JP4994070B2 - 半導体回路のパッケージ評価用ウェハ - Google Patents

Description

本発明は、半導体回路素子を形成したチップ（以下、ＩＣチップという。）のパッケージにおける熱抵抗を評価するために用いられる半導体回路のパッケージ評価用ウェハに関する。

ウェハに形成された半導体回路素子は、チップ状に切り出された後、リードフレーム等の支持部材に搭載され、半導体回路素子のパッドとリードフレームのリードとをボンディングワイヤで配線した状態でモールド樹脂等のパッケージによって封止される。このパッケージの信頼性評価は、封止されたＩＣチップのサイズ、モールド樹脂の材質、モールド方法、ワイヤボンディングの構成等によって異なる。そして、この評価に用いるＩＣチップは、量産されるＩＣチップと同じ形状、同じサイズであることが望ましい。

ところで、一般的に半導体回路素子の表面温度（以下、ジャンクション温度という。）が１０℃上がる毎にデバイスの寿命は約1／2になり、故障率は約２倍になるといわれている。そして、シリコン半導体の場合はジャンクション温度が１７５℃を超えると破壊される可能性がある。このため、ＩＣチップのパッケージの熱抵抗を評価することは重要となるが、この熱抵抗とは、デバイスが１Ｗの電力を消費した時に生じる半導体素子と周囲雰囲気との温度差θｊａである。従来において、熱抵抗を評価するためのＩＣチップは、発熱源としての抵抗体と温度センサーとしての感熱ダイオードの組み合わせで構成されるのが一般的である。

そして、この温度差θｊａは次式で表されることが知られている。
θｊａ＝（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｐｄ＝Ｋ（Ｖｆ２−Ｖｆ１）／（Ｉｄ・Ｖｄ）
ここで、Ｔｊはジャンクション温度、Ｔａは周囲温度、Ｐｄは消費電力（Ｉｄ・Ｖｄ）、Ｋは電圧対温度特性から求めた傾きで温度上昇にともない感熱ダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）が減ずる定数、Ｖｆ１は常温時の感熱ダイオードの順方向電圧、Ｖｆ２は加熱時の感熱ダイオードの順方向電圧、Ｉｄは加熱電流、Ｖｄは加熱電圧である。ジャンクション温度を直接測定することができないが、周囲温度−感熱ダイオード順方向電圧の校正直線の傾きであるＫを求めて、Ｋ＝ΔＴｊ／ΔＶｆから、Ｔｊ＝Ｋ・Ｖｆとなるので、Ｖｆを測定することにより、ジャンクション温度Ｔｊを求めることができる。

ところで、通常の半導体製造工程では、ＩＣチップは、一枚のウェハに縦横に整列した状態で同じものが複数製造される。したがって、評価用のＩＣチップをウェハに製造すると、必要数以上の評価用のＩＣチップが製造されてしまう。また、サイズの異なる複数の評価用のＩＣチップが必要な場合には、異なるサイズ毎にウェハが必要となる。このため、従来においては、評価用のＩＣチップは、製造効率が悪く、コストがかかるという問題を有していた。

この問題を解決するものとして、従来においても、第１に、ＩＣチップの四辺に沿ってパッドを設け、これらパッドを隣接するＩＣチップと導電パターンで接続することで、所望サイズのＩＣチップを切り出し可能とする（特許文献１参照）ことが提案されている。また、第２に、ウェハ内の一部に評価領域を設けるとともに、このウェハから切り出す評価用のＩＣチップの大きさを変えることができる複数のダイシングラインを設ける（特許文献２参照）ことにより、一つのウェハから大きさの異なる複数の評価用のＩＣチップを製造することが提案されている。

特開２００４−１０１２２３号公報 特開平１１−６７８６２号公報

ところが、上述の第１の提案では、ワイヤボンディング評価しかできないという不都合があり、また、上述の第２の提案では、評価領域における電気特性評価はできるものの、評価用のＩＣチップの大きさが変わっても、評価領域は常に同じ位置にあるので、偏った部分の評価しかできず、ＩＣチップ全域の電気特性評価ができないという不都合がある。さらに、両者ともに熱抵抗の評価については何ら考慮していないという不都合がある。本発明は、これらの不都合を解消した半導体回路のパッケージ評価用ウェハを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体回路のパッケージ評価用ウェハは、半導体回路素子を形成するのに十分な大きさを有する単位チップを複数形成してなり、所望数の単位チップ毎に切り出して、評価対象となるパッケージの内部に収納し、そのパッケージにおける熱抵抗を評価する半導体回路のパッケージ評価用ウェハであって、各単位チップのウェハ内にそれぞれ感熱ダイオードを設けるとともに、隣接する一対の単位チップに設けた感熱ダイオード同士を接続するようにウェハ内を直線的に互いに平行に伸びる複数の感熱ダイオード接続配線からなる感熱ダイオード接続配線群を設け、同じくウェハ内に前記感熱ダイオード接続配線群と絶縁層を介してウェハ全域に及ぶよう直線的に互いに交差して伸びる複数の発熱抵抗体配線からなる発熱抵抗体配線群を設け、前記各感熱ダイオード接続配線は、各単位チップ毎に感熱ダイオードを挟む位置に一対ずつ設けた感熱ダイオード特性評価用パッドと接続し、前記発熱抵抗体配線群は、各単位チップの隅部に位置するよう少なくとも一対設けた発熱抵抗体加熱用パッドと接続したものである。

より具体的には、上述の発熱抵抗体加熱用パッドを、各単位チップの４隅部にそれぞれ設け、発熱抵抗体配線群は、前記発熱抵抗体用パッドの直下に位置してこれら各パッドを結ぶ垂直面上を水平に伸びる配線と、各単位チップの各辺の中央部を通る垂直面上を水平に伸びる配線とから構成し、各感熱ダイオード接続配線が前記発熱抵抗体配線群のいずれかの配線の直上または直下に位置するよう構成すると好適である。

本発明に係る半導体回路のパッケージ評価用ウェハによれば、次のような各効果を奏するものである。第１に、一枚のウェハから大きさの異なる複数種類の評価用のＩＣチップを切り出すことができる。第２に、熱抵抗を評価する位置が各単位チップ毎に存在するので、切り出した評価用のＩＣチップがいかなる大きさであっても、広範囲にわたる熱抵抗評価ができ、また、この熱抵抗評価に基づいてパッケージを封止したモールド樹脂の充てん均一性も評価できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面の図１〜図６に基づいて説明する。ここにおいて、図１は感熱ダイオード接続配線群と発熱抵抗体配線群との関係を概略的に示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は同じくＢ−Ｂ線断面図、図４は感熱ダイオード接続配線における感熱ダイオードの構成を概略的に示す側面図、図５は単位チップ１個取りの評価用チップを概略的に示す平面図、図６は単位チップ４個取りの評価用チップを概略的に示す平面図である。

図１に示すように、ウェハ１には、複数の単位チップ２を縦横に整列した状態で設けている。これら単位チップ２の境界は、図１〜図３において、仮想線３で示している。そして、この仮想線３は、チップを切り出す際の切断位置となるダイシングライン３である。各単位チップ２の表面には、４隅部にそれぞれ配置した４個の発熱抵抗体加熱用パッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを設けるとともに、その内側に一対の対向辺の中央を結ぶ線分上に位置するよう配置した２個の感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂを設けている。

図１及び図２に示すように、各単位チップ２の感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂは、ウェハ１内に設けた感熱ダイオード接続配線６に接続されている。感熱ダイオード接続配線６はポリシリコンからなり、図４に示すように、各単位チップのほぼ中央に対応位置して、ＰＮ接合によって感熱ダイオード７を形成している。前記感熱ダイオード接続配線６は、図１上横方向に隣接する各単位チップ２に設けた感熱ダイオード７同士を接続するようにウェハ１内を直線的に伸び、互いに平行に伸びる複数の感熱ダイオード接続配線６によって感熱ダイオード接続配線群を形成している。この感熱ダイオード接続配線群は、ウェハ１表面と平行な同一平面内に位置している。前記各感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂは、前記感熱ダイオード７を挟むようにアノード側とカソード側に位置している。

また、図１及び図３に示すように、各単位チップ２の４隅部にそれぞれ設けた発熱抵抗体加熱用パッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの直下に位置して、各パッド４ａ，４ｂを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ａ、各パッド４ｃ，４ｄを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｂ、各パッド４ａ，４ｄを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｃ、各パッド４ｂ，４ｃを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｄ、各パッド４ａ，４ｃを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｅ、各パッド４ｂ，４ｄを結ぶ垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｆと、各単位チップ２の各辺の中央部を通る垂直面上を水平に伸びる発熱抵抗体配線８ｇ，８ｈとからなる発熱抵抗体配線群を設けている。

この発熱抵抗体配線群は、感熱ダイオード接続配線群よりも深い、ウェハ１表面と平行な同一平面内に、前記感熱ダイオード接続配線群と絶縁層１４を介して位置している。そして、各感熱ダイオード接続配線６は、各発熱抵抗体配線８ｈの直上に位置している。また、各発熱抵抗体配線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆは、各発熱抵抗体加熱用パッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにそれらの直下に位置する部分でそれぞれ接続している。そして、各発熱抵抗体配線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈは、モリブデン、タングステン、タンタルなどで形成され、ウェハ１内において、その全域に及ぶように延びて互いに交差、接続している。

続いて、上述のように構成したウェハ１を用いたパッケージ評価について説明する。まず、ウェハ１のダイシングライン３に沿って、所望の大きさ、すなわち評価対象となる半導体回路に使用されるＩＣチップのサイズに適合する大きさとなるよう、所望数の単位チップ２を切り出す。本実施例では、単位チップ２一つで適合サイズになるものとして以下に説明する。

切り出した単位チップ２は絶縁性樹脂でモールドし、評価用チップを形成する。具体的には、図５に示すように、各感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂをそれぞれリード９ｂ，９ａの各接点とボンディングし、また、発熱抵抗体加熱用パッド４ｃ，４ｄをそれぞれリード９ｃ，９ｄの各接点とボンディングし、モールド樹脂１０でパッケージ化して、評価用チップ１１とする。

次に、この評価用チップ１１を用いた評価方法について説明する。図５に示すように、発熱抵抗体加熱用パッド４ｃ，４ｄに接続するリード９ｃ、９ｄ間に電圧をかけて、前記発熱抵抗体加熱用パッド４ｃ，４ｄを介して各発熱抵抗体用配線８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈに加熱電圧を印加し飽和させて、このときの加熱電圧と加熱電流を測定する。一方、この加熱電圧印加の前後において、各感熱ダイオード用パッド５ａ，５ｂに接続した各リード９ｂ、９ａを介して感熱ダイオード７に電流を流し、それぞれに対応する電圧を測定する。そして、これらの測定値からθｊａ＝Ｋ（Ｖｆ２−Ｖｆ１）／（Ｉｄ・Ｖｄ）の式を用いて熱抵抗を求める。

図６は本発明の他の実施形態における評価用チップ２１を示すもので、隣接する４個の単位チップ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを切り出してなるチップ１２（以下４個取りチップ１２という。）をモールド樹脂１３でパッケージ化したものである。本実施形態においても、上述した第１の実施形態の評価用チップ１１と同様に、熱抵抗の測定による評価を行うことができる。

具体的には、例えば、単位チップ２ａの感熱ダイオード特性評価用パッド５ａとリード９ｆの接点、及び感熱ダイオード特性評価用パッド５ｂとリード９ｅの接点をそれぞれワイヤボンディングし、単位チップ２ｂの感熱ダイオード特性評価用パッド５ａとリード９ｇの接点、及び感熱ダイオード特性評価用パッド５ｂとリード９ｈの接点をそれぞれワイヤボンディングし、単位チップ２ｃの感熱ダイオード特性評価用パッド５ａとリード９ｉの接点、及び感熱ダイオード特性評価用パッド５ｂとリード９ｋの接点をそれぞれワイヤボンディングし、単位チップ２ｄの感熱ダイオード特性評価用パッド５ａとリード９ｎの接点、及び感熱ダイオード特性評価用パッド５ｂとリード９ｌの接点をそれぞれワイヤボンディングする。また、例えば、単位チップ２ｃの発熱抵抗体加熱用パッド４ｃとリード９ｊの接点をワイヤボンディングし、単位チップ２ｄの発熱抵抗体加熱用パッド４ｄとリード９ｍの接点をワイヤボンディングする。

そして、単位チップ２ａ部分の熱抵抗を測定する場合は、図６に示すように、当該単位チップ２ａの感熱ダイオード７に対応する感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂと接続する各リード９ｅ，９ｆ間に電流を供給する一方、発熱抵抗体加熱用パッド４ｃ、４ｄに接続する各リード９ｊ，９ｍ間に電圧を印加し、上述の第１の実施形態と同様にして、測定を行う。同様に、単位チップ２ｂ部分の熱抵抗を測定する場合は、当該単位チップ２ｂの感熱ダイオード７に対応する感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂと接続する各リード９ｇ，９ｈ間に電流を供給し、単位チップ２ｃ部分の熱抵抗を測定する場合は、当該単位チップ２ｃの感熱ダイオード７に対応する感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂと接続する各リード９ｉ，９ｋ間に電流を供給し、単位チップ２ｄ部分の熱抵抗を測定する場合は、当該単位チップ２ｄの感熱ダイオード７に対応する感熱ダイオード特性評価用パッド５ａ，５ｂと接続する各リード９ｎ，９ｌ間に電流を供給すればよいものである。

このように、本実施形態によれば、評価対象となるチップ２１の特定の部分だけではなく、全体における熱抵抗を測定し、評価することができる、

図７は本発明における感熱ダイオード接続配線の他の実施形態を示す。Ｐ型の配線３１内にＮ型ウェル３２を形成し、このＮ型ウェル３２内にｐ+領域３３を形成し、このＮ型ウェル３２とｐ+領域３３で感熱ダイオード３４を構成したものである。また、Ｎ型ウェル３２内にｎ+領域３５を形成することにより、感熱ダイオード３４とコンタクトウィンドウ（図示せず）に用いられる金属との間の接触能力が向上するが、評価用チップ１１，２１においては、このｎ+領域３５は必ずしも設ける必要はない。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、評価用チップ１１，２１のサイズは、１個取り、４個取りに限らず、９個取りなど種々変更可能である。また、各評価を行うために用いる測定用のリードの数や接続するリードも、上述の例に限らない。さらに、感熱ダイオード接続配線群は、隣接する一対の単位チップ２に設けた感熱ダイオード７同士を接続するようにウェハ１内を直線的に互いに平行に伸びる複数の感熱ダイオード接続配線６からなればよく、上述した例に限定されない。またさらに、発熱抵抗体接続配線８ａ〜８ｈも、ウェハ１内をその全域に及ぶよう直線的伸びて互いの交差部分で接続していればよく、上述の例に限定されない。さらにまた、発熱抵抗体配線群を感熱ダイオード接続配線群よりも深い位置に設けたが、これとは反対に、感熱ダイオード接続配線群を発熱抵抗体配線群よりも深い位置に設けてもよく、この場合には、感熱ダイオード接続配線６を、発熱抵抗体配線群のいずれかの配線の直下に位置するよう設けると好適である。

感熱ダイオード接続配線群と発熱抵抗体配線群との関係を概略的に示す平面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図１のＢ−Ｂ線断面図。 感熱ダイオード接続配線における感熱ダイオードの構成を概略的に示す側面図。 単位チップ１個取りの評価用チップを示す概略的な平面図。 単位チップ４個取りの評価用チップを示す概略的な平面図。 感熱ダイオード接続配線における感熱ダイオードの構成に関する他の実施形態を概略的に示す側面図。

符号の説明

１ ウェハ
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 単位チップ
３ ダイシングライン
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 発熱抵抗体加熱用パッド
５ａ，５ｂ 感熱ダイオード特性評価用パッド
６ 感熱ダイオード接続配線
７，３４ 感熱ダイオード
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ 発熱抵抗体配線
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈ，９ｉ，９ｊ，９ｋ，９ｌ，９ｍ，９ｎ リード
１０，１３ モールド樹脂
１１，２１ 評価用チップ
１２ ４個取りチップ
１４ 絶縁層

Claims (2)

1. 半導体回路素子を形成するのに十分な大きさを有する単位チップを複数形成してなり、所望数の単位チップ毎に切り出して、評価対象となるパッケージの内部に収納し、そのパッケージにおける熱抵抗を評価する半導体回路のパッケージ評価用ウェハであって、
   各単位チップのウェハ内にそれぞれ感熱ダイオードを設けるとともに、隣接する一対の単位チップに設けた感熱ダイオード同士を接続するようにウェハ内を直線的に互いに平行に伸びる複数の感熱ダイオード接続配線からなる感熱ダイオード接続配線群を設け、同じくウェハ内に前記感熱ダイオード接続配線群と絶縁層を介してウェハ全域に及ぶよう直線的に互いに交差して伸びる複数の発熱抵抗体配線からなる発熱抵抗体配線群を設け、前記各感熱ダイオード接続配線は、各単位チップ毎に感熱ダイオードを挟む位置に一対ずつ設けた感熱ダイオード特性評価用パッドと接続し、前記発熱抵抗体配線群は、各単位チップの隅部に位置するよう少なくとも一対設けた発熱抵抗体加熱用パッドと接続した
   ことを特徴とする半導体回路のパッケージ評価用ウェハ。
2. 発熱抵抗体加熱用パッドは、各単位チップの４隅部にそれぞれ設け、発熱抵抗体配線群は、前記発熱抵抗体用パッドの直下に位置してこれら各パッドを結ぶ垂直面上を水平に伸びる配線と、各単位チップの各辺の中央部を通る垂直面上を水平に伸びる配線とからなり、各感熱ダイオード接続配線は前記発熱抵抗体配線群のいずれかの配線の直上または直下に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体回路のパッケージ評価用ウェハ。
   

Images