよびＤＵＴボートの間、ならびに、個々のＤＵＴパッケージ、そのソケット、および、下部の局所的なヒータの間に、強い熱的な結合が存在する結果、正確、安定的、かつ、迅速なＤＵＴの温度制御が可能になる。

図３、図４、および、図５は、ＤＵＴの周りの熱作用を詳細に説明するための図である。本願で図示している特定のソケット（米国特許第６，７９８，２２８号）およびＤＵＴパッケージは一例であり、一般に、局所的加熱素子と緊密な熱的接触を有する温度センサと統合された任意の高温ソケットを利用可能であり、それを収容するために、適したＤＵＴボードおよびヒータボードを作ることができることに注意されたい。

図の例のＤＵＴソケットは、２つのプレートで形成されている：Ｓｂ−底部プレート、および、Ｓｔ−上部プレート。温度センサＳＥＮＴは、底部プレートの溝に挿入されており、そのリード線は、導電性のバネ（ＳＰＲ）およびレセプタクル（ＰＩＮ）によって接続される。同様に、パッケージング済みＤＵＴの端子は、上部プレートの穴とレセプタクルとに挿入され、下層にあるＤＵＴボードＤＵＴＢ上のパッド（ＳＰＡＤ）に接触する。バネ作用、レセプタクルの機械的な取り付け、および、この接触方式の利点に関する詳細については周知であり（例えば、米国特許第６，７９８，２２８号）、本明細書では詳細には説明しない。

底部ソケットプレートＳｂは、レセプタクルピンの領域が広がっていってヒータボードＴＨＢ（または、ＢＨＢ）の切り欠きＣＵＴＯに適合するような形状を有する。Ｓｂの中央部分は、温度センサを備えており、ヒータボードに配置された関連する局所的ヒータに対して実質的に接触している。全体として、ソケット、その局所的加熱素子、その温度センサ、ＤＵＴパッケージ、および、ＤＵＴボードは、図６で特に示すように、効率的な熱的、電気的、および、機械的特性を有する良好に結合された密閉アセンブリを形成する。

典型的な高温試験が始まると、個々のセンサすべての温度が、専用のマイクロコントローラユニットによって読み取られる。ほとんどの場合、これらの温度は、目標の試験温度よりもはるかに低いため、すべてのヒータがオンにされる。制御ユニットは、連続的に温度を読み取り、一般に「ＰＩＤ（比例・積分・微分）」と呼ばれる温度制御アルゴリズムに基づいて、様々なヒータをオンおよびオフにする。「全体的な」ヒータと、ソケットごとの（「局所的な」）ヒータとの独特の組み合わせにより、どの被試験パッケージにも、正確で、反応がよく、エネルギ効率のよい温度制御が提供される。

このように、全体的および局所的な電気ヒータの両方を利用することで、ＤＵＴによってジュール加熱に空間的な不均一および差異が存在しても、良好な温度制御を各ＤＵＴに提供できることがわかる。

さらに、この設計は、接続性の構成を可能にするために実施されてもよい。一般に、ＤＵＴは、そのＤＵＴに固有の方法でパッケージにボンディングされる。例えば、ある典型的な２０ピンパッケージにおいて、ピン１は、電流フォース（＋）用に接続されてよく、ピン５は、電流シンク（−）用に接続されてよく、ピン１１および１７は、関連するセンスピンであってよい。しかしながら、異なる２０ピンＤＵＴにおいて、同じピンが、同じ信号への接続のために異なる方法で構成されてもよい。いくつかの例では、ピンがテスタの信号に接続される方法を再構成するために、ペグまたはジャンパが提供されてよく、それにより、幅広いハードウェア構成に、同じハードウェア（例えば、ソケット）を利用することができる。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの被試験素子（ＤＵＴ）を保持するよう構成された温度制御可能な統合されたユニットであって、
   熱伝導材料で構成された少なくとも１つのヒータボードであって、ＤＵＴボードを全体的に加熱するよう構成された少なくとも１つの全体的ヒータを備えるヒータボードと、
   前記少なくとも１つのヒータボードと熱的に接触するＤＵＴボードと
   を備え、
   前記ＤＵＴボードは、少なくとも１つのＤＵＴを保持するようそれぞれ構成された複数のソケットを備え、試験装置と前記ソケット内のＤＵＴの端子との間で電気信号を伝導させる導体経路を有し、
   各ソケットは、関連する温度センサと、前記温度センサからの温度指示に基づいて、前記各ソケット内の前記少なくとも１つのＤＵＴを加熱するために作動されるよう構成された別個に制御可能な局所的ヒータとを備えた
   ユニット。
2. 請求項１に記載のユニットであって、
   前記少なくとも１つのヒータボードは、２つのヒータボードであり、
   前記ＤＵＴボードは、前記２つのヒータボードの間に挟まれているユニット。
3. 請求項１または２に記載のユニットであって、さらに、
   電気絶縁性であるが熱伝導性を有する材料で構成され、前記少なくとも１つのヒータボードと前記ＤＵＴボードとの間に配置され、前記ＤＵＴボードのプリント層に対する過度の機械的ストレスを防ぐために前記ＤＵＴボードに機械的支持を提供する緩衝ボードを備えるユニット。
4. 請求項１または２に記載のユニットであって、
   各ＤＵＴソケットに関連する前記温度センサは、前記各ＤＵＴソケットに関連する溝の中に配置され、前記温度センサの各リード線は、バネを介して前記少なくとも１つのヒータボードの電気路に接続され、ピンによって前記バネに向かって付勢されたユニット。
5. 請求項１または２に記載のユニットであって、
   前記ヒータの少なくともいくつかは、前記少なくとも１つのヒータボードの電気路にそれぞれ接続され、前記電気路は、前記ヒータの作動および停止を制御するための外部コネクタへの経路であるユニット。
6. 請求項１または２に記載のユニットであって、
   前記ヒータの少なくともいくつかは、前記少なくとも１つのヒータボードの電気路にそれぞれ接続され、前記電気路は、バネ付勢されたペグを挿入されたピン接点への経路であり、前記ピン接点は、前記ヒータの作動および停止を制御するための外部接続を提供するユニット。
7. 請求項１または２に記載のユニットであって、
   試験装置と前記ソケット内のＤＵＴの端子との間で電気信号を伝導させる前記導体経路は再構成可能であるユニット。
8. 請求項７に記載のユニットであって、再構成可能である前記導体経路は、前記ソケット内の前記ＤＵＴのピンがテスタの信号に接続される方法を再構成するために提供されたペグまたはジャンパを備えるユニット。
9. 少なくとも１つの被試験素子（ＤＵＴ）を保持するよう構成された統合されたユニットのヒータを制御する方法であって、
   前記統合されたユニットは、
   熱伝導材料で構成された少なくとも１つのヒータボードであって、ＤＵＴボードを全体的に加熱するよう構成された少なくとも１つの全体的ヒータを備えるヒータボードと、
   前記少なくとも１つのヒータボードと熱的に接触するＤＵＴボードと
   を備え、
   前記ＤＵＴボードは、前記少なくとも１つのＤＵＴの内の１つを保持するようそれぞれ構成された複数のソケットを備え、試験装置と前記ソケット内のＤＵＴの端子との間で電気信号を伝導させる導体経路を有し、
   各ソケットは、関連する温度センサと、前記温度センサからの温度指示に基づいて、前記各ソケット内のＤＵＴを局所的に加熱するために作動されるよう構成された別個に制御可能な局所的ヒータとを備え、
   前記方法は、
   前記ＤＵＴボードを全体的に加熱するように前記少なくとも１つの全体的ヒータを制御する工程と、
   前記温度センサからの信号を受信する工程と、
   前記信号に基づいて、各ソケットで所望の温度を維持するように前記局所的ヒータを選択的に作動させる工程と
   を備える方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    前記局所的ヒータを選択的に作動させる工程は、比例・積分・微分アルゴリズムに従って、前記受信された温度センサの信号を処理する工程を含む方法。

Images