JP3539231B2 - 接合温度測定方法及びその方法を実施するための測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象半導体集積回路装置（ＡＳＩＣ及びＭＣＭ）内のデバイス接合温度を正確に測定する半導体接合温度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路パッケージの熱抵抗測定方法については、ＳＥＭＩ規格Ｇ３８−８７で規定されている。これは、ＴＳＰ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）法で温度検知するものである。ＴＳＰ法は、具体的には、デバイスの温度に敏感な電気的パラメータとして、Ｐ−Ｎ接合の順方向電圧を用いて半導体接合温度を計測するものである。
【０００３】
その方法の手順は次のとおりである。
▲１▼温度の校正
温度を任意に設定可能な恒温槽中に試験するデバイス（ＤＵＴ） を入れ、そのデバイスのチップ温度が恒温槽の温度と等しくなるのに十分な時間をおいた後、測定電流Ｉｓ（＝センス電流）を流して、Ｐ−Ｎ接合のダイオード順方向電圧Ｖｆを測定する。このような測定を恒温槽の温度を変化させながら、多数のサンプリング温度で行うことにより、Ｐ−Ｎ接合のダイオード順方向電圧Ｖｆの温度との相関データを採取する（校正）。
【０００４】
▲２▼電力印加
まず、試験するデバイスを停止状態にして、−の校正過程で用いられた測定電流Ｉｓで順方向電圧ＶＭＣを測定する。
次に電力ＰＨ［Ｗ］を印加した直後、校正過程で用いられた測定電流Ｉｓで順方向電圧ＶＭＨを測定する。
接合温度Ｔｊは、式Ｔｊ＝Ｔａ＋（１／ｋ）｛Ｖ_MH − Ｖ_MC｝により算出する。
但し、Ｔａは周囲温度、ｋは−で求めたＴＳＰ法の温度相関データグラフの傾きである。
【０００５】
従ってパッケージ熱抵抗θ［℃／Ｗ］は、式θ＝（Ｔｊ−Ｔａ ）／Ｐ_H で算出できる。
従来この電力印加から校正過程で用いられた測定電流Ｉｓへの切替えは、マニュアルまたはスイッチャ（マイコン制御またはＭＯＳスイッチで数百ｍｓ）で実施していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電力印加後に、瞬時に校正過程で用いられた測定電流Ｉｓに切替え、その直後の順方向電圧Ｖｆをモニタリングすることで正確に計測できる訳であるが、必ず切替え時間が生じるため測定誤差が大きくなる。これは、電力印加をストップするとＴｊは急速に低下するため（例：約５℃／ｓｅｃ）、いち早くモニタリングしなくてはならないためである。
また、１パッケージに複数チップ搭載されたマルチチップモジュール（ＭＣＭ）において、ＶＤＤが共通のため実動作時と同じ消費電力を印加することができず、そのため評価する熱抵抗も実動作時とは異なる。つまり、どのチップにどの程度の消費電力が印可されたかわからず、チップの接合温度を検証することができない。
【０００７】
本発明は単体又は複数の発熱体を搭載した基板又はマルチチップモジュール等の半導体デバイスのＰＮ接合温度を測定する方法及び装置において、ＴＳＰ法を改良して、より正確に接合温度を測定できるようにすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）の接合温度測定方法は、測定対象の半導体集積回路の電源端子間に所定電流を流して、前記半導体集積回路の表面温度を定常状態とし、前記表面温度が定常状態となった後、前記所定電流を切る直前に半導体集積回路の接合温度を測定するための前記所定電流より十分小さい検出用電流を前記電源端子に流し、検出用電流を流したときの電源端子間電圧に基づいて接合温度を測定することを特徴とする。
【０００９】
本発明（請求項２）の接合温度測定装置は、測定対象の半導体集積回路に、規定の電力印加用電流を供給する電力印加用電流源と、前記半導体半導体集積回路に、前記電力印加用電流より十分小さい測定用電流を供給し、ＰＮ接合の順方向電圧を測定する電圧測定手段と、前記半導体半導体集積回路に、前記電力印加用電流源を所定の時間接続した後、前記電圧測定手段を接続する際に、電力印加用電流の供給期間と測定用電流の供給期間が一部重なるように制御する制御手段と、前記半導体半導体集積回路について予め測定された接合温度と順方向電圧の相関を表すデータを保持するテーブルと、前記電力印加用電流の供給停止の直後の前記電圧測定手段の測定結果から前記テーブルの内容を参照して接合温度を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の接合温度測定方法において、半導体集積回路に規定の電力を与えて発熱させ、熱的な平衡状態に達するに必要な時間後に電力の印加を停止させる。その停止時点より少し前の時点からＰＮ接合の順方向電圧の測定を開始する。順方向電圧の計測値は電力印加電流が停止した時点の前と後では大幅に異なるので、測定用電流によるＰＮ接合の順方向電圧のデータは容易に識別できるので、電力印加停止後における最も早い時点の計測値を選択して、接合温度の算出をする。従来のように、電力印加を停止し、測定用電流に切り替えるのに人手で行うようにすると切り替え時間に少なくとも１秒はかかり、電力印加停止後１秒経た後の計測値しか得られない。これに対して、本発明のように電力印加と順方向電圧測定を一部重なるようにしたので、切り替え時間なしに電力印加停止直後から計測値を得ることができる。例えば、順方向電圧の計測値はサンプリングにより抽出する場合、短い間隔（例えば０．２秒以下）でサンプリングを行うことが可能であり、最大でもサンプリング間隔以内での計測値を得ることができる。図７は電力印加停止後の測定時間と測定された順方向電圧の例を示すが、この例において、順方向電圧Ｖｆは、０．２秒後の３０６ｍＶに対して、１秒後では３１５ｍＶまで上昇する。これを接合温度Ｔｊに換算すると、Ｔｊ＝６９℃と６５℃であり、４℃の差が生じる。つまり本発明を適用することによって、それだけ誤差を小さくできたことになる。このように本発明によれば、より正確な接合温度を得ることができるので、正確なパッケージ熱抵抗を求めることができる。その結果、従来は誤差の大きい測定結果に余分なマージンを加算し過大な放熱対策を実施してきたが、本発明は高精度な測定が可能となったことにより、適切な放熱対策ができ、その分の低コスト化が実現できる。
【００１１】
本発明の上記方法を実施するための装置において、電力印加用電流源は、測定対象の半導体集積回路に、規定の電力印加用電流を供給して半導体集積回路に規定の状態での発熱を生じさせる。その印加の期間は集積回路の温度が定常状態になるのに必要な時間とする。電圧測定手段は、前記半導体集積回路に、電力印加用電流より十分小さい測定用電流を供給しながら、ＰＮ接合の順方向電圧を測定する。制御手段は、電力印加用電流の供給期間と測定用電流の供給期間が一部重なるように制御する。テーブルには、前記半導体集積回路について予め測定された接合温度と順方向電圧の相関を表すデータを保持している。算出手段は、前記電力印加用電流の供給停止の直後の測定用電流のみが半導体集積回路に与えられるようになってから得られた順方向電圧の計測値から前記テーブルの内容を参照して接合温度を算出する。本発明によれば、電力印加期間の終わりの部分と測定用電流の印加の期間の始まりの部分が一部重なるようにしたため、従来のように電力印加期間から測定用電流が印加される期間へ切り替える時間を必要としないので、速やかに順方向電圧を得ることができ、高精度の測定が可能となる。このように本発明によれば、より正確な接合温度を得ることができるので、正確なパッケージ熱抵抗を求めることができる。その結果、従来は誤差の大きい測定結果に余分なマージンを加算し過大な放熱対策を実施してきたが、本発明は高精度な測定が可能となったことにより、適切な放熱対策ができ、その分の低コスト化が実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による半導体接合温度測定装置の実施例を示す図である。
この半導体接合温度測定装置１００は、この装置の制御や、接合温度Ｔｊの計算、その他の処理を行うＣＰＵ１０１、予め採取したＴｊ−Ｖｆ特性の構成データを保持するルックアップテーブル１０２、測定対象デバイスへの電力印加時間を制御するタイマ１０３、タイマ１０３の出力から第２リレー１０９のオンの開始点を制御する信号を生成するアンド回路１０４、タイマの出力信号を遅延させ第１のリレー１０７と第２のリレー１０９とがオーバーラップしてオンとなる期間を制御する遅延回路１０５、遅延回路１０５の出力を反転させるインバータ１０６、電力印加用電流源１０８を測定対象デバイス１２０への接続を制御する第１のリレー１０７、使用状態における温度環境を得るために測定対象デバイス１２０に電力負荷を与える電力印加用電流源１０８、測定対象デバイスに１２０に測定電流Ｉｓを与えるセンス電流源１１１、Ｐ−Ｎ接合のダイオード順方向電圧Ｖｆを検出する電圧測定部１１２、検出したダイオード順方向電圧Ｖｆをサンプリングし、ディジタル化するサンプリング部１１３を備えている。
【００１３】
図２は、以上のような構成を有する本実施例の測定装置を用いた測定の手順を示すものである。、
まず、最初に測定対象のデバイスのＶｆ−Ｔｊ相関データすなわち校正データを測定する（ステップＳ１）。前述の従来技術において行うものと変わりはない。すなわち、温度を任意に設定可能な恒温槽中に試験するデバイス（ＤＵＴ） を入れ、そのデバイスのチップ温度が恒温槽の温度と等しくなるのに十分な時間をおいた後、測定電流Ｉｓ（＝センス電流）を流して、Ｐ−Ｎ接合のダイオード順方向電圧Ｖｆを測定する。このような測定を恒温槽の温度を変化させながら、多数のサンプリング温度で行うことにより、Ｐ−Ｎ接合のダイオード順方向電圧Ｖｆの温度との相関データを採取する。図４はＶｆ−Ｔｊ相関データの１例を示すものであり、ダイオード順方向電圧Ｖｆは接合温度Ｔｊに反比例している。
採取したＶｆ−Ｔｊ相関データはメモリ１０２にルックアップテーブルとして格納する（ステップＳ２）。
【００１４】
以上のような前準備をした後、ＰＮ接合ダイオード順方向電圧Ｖｊの自動測定と、接合温度Ｔｊの算出を行う。
すなわち、遅延回路１０５に測定電流Ｉｓと電力印加電流ＩＦをオーバーラップさせる時間を設定する（ステップＳ３）。そのオーバーラップ時間は０．１ないし１秒程度とすればよい。
次に、タイマ１０３に電力印加時間を設定する（ステップＳ４）。図５のタイミングチャートにおいて、タイマ１０３の出力信号は設定された時間の間、Ｈレベルとなる信号部分５１を有する。その信号部分５１が遅延回路１０５によって遅延されて信号５２が出力される。それがインバータ１０６によって反転された信号５３により第１リレー１０７がオンに制御される。時点ｔ１に第１リレー１０７がオンとなる。
【００１５】
第１リレー１０７がオンとなることによって、電力印加電流ＩＦが測定対象デバイス１２０の電源端子ＶＤＤ、ＶＳＳ（又はグランド）間に流される（ステップＳ５）。具体的にはこれは、デバイスのＶＳＳ又はグランド端子からＶＤＤ端子へ電力印加することを意味し、デバイスの保護ダイオード（図６（Ｃ）の６１ないし６３）の順方向に電流を流すものである。
【００１６】
タイマ１０３にセットした時間が経過した時点ｔ２において、図５に示すように第２リレーがオンとなる。これによってセンス電流源１１１から測定対象デバイス１２０に測定用電流が印加され、それによる接合部の順方向電圧ＶＦが電圧測定部１１２により検出される。検出値は、サンプリング部１１３でサンプリングされ、サンプリングされた電圧値Ｖｆはメモリ１０２の測定結果記憶領域に順次に記憶される（ステップＳ６）。
図５に示すように、サンプリングが開始された時点ｔ２から遅延回路に設定されたオーバーラップ時間後の時点ｔ３に第１リレー１０７がオフとなり、電力印加用電流源１０８からデバイス１２０への電力印加が停止される（ステップＳ７）。
【００１７】
そして、記憶されたサンプル値はディスプレイ表示やプリントアウト出力され、これにより操作者が電力印加電流源１０８がオフした直後の順方向電圧を選択する。サンプリング値は電力印加の終了時点ｔ３の前後でレベルが大きく変わるので、その選択は容易に行うことができる。
なお、サンプリング値から電力印加電流源１０８がオフした直後の順方向電圧を自動的に選択するように構成することもできる。すなわち、タイマ１０３の設定値及び遅延回路１０５の設定値が既知であるので終了時点ｔ３がわかり、計測値のレベルの変化もあるので、これらを利用して電力印加電流源１０８のオフ直後のサンプル値の自動選択が可能である。
例えば、サンプリングの分解能として０．１ないし０．２ｓｅｃとした場合、電力印加停止後、０．２秒以内に１回目のサンプリングが可能となる。この電力印加停止後の最初のサンプリングにより得られた順方向電圧の測定値が最も誤差の少ない測定値である。何故なら、電力印加停止後に、チップの接合温度Ｔｊは急激に低下するため（例えば−５℃／ｓｅｃ）、測定値を得るのには早ければ早いほどよいからである。
【００１８】
次に、タイマ１０３からｓｔｏｐ信号が低レベルになり測定用電流が停止する（ステップＳ８）。
サンプリングした接合の順方向電圧の電力印加電流の停止後に最初にサンプリングされた値Ｖｆ値とＴｊないしＶｆテーブル１０２１から、接合温度ＴｊをＣＰＵ１０１により算出する（ステップＳ９）。
【００１９】
その算出の一例を挙げると、１Ｗの電力印加を停止した直後にサンプリングされた順方向電圧がＶｆ＝２８０ｍＶとする。Ｖｆ＝２８０ｍＶに対応する接合温度Ｔｊは予めＴｊ−Ｖｆ特性を測定したテーブル１０２１からＴｊ＝７２℃と導かれる。
求めるパッケージ熱抵抗θ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｐｏｗｅｒより、
（７２−２５）／１．０＝４７［℃／Ｗ］となる。
【００２０】
なお、以上の実施例の説明では、電力印加と順方向電圧測定の切り替えタイミングの制御を行う回路１０３ないし１０６、サンプリング測定用の回路１１３、測定ダイオード順方向電圧Ｖｆを測定する装置１１０１１３は、個別の回路を用いる例を示したが、既存のＡＳＩＣテスタの有する機能を利用することもできる。すなわち、ＡＳＩＣテスタは測定の手順をプログラムする機能や、サンプリング測定の機能を有しており、図１の温度測定装置の機能の主要な部分をプログラムの作成とＣＰＵ１０１の実行によって実現することが可能である。
【００２１】
この実施例によれば、タイマ１０３によって電力印加時間を設定し、遅延回路１０５により電力印加と測定用電流印加のオーバーラップ時間を設定することができる。そして、ＰＮ接合の順方向電圧の測定では測定用電流の印加開始と同時に測定値である順方向電圧のサンプリングを開始するが、電力印加停止後の最初のサンプリングの値を有効なデータとするので、サンプリング間隔以内のきわめて迅速な測定が実現されたこととなり、その迅速な測定に伴って正確な順方向電圧の測定結果が得られる。
【００２２】
次に、本発明の測定方法を、複数のチップを搭載したＭＣＭ又はＰＷＢＡについて適用する例を説明する。
複数のデバイスを搭載したモジュールは、電源の供給線は共通に接続されるのが普通であり、したがって、複数のデバイスに対して個別に電力印加をしたり、測定用電流を流して接合温度を測定することはできない。
そこで、各デバイスの接合温度Ｔｊを測定するために、図６（ａ）に示すようにＶＤＤ層のみを分離する。又、各チップは同図（ｂ）に示すように適宜に配置する。これによって、複数デバイスが搭載されたモジュールでも個別に電力や測定用電流を供給することができる。ＧＮＤ層は（ｃ）に示すように共通でも構わない。
【００２３】
このように各デバイスを別々に電力印加させる構造とすることにより、内部のダイオード６２にも別々に電力印加することができる。
そのためデバイス発熱量の比率の違いによる接合温度Ｔｊの影響は、各デバイスに印加する電力をそれぞれ可変にすることにより、他の発熱デバイスの影響を考慮したデバイスの接合温度Ｔｊを測定することができる。
さらに、デバイス配置位置の違いによるＴｊの影響は、それぞれ目的のデバイスのみを発熱させ、他のデバイズは電力印加しないことで、どこに配置した場合が最もＴｊが高いかなどを明確にすることができる。
【００２４】
図６に示すように電源ＶＤＤの配線を分離することで、電力印加が別々になるだけでなく、実機での実動作時の消費電力を測定する場合、このＶＤＤ−ＧＮＤ間の電流を計測することによりどのデバイスの消費電力が最も大きいかなど分類することが可能となる。
応用例として、各入力ピンに対して、１本の入力端子の保護ダイオード特性をモニタリングすることによって同様の測定装置を構成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上記述した如く本発明の方法及び装置によれば、電力印加期間の終わりの部分と測定用電流の印加の期間の始まりの部分を一部重なるようにし、測定用電流のみが印加される期間への切り替え時間を従来技術のように必要としないので、速やかに順方向電圧を得ることができ、高精度の測定が可能となる。このように本発明によれば、より正確な接合温度を得ることができるので、正確なパッケージ熱抵抗を求めることができる。その結果、従来は誤差の大きい測定結果に余分なマージンを加算し過大な放熱対策を実施してきたが、本発明は高精度な測定が可能となったことにより、適切な放熱対策ができ、その分の低コスト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の装置の構成を示す図、
【図２】本発明の測定方法の実施例の手順の一例を示すフロー図、
【図３】本発明の測定方法における処理のタイミングを示す図、
【図４】Ｖｆ−Ｔｊの相関特性を示す図、
【図５】コントロール信号のタイミングチャート、
【図６】（ａ）は３チップ搭載時のＶＤＤパターンの一例を示す図、（ｂ）はチップの配置例、（ｃ）はチップ毎の個別の電源供給の概念を示す図、
【図７】電力印加直後の順方向電圧Ｖｆのモニタリング結果の一例を示す図。
【符号の説明】
１００…半導体接合温度測定装置、１０１…ＣＰＵ、１０２…メモリ、１０２１…Ｔｊ−Ｖｆテーブル、１０３…タイマ、１０４…論理回路、１０５…遅延回路、１０６…インバータ、１０７…第１リレー、１０８…電力印加用電流源、１０９…第２リレー、１１０…順方向電圧測定部、１１１…測定用電流源、１１２…電圧測定部、１１３…サンプリング回路、１２０…半導体チップ。

Claims (2)

1. 測定対象の半導体集積回路の電源端子間に所定電流を流して、前記半導体集積回路の表面温度を定常状態とし、
   前記表面温度が定常状態となった後、前記所定電流を切る直前に半導体集積回路の接合温度を測定するための前記所定電流より十分小さい検出用電流を前記電源端子に流し、
   検出用電流を流したときの電源端子間電圧に基づいて接合温度を測定することを特徴とする接合温度測定方法。
2. 測定対象の半導体集積回路に、規定の電力印加用電流を供給する電力印加用電流源と、
   前記半導体半導体集積回路に、前記電力印加用電流より十分小さい測定用電流を供給し、ＰＮ接合の順方向電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記半導体半導体集積回路に、前記電力印加用電流源を所定の時間接続した後、前記電圧測定手段を接続する際に、電力印加用電流の供給期間と測定用電流の供給期間が一部重なるように制御する制御手段と、
   前記半導体半導体集積回路について予め測定された接合温度と順方向電圧の相関を表すデータを保持するテーブルと、
   前記電力印加用電流の供給停止の直後の前記電圧測定手段の測定結果から前記テーブルの内容を参照して接合温度を算出する算出手段と
   を備えたことを特徴とする接合温度測定装置。

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