JP3677767B1 - ヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置 - Google Patents

ヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ヒータを用いて温度調整を行ってバーイン試験を行う場合にヒータから伝達するノイズを低減することができる。
【解決手段】電源50から供給される電圧信号をスイッチングし、ヒータ62にかかる電圧を制御してヒータ電力を制御するヒータ回路42において、電源50から供給される電圧をスイッチングするFET72などのスイッチング回路とヒータ62との間に前記電圧をスイッチングした電圧信号を平滑してアナログ電圧信号に変換する電圧平滑回路73を設けた。
【選択図】 図2

Description

この発明は、ヒータからのノイズ発生を抑制し、さらには省電力化を図ることができるヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置に関するものである。
近年、半導体デバイスは、高速化、大容量化、多ビット化が進んでいるとともに多種多様化が一層進んでいる。この半導体デバイスに対しては、温度による加速試験であるバーイン(burn-in)試験が行われる。バーイン試験の特徴は、半導体デバイスなどの被測定デバイス(DUT:device under test)に通電して高温にし、たとえばLSIチップ内の不完全な金属接合部における高抵抗による局所的発熱を検出し、DUTの信頼性などを判定している。
特開2000−206176号公報
しかしながら、ヒータを用いた従来のバーイン装置は、ヒータを用いてDUT周辺の雰囲気温度を調整していたため、消費電力が大幅に異なる複数のDUTを同時に試験することができないという問題点があった。
そこで、各DUTにヒータを接触させて各DUTの温度調整を行うことが考えられるが、この温度調整は、温度変化に追随するため、パワーFETを用いてスイッチング制御を行う必要があり、このスイッチング制御によって発生するノイズがDUTに伝達し、バーイン試験を精度良く行うことができないという問題点があった。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータを用いて温度調整を行ってバーイン試験を行う場合にヒータから伝達するノイズを低減することができるヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項1にかかるヒータ電力制御回路は、直流電源から供給される電圧信号をスイッチングし、ヒータにかかる電圧を制御してヒータ電力を制御するヒータ電力制御回路において、前記直流電源から供給される電圧をスイッチングするスイッチング回路と前記ヒータとの間に前記電圧をスイッチングした電圧信号を平滑してアナログ電圧信号に変換する電圧平滑回路を設けたことを特徴とする。
また、請求項2にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、所定の電圧指示信号をもとに、前記スイッチング回路のスイッチングを制御するヒータ制御回路と、前記電圧指示信号の値と前記アナログ電圧信号の値とを比較する電圧比較回路と、を備え、前記ヒータ制御回路は、前記電圧比較回路の比較結果をもとに前記スイッチング回路のスイッチングを制御して前記ヒータ電力を制御することを特徴とする。
また、請求項3にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号を、該電圧指示信号の所定時間当たりの増減値を所定値範囲内に抑えて時間分散した時間分散電圧指示信号に変換して前記スイッチング回路に与えることを特徴とする。
また、請求項4にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号の値の変化量に対応する一連の前記時間分散電圧指示信号との関係を保持するテーブルを備え、前記ヒータ制御回路は、前記テーブルを参照して前記時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とすることを特徴とする。
また、請求項5にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号の値の変化量に対応する一連の前記時間分散電圧指示信号との関係を示す関係式をもとに、前記時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とする。
また、請求項6にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記ヒータ制御回路は、同一パルス幅をもつパルス間の時間間隔を伸縮させた時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とする。
また、請求項7にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記ヒータ制御回路は、PWM信号を前記時間分散電圧信号として用いることを特徴とする。
また、請求項8にかかるヒータ電力制御回路は、上記の発明において、前記スイッチング回路は、電流制限回路を備えたことを特徴とする。
また、請求項9にかかるバーイン装置は、請求項1〜8に記載のヒータ電力制御回路のいずれか一つを備え、被測定デバイスのバーイン試験を行うことを特徴とする。
この発明にかかるヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置では、直流電源から供給される電圧信号をスイッチングし、ヒータにかかる電圧を制御してヒータ電力を制御する際、前記直流電源から供給される電圧信号をスイッチングするスイッチング回路と前記ヒータとの間に前記電圧信号を平滑してアナログ電圧信号に変換する電圧平滑回路を設けるようにしているので、スイッチング回路側で発生したノイズがヒータ側に伝わるのを遮断し、ヒータに接続あるいは近傍の配置物へのノイズ伝達を抑制することができるという効果を奏する。
また、この発明にかかるヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置では、前記電圧指示信号を、該電圧指示信号の値の増減を所定値範囲内に抑えて時間分散した時間分散電圧指示信号としてスイッチング回路に与えるようにしているので、電圧平滑回路に急激な電流増加が生じた場合に発生するスイッチング回路の電流制限機能による不完全スイッチングを起因として生じる電力ロスを低減することができるという効果を奏する。
以下、この発明を実施するための最良の形態であるヒータ電力制御回路およびこれを用いたバーイン装置について説明する。
(実施の形態)
図1は、この発明の実施の形態にかかるバーイン装置の全体概要構成を示すブロック図である。DA変換器の構成を示すブロック図である。図1において、このバーイン装置1は、大きくは、バーイン試験の全体を制御する試験制御部10、この試験制御部10に接続されDUT32に対して電源電圧の出力および測定などを行うデバイス電源ユニット20、試験制御部10に接続されバーイン試験時の温度調整を行う温度調整ユニット40、デバイス電源ユニット20に接続されDUT32が配置される測定部30、温度調整ユニット40に接続される電源50、および温度調整ユニット40の制御のもとに温度制御を行う温度制御部60を有する。
測定部30は、測定ボード31およびDUT32を有し、DUT32は、測定ボード31上に配置される。DUT32は、測定ボード31上の配線およびコネクタ33を介してデバイス電源ユニット20に接続される。デバイス電源ユニット20は、デバイス電源21およびオン/オフ制御部22を有し、試験制御部10の制御のもとに、オン/オフ制御部22が、デバイス電源21からDUT32に対する電源電圧Vdd,Vssの印加を行う。デバイス電源ユニット20は、さらに電流測定部23,電圧設定部24、電圧測定部25、および過電圧/過電流検出値設定部26を有する。電流測定部23および電圧測定部25が測定した値をもとに試験制御部10は、加速試験時のDUT32の状態を知ることができる。電源電圧Vdd,Vssなどの値は、試験制御部10によって可変設定でき、その値は、電圧設定部24に保持される。過電圧/過電流検出値設定部26は、電流測定部23および電圧測定部25の測定結果をもとに過電圧状態あるいは過電流状態であるかを判断する閾値を保持する。オン/オフ制御部22は、この閾値を越えた場合、過電圧状態あるいは過電流状態であるとして、デバイス電源21による電源電圧の出力低下あるいは遮断を行う。この閾値は、試験制御部10によって可変設定される。
温度制御部60は、温度制御ブロック61にヒータ62、PT(白金抵抗)センサ63、および冷却部64が設けられている。PTセンサ63は、その出力値を温度調整ユニット40側に出力し、ヒータ62は、温度調整ユニット40によって温度上昇時に通電される制御がなされる。冷却部62は、DUT32の周囲を冷却する冷却液が通る。DUT32の温度調整を行う場合、ヒータ62とPTセンサ63とは、DUT32に接触し、DUT32は直接、温度調整されることになる。DUT32の温度調整を行わない場合、ヒータ62とPTセンサ63とは、DUT32から物理的に離隔し、温度制御ブロック61のみに接触した状態となる。これによって、PTセンサ63は、ヒータ62あるいは冷却液の温度を検出することができる。
温度調整ユニット40は、PTセンサ63からの出力値をもとにPTセンサ63周囲の温度を測定する温度測定部41、電源50からの電力をヒータ62に出力するヒータ回路42、およびDUT32の消費電力に応じたヒータ電力を個別制御するヒータ電力制限部44を有する。
このバーイン装置1では、試験制御部10の全体制御のもとに、デバイス電源ユニット20からDUT32に対して電源電圧が印加されるとともに、温度調整ユニット40によってヒータ62を発熱させる電力が供給され、DUT32に対してヒータ62が接触してDUT32のバーイン試験時の温度調整が行われる。このとき試験制御部10は、デバイス電源ユニット21を介してバーイン試験結果を取得するとともに、温度調整ユニット40を介した温度調整を行う。
ここで、ヒータ回路42について詳細に説明する。図2は、電源50およびヒータ62を加えたヒータ回路の詳細構成を示す回路図である。図2において、pチャンネルのパワーFETであるFET72は、DC48Vの電源50に接続され、このFET72がスイッチングされることによって、DC48Vのパルス電圧がヒータ62側に印加される。FET72のゲートと、抵抗R2を介したアースとの間に、トランジスタ71が接続され、このトランジスタ71がヒータ制御回路43から出力されるPWM信号などの時間分散電圧指示信号にしたがってスイッチングされ、結果としてFET72がスイッチングされる。定電圧を維持するツェナーダイオードD1を備え、このツェナーダイオードD1のアノード側は、トランジスタ71のコレクタと抵抗R2との間に接続され、カソード側は、抵抗R1を介してトランジスタ71のエミッタとFET72のゲートとの間に接続されるとともに、FET72のドレイン側に直接接続される。トランジスタ71がオフのときは、電源50のDC48Vがゲートに印加され、FET72はオフ状態となり、トランジスタがオンのときは、ツェナーダイオードD1の電圧降下分、ゲートにかかる電圧が減少し、FET72がオン状態となる。
上述したFET72を含むスイッチング回路とヒータ62との間には、電圧平滑回路73が設けられる。電圧平滑回路73は、並列接続されたダイオードD2,コンデンサCと直列接続されたインダクタLとを有する。スイッチング回路側からはDC48Vのパルス電圧が印加されるが、電圧平滑回路73によってパルス電圧が平滑されたアナログ電圧に変換される。ヒータ62は、このアナログ電圧の振幅値にしたがった電力を発することになる。
コンパレータ74は、ヒータ62に加えられるアナログ電圧の値とヒータ制御回路43から指示される電圧指示信号の値とを比較し、この比較結果をヒータ制御回路43に出力する。電圧指示信号は、デジタルデータであるため、DAコンバータ75によってアナログ信号に変換された後、コンパレータ74に入力される。ヒータ制御回路43は、この比較結果をもとに、比較値が零となるように制御する。ここで、電圧指示信号は、目標の電圧値を示す信号であり、時間分散電圧指示信号は、目標の電圧値に到達するまでの変化量を所定電圧値以内に抑えて時間分散した電圧指示信号であり、直接スイッチング回路に与えられる。なお、DAコンバータ75によって電圧指示信号をアナログ信号に変換していたが、これに限らず、DAコンバータ75の代わりにアナログ電圧信号をデジタルデータに変換するADコンバータを設け、コンパレータ74がデジタル処理して比較するようにしてもよい。
ここで、上述したヒータ回路42は、スイッチング回路が生成するパルス電圧によってノイズが電圧信号して生成されるが、この実施の形態では、スイッチング回路とヒータ62との間に電圧平滑回路73を設け、パルス電圧を、平滑されたアナログ電圧に変換しているのでヒータ62側へのノイズ伝達が抑制される。特に、バーイン試験時には、ヒータとDUT32とが接触し、DUT32にノイズが電圧するとDUT32に対する精度の高い試験を行えなくなるが、この実施の形態では、ヒータ62からのノイズ発生がほとんどないため、精度の高いバーイン試験を行うことができる。
さらに、ヒータ制御回路43は、図3に示すように、時間分散電圧指示信号を生成してFET72のスイッチングを行い、急激な電圧変化による過電流発生を抑え、ツェナーダイオードD1による電流制限時におけるFET72の不完全スイッチングによるFET72の電力ロスを低減している。
図3に示すように、まず試験制御部10は、試験開始時あるいは試験中に、温度測定部41から通知された温度をもとに図3(a)に示す目標電圧値である電圧指示値をヒータ制御回路43に出力する。ヒータ制御回路43は、この電圧指示値をもとに図3(b)に示す時間分散電圧指示値を生成し、この電圧指示値に対応する図3(c)に示す時間分散電圧信号を生成し、トランジスタ71に印加し、結果としてFET72をスイッチングする。
ここで、電圧指示値が図3(a)に示すように「0V→24V」である場合、所定時間当たりの電圧増減値が5V以内になる時間分散電圧指示値を生成し、これをもとにパルス信号である時間分散指示信号を生成している。このような場合、電圧指示値に対応する時間分散電圧指示値の並びをあらかじめテーブル43aに格納しておき、電圧指示値に対応した時間分散電圧指示値を取り出して時間分散電圧指示信号を生成するようにしてもよい。なお、時間分散電圧指示信号は、所定時間当たりの電圧増減値が所定値以内であればよく、たとえば時間分散電圧指示信号の始めの部分は低い電圧値に設定し、その後徐々に所定値内で電圧値を増大させるようにしてもよい。すなわち現在電圧値から目標電圧値までの電圧増減値は、所定値以内であれば、その途中の電圧増減値は任意であり、関数的に変化させてもよいし、プログラム的に変化させるようにしてもよい。
この時間分散電圧信号がFET72に印加されると、電圧平滑回路73によって図3(d)に示すような平滑されたアナログ電圧信号に変換され、このアナログ電圧信号に対応した電力がヒータ62から生成される。
一方、コンパレータ74は、アナログ電圧信号の値と電圧指示値とを比較し、その結果をヒータ制御回路43に出力する。ヒータ制御回路43は、図3(e)に示すように、コンパレータ出力がハイレベルのときにそのまま電圧値を増大させる時間分散電圧指示信号を出力するようにし、ローレベルになったとき、現電圧値を維持させる制御を行う。
なお、上述した時間分散電圧指示信号は、所定時間毎にパルス幅が一定のパルスの数を増減するものであったが、これに限らず、所定時間毎のパルス幅を変化させるPWM信号であってもよい。なお、電圧値の急上昇をさけるためには、所定時間毎にパルス幅が一定のパルスの数を増減するようにするのが、時間分散上、好ましい。
この実施の形態では、上述した時間分散電圧指示信号がFET72に印加されることによって急激に電圧値が大きくならず、その結果としてコンデンサCに急激な電流が蓄積することがないため、FET72に対する電流制限機能が働いてFET72が不完全スイッチングとならず、不完全スイッチング時の電力ロス発生をなくすことができる。この結果、ヒータ62に対する電力消費以外の不要な電力消費を極力なくすことができ、省電力化されたバーイン装置を実現できる。
ところで、バーイン装置1による加速試験は、DUT32にかかる温度を制御するものであり、DUT32自体に印加される電源電圧による消費電力の大きなデバイスと消費電力の小さなデバイスとがある。この結果、図4に示すように、試験開始時に、ヒータ62の電力をDUT32の消費電力とは無関係に100%の電力供給を行うと、DUT32であるデバイスの消費電力の大小に左右されて、DUT32の温度の時間変化が異なり、デバイスの消費電力が大きい場合には、速やかに目標温度に達し、デバイスの消費電力が小さい場合には緩やかに目標温度に達することになる。
しかし、多種多様のDUT32に対する試験を同時に行う場合、緩やかに目標温度に達するものを基準に試験が終了することになるとともに、バーイン装置1全体としての消費電力を考慮する必要がある。
そこで、この実施の形態では、DUT32の消費電力とヒータ62の消費電力とのトータル電力が一定になるようにヒータ62の消費電力を制御するようにしている。この消費電力の制御は、ヒータ電力制限部44が行う。
図5は、この実施の形態によるヒータ電力制御と従来のヒータ電力制御とを比較した図である。図5において、ヒータ電力制限部44は、たとえば最小の消費電力をもつデバイスであるDUTに対しては、ヒータ62がもつ最大の消費電力となるように制御し、最小の消費電力をもつDUTの消費電力を超えるDUTに対するヒータ62の消費電力は、最小の消費電力をもつDUTの消費電力とヒータ62がもつ最大の消費電力とのトータル電力P2を超えない最大の消費電力となるように制御する。
このため、ヒータ電力制限部44は、DUT32の消費電力とそのときのヒータ62の最大消費電力との関係を予め求めておき、各DUTに対応したヒータ62の最大消費電力を制限する制御を行う。なお、DUT32の消費電力が未知の場合、デバイス電源ユニット20を介して電力測定を行い、この電力測定の結果をもとに、ヒータ電力制限部44が、各DUTの消費電力に対応したヒータ62の消費電力の制限を決定するようにしてもよい。
この結果、DUTの消費電力の大小にかかわらず、DUTの消費電力とヒータ62の消費電力とのトータル電力が、トータル電力P2一定となり、DUTの温度の立ち上がりは、最小の消費電力をもつDUTとほぼ同じになる。
ここで、従来のバーイン装置のヒータの消費電力容量は、最大の消費電力をもつDUTの消費電力とヒータの最大の消費電力とのトータル電力P1を備えなければならなかったが、この実施の形態では、バーイン装置1のトータル電力P2の電力容量をもてばよく、小型軽量化を促進することができるとともに、省電力化を図ることができる。
なお、上述した実施の形態では、各DUTの消費電力の大小にかかわらず、トータル電力がトータル電力P2となるように制御していたが、これに限らず、たとえば中間の消費電力をもつDUTの消費電力とヒータ62の100%消費電力とのトータル電力P3となる電力制限を行うようにしてもよい。この場合でも、従来のバーイン装置に比して小型軽量化と省電力化を図ることができる。
ところで、上述したバーイン装置は、各DUTに対して個別にヒータを設け、直接温度調節を行うものであるが、温度制御部60のヒータ62およびPTセンサ63は、バーイン試験時、DUT32に接触しているが、バーイン試験時でないとき、ヒータ62およびPTセンサ63はDUT32に非接触である。
したがって、ヒータ62およびPTセンサ63とDUTとが非接触状態の時、つぎのような検査を行うことができる。まず、この状態では、温度制御ブロック61とヒータ62とPTセンサ63と冷却液とが接触しており、PTセンサ63によって冷却液の温度を測定することによって、PTセンサ63の故障や精度の検証を行うことができる。これは冷却液の温度が一定であり、その温度が温度制御ブロック61の温度と同じになっているからである。
また、PTセンサ63によって、ヒータ62への通電をオフしたときと、一定の消費電力を供給したときとの温度差を測定し、この温度差をもとに、ヒータ62の断線やヒータ回路42の故障などを検出することができる。たとえば、ヒータ62への通電をオフしているときに、PTセンサ63が冷却液の温度よりも高い温度を測定した場合、電源50に対するオフ制御が行われていないことを検知でき、この場合、ヒータ回路42によって電源50からの電力供給を遮断する対処を行うことができる。
一方、ヒータ62およびPTセンサ63とDUTとが接触状態の時には、ヒータ62に対して一定電力を供給し、このときの単位時間あたりの温度変化をPTセンサ63によって測定し、これによって温度制御ブロック61側とDUT32との間の熱接触抵抗を求めることができる。なお、熱接触抵抗が大きい場合、PTセンサ63が検出する単位時間あたりの温度変化は小さくなる。
さらに、この実施の形態では、デバイス電源21とDUT32との間のコネクタ33や接続線などの不良を検出することができる。たとえば、デバイス電源21側の各フォース電圧F+,F−と各センス電圧S+,S−との間の電圧差、さらには電流測定部23が測定する電流値を測定し、次式、すなわち
(フォース電圧−センス電圧)/電流値>所定の抵抗値
を満足する場合には、コネクタ33が接触不良であると検出する。また、電流が流れているのに、フォース電圧とセンス電圧とに差がない場合には、DUT32とデバイス電源21との間のセンス線が未接続状態であることを検出する。これらの異常を検出した場合、試験制御部10は、デバイス電源21をオフする制御を行う。これによって、DUTに大電流を流すバーイン試験時にコネクタなどの接触不良による発熱や焼損を防止することができる。
この発明の実施の形態にかかるバーイン装置の全体概要構成を示すブロックである。 図1に示したヒータ回路の詳細構成を示す回路図である。 ヒータ制御回路による時間分散電圧指示信号の生成とこの時間分散電圧指示信号によるヒータ制御を説明するタイムチャートである。 DUT消費電力の大小によるDUTの温度立ち上がり特性を示す図である。 ヒータ電力制限部によるヒータ電力制限制御を行った場合と従来のヒータ電力制御を行った場合とのトータル電力を比較する図である。
符号の説明
1 バーイン装置
10 試験制御部
20 デバイス電源ユニット
21 デバイス電源
22 オン/オフ制御部
23 電流測定部
24 電圧設定部
25 電圧測定部
26 過電圧/過電流検出値設定部
30 測定部
31 測定ボード
32 DUT
33 コネクタ
40 温度調整ユニット
41 温度測定部
42 ヒータ回路
43 ヒータ制御回路
43a テーブル
44 ヒータ電力制限部
50 電源
60 温度制御部
61 温度制御ブロック
62 ヒータ
63 PTセンサ
64 冷却部
71 トランジスタ
72 FET
73 電圧平滑回路
74 コンパレータ
75 DAコンバータ
D1 ツェナーダイオード
D2 ダイオード
R1,R2 抵抗
L インダクタ
C コンデンサ

Claims (9)

  1. 直流電源から供給される電圧信号をスイッチングし、ヒータにかかる電圧を制御してヒータ電力を制御するヒータ電力制御回路において、
    前記直流電源から供給される電圧をスイッチングするスイッチング回路と前記ヒータとの間に前記電圧をスイッチングした電圧信号を平滑してアナログ電圧信号に変換する電圧平滑回路を設けたことを特徴とするヒータ電力制御回路。
  2. 所定の電圧指示信号をもとに、前記スイッチング回路のスイッチングを制御するヒータ制御回路と、
    前記電圧指示信号の値と前記アナログ電圧信号の値とを比較する電圧比較回路と、
    を備え、
    前記ヒータ制御回路は、前記電圧比較回路の比較結果をもとに前記スイッチング回路のスイッチングを制御して前記ヒータ電力を制御することを特徴とする請求項1に記載のヒータ電力制御回路。
  3. 前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号を、該電圧指示信号の所定時間当たりの増減値を所定値範囲内に抑えて時間分散した時間分散電圧指示信号に変換して前記スイッチング回路に与えることを特徴とする請求項2に記載のヒータ電力制御回路。
  4. 前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号の値の変化量に対応する一連の前記時間分散電圧指示信号との関係を保持するテーブルを備え、
    前記ヒータ制御回路は、前記テーブルを参照して前記時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とすることを特徴とする請求項3に記載のヒータ電力制御回路。
  5. 前記ヒータ制御回路は、前記電圧指示信号の値の変化量に対応する一連の前記時間分散電圧指示信号との関係を示す関係式をもとに、前記時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とする請求項3に記載のヒータ電力制御回路。
  6. 前記ヒータ制御回路は、同一パルス幅をもつパルス間の時間間隔を伸縮させた時間分散電圧指示信号を生成することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一つに記載のヒータ電力制御回路。
  7. 前記ヒータ制御回路は、PWM信号を前記時間分散電圧信号として用いることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一つに記載のヒータ電力制御回路。
  8. 前記スイッチング回路は、電流制限回路を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載のヒータ電力制御回路。
  9. 請求項1〜8に記載のヒータ電力制御回路のいずれか一つを備え、被測定デバイスのバーイン試験を行うことを特徴とするバーイン装置。
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