JP2013050342A

JP2013050342A - 半導体素子の検査方法、検査装置および検査システム

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Publication number: JP2013050342A
Application number: JP2011187481A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Tanaka; 中吉美田; Koichi Takeshima; 島孝一竹
Original assignee: Tokyo Weld Co Ltd
Current assignee: Tokyo Weld Co Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】短時間で簡易に半導体素子を検査できる半導体素子の検査方法、検査装置および検査システムを提供する。
【解決手段】半導体素子の検査システムは、電流源１と、電流計２と、電圧計３と、電流制御部４と、電圧読出部５と、判定部６とを備えている。半導体素子に大きな順方向電流を印加してＰＮ接合の温度を上昇させ、高温時の順方向電圧を計測する。そして、常温時の順方向電圧との差に基づいて、半導体素子が良品か不良品かを判断する。そのため、簡易な検査システムで短時間に半導体素子の検査を行うことができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子の不良を検査する半導体素子の検査方法、検査装置および検査システムに関する。

一般に、ＬＥＤ（発光ダイオード：Light Emitting Diode）等の半導体素子は、パッケージに収容されて出荷される。半導体素子が形成されたチップの端子と、パッケージの端子とを電気的に接続することをボンディングという。

ハンダを用いてボンディングを行うことが多いが、ハンダ接合の不良があると、半導体素子に電流が流れる状態と流れない状態とが長時間にわたって断続的に繰り返され、発熱と自然冷却の熱サイクルストレスを受けてしまう。このため、熱疲労によりハンダ接合部が劣化し、熱抵抗（半導体素子から１Ｗの熱流を放出するために必要な温度差）が増大することにより局所的に発熱し、その結果、半導体素子の破壊を招くことさえある。

そのため、半導体素子の検査において、熱抵抗が大きい半導体素子を不良と判定するボンディング不良検査が行われている。

大量の半導体素子のボンディング不良検査を行うためには、短時間で検査を行うことが求められる。また、検査システムが大規模なものであると、検査コストが高くなってしまう。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、短時間で簡易に半導体素子を検査できる半導体素子の検査方法、検査装置および検査システムを提供するものである。

本発明の一態様によれば、半導体素子に第１の順方向電流を印加して第１の順方向電圧を測定する工程と、前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加する工程と、前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加して第２の順方向電圧を測定する工程と、前記第１の順方向電圧と前記第２の順方向電圧との差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する工程と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、半導体素子に印加する順方向電流の大きさを設定する電流制御部と、前記半導体素子の順方向電圧を読み出す電圧読出部と、前記半導体素子に第１の順方向電流を印加したときに読み出される第１の順方向電圧と、前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加し、前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加したときに読み出される第２の順方向電圧と、の差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査装置が提供される。

また、本発明の一態様によれば、半導体素子に順方向電流を印加する電流源と、前記電流源を制御して、前記半導体素子に印加される順方向電流の大きさを設定する電流制御部と、前記半導体素子の順方向電圧を計測する電圧計と、前記電圧計が示す前記順方向電圧を読み出す電圧読出部と、前記半導体素子に第１の順方向電流を印加したときに読み出される第１の順方向電圧と、前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加し、前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加したときに読み出される第２の順方向電圧と、の差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査システムが提供される。

本発明によれば、半導体素子に大きな順方向電流を印加してＰＮ接合の温度を上昇させるため、短時間で簡易に半導体素子の検査を行うことができる。

ＬＥＤ１００の概略断面図。ＬＥＤ１００の電圧−電流特性を模式的に示す図。ＬＥＤ１００の検査システムの回路図。ＬＥＤ１００の検査手順を示すフローチャート。ＬＥＤ１００の検査において、半導体素子のＰＮ接合に印加する順方向電流Ｉ_Ｆの大きさと時間との関係を示す図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

まず、半導体素子としてＬＥＤを例にとって、半導体素子の検査方法の原理について、説明する。
図１は、ＬＥＤ１００の概略断面図である。ＬＥＤ１００は、アノードＡを構成するＰ型半導体１００ａと、カソードＫを構成するＮ型半導体１００ｂとを有する。Ｐ型半導体１００ａは、例えば窒化ガリウム基板にアクセプタとなる不純物が添加された領域であり、Ｎ型半導体１００ｂは、同基板にドナーとなる不純物が添加された領域である。Ｐ型半導体１００ａとＮ型半導体１００ｂとの界面はＰＮ接合と呼ばれる。

カソードＫからアノードＡへの方向にはほとんど電流は流れないが、アノードＡからカソードＫへ、すなわち、Ｐ型半導体１００ａからＮ型半導体１００ｂの方向には順方向電流Ｉ_Ｆが流れる。順方向電流Ｉ_Ｆが流れると、ＬＥＤ１００はその材料に応じた色で発光する。このときアノードＡとカソードＫとの間に電位差が生じ、アノードＡの電位が高くなる。この電位差を順方向電圧Ｖ_Ｆと呼ぶ。

図２は、ＬＥＤ１００の電圧−電流特性を模式的に示す図である。横軸は順方向電圧Ｖ_Ｆであり、縦軸は順方向電流Ｉ_Ｆである。曲線Ｇ１，Ｇ２はそれぞれ、ＰＮ接合の温度が常温である場合（例えば２５℃）および高い場合（例えば１５０℃）の特性である。図示のように、一定の順方向電流Ｉ_Ｆ０（例えば、定格順方向電流、すなわち、ＬＥＤ１００を発光させるための順電圧定格値を常温でＬＥＤ１００の順方向に印加した時に順方向に流れる電流値）が印加されていても、ＰＮ接合の温度が高いほど、順方向電圧Ｖ_Ｆは低くなる。以下に説明するように、ＰＮ接合の温度によって順方向電圧Ｖ_Ｆが異なることを利用してＬＥＤ１００が不良か否かを判定できる。

ＬＥＤ１００等、ＰＮ接合を有する半導体素子の熱抵抗θｊａ、すなわち、半導体素子から１Ｗの熱流を放出するために必要な温度差は、下記（１）式で表される。
θｊａ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｐｄ・・・（１）

ここで、ＴｊはＰＮ接合の温度（℃）、Ｔａは周囲の温度（℃）およびＰｄは最大許容電力（Ｗ）である。ＰＮ接合の温度Ｔｊを実測するのは困難であるが、ＰＮ接合の温度Ｔｊが変化すると、これに比例して順方向電圧Ｖ_Ｆも変化することが知られている。すなわち、ＰＮ接合の温度Ｔｊの変化量をΔＴｊ、順方向電圧Ｖ_Ｆの変化量をΔＶ_Ｆ、Ｋを比例定数として、下記（２）式が成立する。
Ｋ＝｜ΔＴｊ／ΔＶ_Ｆ｜・・・（２）

ここで、ＰＮ接合の温度Ｔｊの変化を常温から高温とすると、ΔＴｊ＝Ｔｊ−Ｔａであるので、（１），（２）式より下記（３）式が成立する。
θｊａ＝ΔＶ_Ｆ＊Ｋ／Ｐｄ・・・（３）

すなわち、順方向電圧Ｖ_Ｆの変化量ΔＶ_Ｆは熱抵抗θｊａと比例する。したがって、ＰＮ接合の温度を常温から高温に変化させたときの順方向電圧Ｖ_Ｆの変化量ΔＶ_Ｆが大きいＬＥＤ１００は、熱抵抗が大きい素子であり、不良と判定すべきことが分かる。以下、このことを利用して半導体素子を検査する方法について、説明する。

図３は、ＬＥＤ１００の検査システムの回路図である。検査システムは、電流源１と、電流計２と、電圧計３と、電流制御部４と、電圧読出部５と、判定部６とを備えている。なお、図３の検査システムの周囲の温度は常温であるとする。

電流源１は被検査半導体素子であるＬＥＤ１００に順方向電流Ｉ_Ｆを印加する。順方向電流Ｉ_Ｆの大きさは電流制御部４により制御され、負荷であるＬＥＤ１００の抵抗値が多少変動しても一定の順方向電流Ｉ_Ｆを流すことができる。電流計２は電流源１とＬＥＤ１００との間に接続され、順方向電流Ｉ_Ｆの大きさを計測する。電圧計３はＬＥＤ１００と並列に接続され、ＬＥＤ１００の順方向電圧Ｖ_Ｆの大きさを計測する。電圧読出部５は電圧計３が示すＬＥＤ１００の順方向電圧Ｖ_Ｆを読み出す。判定部６は、順方向電圧Ｖ_Ｆの計測結果に基づいて、ＬＥＤ１００が不良か否かを判定する。電流制御部４、電圧読出部５および判定部６は、例えばマイコンに実装され、半導体素子の検査装置を構成する。

図４は、ＬＥＤ１００の検査手順を示すフローチャートである。また、図５は、ＬＥＤ１００の検査において、半導体素子のＰＮ接合に印加する順方向電流Ｉ_Ｆの大きさと時間との関係を示す図である。

予め、電流制御部４が電流源１を制御し、ＬＥＤ１００に対して、予め定めた順方向電流Ｉ_Ｆ０（第１の順方向電流）を印加する（図４におけるステップＳ１）。ここで設定される順方向電流Ｉ_Ｆ０は、例えばＬＥＤ１００の定格順方向電流である。

次に、図５における時刻ｔ１において、電圧読出部５は電圧計３が示す順方向電圧Ｖ_Ｆ１（第１の順方向電圧）を読み出す（図４におけるステップＳ２）。順方向電流Ｉ_Ｆ０を印加してから、順方向電圧Ｖ_Ｆ１を読み出すまでに要する時間（図５における時刻〜ｔ１）は、例えば５ミリ秒程度の短い時間である。読み出された順方向電圧Ｖ_Ｆ１は、例えば判定部６に記憶される。順方向電圧Ｖ_Ｆ１は図２の常温での順方向電圧Ｖ_Ｆ１に相当する。

さらに、図５における時刻ｔ２において、電流制御部４が電流源１を制御し、ＬＥＤ１００に対して、順方向電流Ｉ_Ｆ０より大きな順方向電流Ｉ_ＦＰ（第２の順方向電流）を印加する（図４におけるステップＳ３）。順方向電流Ｉ_ＦＰは、例えばＬＥＤ１００の絶対最大定格順方向電流である。ここで、絶対最大定格順方向電流とは、ＬＥＤ１００の順方向に周期的にパルス状に印加しても、ＬＥＤ１００が破壊されない最大の電流値であり、定格順方向電流の１．３〜１．４倍程度である。パルス継続時間と、１周期の時間内に占めるパルス発生時間の比率（デューティ比）とを規定することにより、絶対最大定格順方向電圧は決定される。

この順方向電流Ｉ_ＦＰにより、ＬＥＤ１００のＰＮ接合には、順方向電流Ｉ_ＦＰと順方向電流Ｉ_Ｆ０との差に相当する熱流の増加が生じる。この熱流を放出するために、上述の熱抵抗θｊａによりＰＮ接合の温度が上昇し、ＰＮ接合の温度は常温から上昇する。図４におけるステップＳ３で絶対最大定格順方向電流を印加することにより、ＬＥＤ１００が破壊されることなく、かつ、短時間でＰＮ接合の温度を上昇させることができる。

そして、ＰＮ接合の温度が上昇して高温で安定するまでの時間が経過する図５における時刻ｔ３まで待機する（図４におけるステップＳ４）。ステップＳ３で絶対最大定格順方向電流を印加する場合、待機する時間（図５における時刻ｔ２〜ｔ３）は、上記のパルス継続時間とすることができる。パルス継続時間待機すれば、温度が安定することが実験的に知られているためである。待機する時間は、例えば１０ミリ秒程度の短い時間で十分である。

図５における時刻ｔ３で、電流制御部４が電流源１を制御し、ＬＥＤ１００に対して、再び順方向電流Ｉ_Ｆ０を印加する（図４におけるステップＳ５）。

そして、図５における時刻ｔ４において、ＰＮ接合がまだ高温であるうちに、電圧読出部５は、電圧計３が示す順方向電圧Ｖ_Ｆ２（第２の順方向電圧）を読み出す（図４におけるステップＳ６）。順方向電流Ｉ_Ｆ０を印加してから、順方向電圧Ｖ_Ｆ２を読み出すまでに要する時間（図５における時刻ｔ３〜ｔ４）は、例えば５ミリ秒程度の短い時間である。読み出された順方向電圧Ｖ_Ｆ２は、例えば判定部６に記憶される。順方向電圧Ｖ_Ｆ２は図２の高温での順方向電圧Ｖ_Ｆ２に相当する。

そして、判定部６は、順方向電圧の変化量ΔＶ_Ｆ＝Ｖ_Ｆ１−Ｖ_Ｆ２を算出する（図４におけるステップＳ７）。

判定部６は、予め定めた規格値とΔＶ_Ｆとを比較して、ＬＥＤ１００が不良か否かを判定する（図４におけるステップＳ８）。より具体的には順方向電圧の変化量ΔＶ_Ｆが規格値より小さければ（ステップＳ８のＹＥＳ）、判定部６はＬＥＤ１００を良品と判定する（ステップＳ９）。一方、規格値以上であれば（ステップＳ８のＮＯ）、上記（３）式より熱抵抗θｊａが大きいと推測されるため、判定部６はＬＥＤ１００を不良品と判定する（ステップＳ１０）。

以上で、１つのＬＥＤ１００の検査が終了し、次の被検査半導体素子であるＬＥＤが図３の検査システムに接続されて、同様の検査を行う。このとき、次のＬＥＤのＰＮ接合は高温にはなっておらず常温であるため、図４の検査手順をすぐに実行することができる。

このように、本実施形態の特徴の１つは、図４におけるステップＳ３で大きな順方向電流Ｉ_ＦＰ（例えば、絶対最大定格順方向電流）を印加して、ＰＮ接合の温度を上昇させることである。

仮に、恒温槽を設けてＰＮ接合の温度を上昇させる場合、温度が上昇して一定になるまでに８０秒程度の長い時間を要する。また、次の被検査半導体素子の検査を始めるためには、恒温槽内が常温になるまで待たなければならない。結果として半導体素子の検査に時間がかかってしまう。

これに対し、本実施形態では、上述のように一連の手順に要する時間は、５＋１０＋５＝２０ミリ秒程度であり、検査時間を大幅に短縮できる。そのため、半導体素子を、抜き取り検査ではなく全数検査を行うことができ、製品の品質を向上できる。

また、通常、半導体素子は搬送装置（不図示）を用いて個別に搬送されるが、搬送装置をも収容可能な大型の恒温槽を使用すると、検査システムのコストが高くなってしまう。

これに対し、本実施形態では、図３に示す電流源１、電流計２および電圧計３を用いた簡易な回路と、電流制御部４、電圧読出部５および判定部６を含むマイコン等から構成される小型な検査システムで半導体素子の検査を行うことができる。

なお、本実施形態では、ＬＥＤの検査について説明したが、本実施形態を整流ダイオードやトランジスタ等、ＰＮ接合を有する半導体素子全般の検査に適用することができる。また、電流制御部４、電圧読出部５および判定部６のうちの少なくとも一部を設けずに、手動で電流制御、電圧読み出しおよび判定を行ってもよい。

このように、本実施形態では、半導体素子に大きな順方向電流を印加してＰＮ接合の温度を上昇させ、高温時の順方向電圧を計測する。そして、常温時の順方向電圧との差に基づいて、半導体素子が良品か不良品かを判断する。そのため、簡易な検査システムで短時間に半導体素子の検査を行うことができる。

上述した実施形態で説明した半導体素子の検査システムの少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、半導体素子の検査システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。

また、半導体素子の検査システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１電流源
２電流計
３電圧計
４電流制御部
５電圧読出部
６判定部
１００ＬＥＤ

Claims

半導体素子に第１の順方向電流を印加して第１の順方向電圧を測定する工程と、
前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加する工程と、
前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加して第２の順方向電圧を測定する工程と、
前記第１の順方向電圧と前記第２の順方向電圧との差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する工程と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査方法。
前記第２の順方向電流は、前記半導体素子の絶対最大定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の検査方法。
前記所定時間は、前記絶対最大定格順方向電流のパルス継続時間に略等しいことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の検査方法。
前記第１の順方向電流は、前記半導体素子の定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体素子の検査方法。
半導体素子に印加する順方向電流の大きさを設定する電流制御部と、
前記半導体素子の順方向電圧を読み出す電圧読出部と、
前記半導体素子に第１の順方向電流を印加したときに読み出される第１の順方向電圧と、前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加し、前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加したときに読み出される第２の順方向電圧と、の差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査装置。
前記第２の順方向電流は、前記半導体素子の絶対最大定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の検査装置。
前記所定時間は、前記絶対最大定格順方向電流のパルス継続時間に略等しいことを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の検査装置。
前記第１の順方向電流は、前記半導体素子の定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項５乃至７に記載の半導体素子の検査装置。
半導体素子に順方向電流を印加する電流源と、
前記電流源を制御して、前記半導体素子に印加される順方向電流の大きさを設定する電流制御部と、
前記半導体素子の順方向電圧を計測する電圧計と、
前記電圧計が示す前記順方向電圧を読み出す電圧読出部と、
前記半導体素子に第１の順方向電流を印加したときに読み出される第１の順方向電圧と、前記半導体素子に前記第１の順方向電流より大きい第２の順方向電流を所定時間印加し、前記所定時間後に、前記半導体素子に前記第１の順方向電流を印加したときに読み出される第２の順方向電圧と、の差と、予め定めた規格値とを比較して、前記半導体素子が不良か否かを判定する判定部と、を備えることを特徴とする半導体素子の検査システム。
前記第２の順方向電流は、前記半導体素子の絶対最大定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の検査システム。
前記所定時間は、前記絶対最大定格順方向電流のパルス継続時間に略等しいことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子の検査システム。
前記第１の順方向電流は、前記半導体素子の定格順方向電流に略等しいことを特徴とする請求項９乃至１１に記載の半導体素子の検査システム。