专利名称：标准测试环境中加热半导体器件的系统和方法
背景技术：
发明领域本发明涉及有效加热被测器件(DUT)而不加热其环境，尤其允许常规测试处理机中DUT的高温测试。
相关技术在常规半导体器件中，在芯片周围形成封装。该封装保护芯片并提供电气引线，称作引脚，它可以连接到芯片的结合焊盘。在随后的系统集成期间，这些引脚可以连接到印刷电路板的各部分。
半导体制造和封装的目的是提供一种可以执行到特定参数的器件。因此，为了在集成入系统前确保半导体器件可以适当地工作，通常测试半导体器件以检验其电气和功能属性。通常由计算机控制的测试器和处理机执行这些测试。
许多半导体器件的指标可以包括最大工作温度。不幸地，目前高温测试需要处理机内昂贵的隔离室，半导体器件可以在上述隔离室中加热，保持温度，以及随后进行测试。通常，可使用内部加热元件或者迫使加热的气流通过隔离室来实现传热。为了确保精确测量，隔离室中的温度可以保持在预定温度(或稍许高些)。因此，除了处理机之外，该高温隔离室显著地增加了测试成本。
为了确保用于半导体器件的高温环境，处理机的某些部件也必须置于隔离室内。这种部件包括用于在分级托盘(staging tray)之间移动半导体器件的轨道，以及夹持机构，它在测试期间进行保护并使得半导体器件的引线电气接触。因为这种部件置于与半导体器件相同的环境中，这些部件更易于出现故障，由此进一步增加了测试成本。
鉴于上述原因，通常不在标准半导体器件的商业生产期间进行高温测试。在这些情况中，尽管基于所使用的特殊制造和封装工艺，大多数标准器件是合格的，但这类器件不能保证通过温度测试。确保有关温度测试指标的半导体器件例如温度计芯片或超温度传感器，通常都是以明显较高的价格销售的，以补偿温度测试的成本。
但是，器件半导体器件在诸如膝上电脑、笔记本等越来越多的应用，就必须长期经受住相当的热量，从而需要这类器件半导体器件进行高温测试。因此，对适用于当前非温度调节测试装置的高温测试技术的需求有所上升。
发明概述当前，半导体器件的高温测试一般都需要昂贵的隔离室，在隔离室中，器件可以缓慢地达到所需温度。该技术很费时，从而增加了测试成本。此外，由于暴露于高温下，隔离室内的任何测试装置部件都更可能产生故障。
因此，根据本发明的特点，提供了在标准(即室温)处理机中有效且精确加热半导体器件的方法。在一个实施例中，可以将光源聚焦到器件上以加热其芯片。该光源例如可以是红外线光源。与光源的发光相关的能量被转换成热能，从而产生半导体器件的局部加热而不加热任何邻近的部件。此时，可以将半导体器件加热到预定温度以便进行测试。
在另一个实施例中，可以用较小的电流正向偏置半导体器件中的基片二极管以形成阴极和阳极之间的电压。有利地，基片二极管的正向电压与芯片的温度有直接的关系。这种关系可以根据隔温室中实例性器件的类型的特性加以确定。因此，测量正向电压可以提供芯片温度的精确推导。
在该实施例中，为了提供正向偏置，可以将相对较大的电流施加到基片二极管的阳极。该电流将器件快速加热超过预定温度。随后，用第二标称电流取代较大的电流来保持正向偏置。在这种状态中，可以监控基片二极管的正向电压直到达到预定温度。此时，可以在预定温度下测试器件。在一个实施例中，可以在测试前进行使用聚焦光源或基片二极管的器件加热，从而提供极其温度有效的方式来在高温条件下测试器件。
在一个实施例中，监控基片二极管的正向电压包括接收使预定正向电压与预定温度关联的特性化。该特性化可以在与处理机中测试的半导体器件相同类型的实例性器件上进行。因此，对于这种类型的半导体器件，该特性化只需进行一次。
还提供了一种用于高温条件下测试器件的系统。该系统可以包括室温处理机和测试器。在一个实施例中，室温处理机可以包括夹持机构以及用于将器件传送到夹持机构或从夹持机构传送的装置，而测试器可以包括用于用基片二极管产生高温条件的装置，其中高温条件可以有利地局限于器件而非其它处理机部件，例如夹持机构和用于传送的装置。在一个实施例中，用于产生高温条件的装置可以包括计算机代码以便驱动测试器资源来正向偏置器件中的基片二极管。在这种技术中，需要修改测试器软件而非处理机硬件。
计算机可读的该软件可以包括采用标称电流向加热的器件中的基片二极管提供正向偏置的代码，用于监控基片二极管的正向电压直到达到预定正向电压的代码，以及用于在预定电压时测试器件的代码，其中预定电压表示用于测试的所需温度。在一个实施例中，用于监控正向电压的代码包括用于接收特性化数据的代码，该特性化数据使预定正向电压与预定温度关联。
附图概述
图1示出用于以局部方式加热半导体器件的一种技术。这种技术包括短波长的发光源，它可以将其光束聚焦在半导体器件的较小表面上，从而加热该半导体器件而不加热其环境。
图2示出硅基片中形成的PMOS晶体管的标准剖视图。基片二极管可以有利地用于本发明的一个实施例中以便在半导体器件中产生局部加热条件，其中基片二极管当前被认为是晶体管形成的不需要的副产品。
图3示出一个过程，其中测试期间半导体器件可以自加热。
图4A示出实例性的半导体器件，它包括耦合到相对较小的电流源的基片二极管，从而产生正向偏压。
图4B示出实例性的被测器件(DUT)，它包括耦合到相对较大的电流源的基片二极管，从而加热该DUT。
图4C示出正常测试情况中DUT的实例性结构。应注意，此时基片二极管是反向偏置的。
图5示出实例性的正向电压比温度特性。
图6A示出表示自加热期间DUT的温度和时间之间的典型关系的实例性曲线。
图6B示出表示自加热之后正向电压Vf和时间之间的典型关系的实例性曲线。
图7A示出表示监控期间DUT的温度和时间之间的典型关系的实例性曲线。
图7B示出表示用于聚焦光源加热时正向电压Vf和时间之间的典型关系的实例性曲线。
图8示出加热周期和后续冷却(即，监控)周期期间对一个DUT的温度比时间的实例性曲线图。
具体实施例方式
根据本发明的一个特点，可以对半导体器件进行温度测量而不使用隔离室，从而消除了装置费用以及与加热室和器件相关的长时间段。在一个实施例中，将密集聚焦的高强度光施加到半导体器件上提供了局限于半导体器件的极其有效的热生成。在另一个实施例中，可以采用相对较大的电流正向偏置半导体器件的基片二极管，从而在很短的时间段内加热器件。
高强度光源实施例根据图1所示的本发明的一个实施例，红外线灯101(或任何短波长的发光源)可以将其光束102聚焦到半导体器件103的表面上。该光能可以转换成半导体器件103表面上的热能。例如，由Research，Inc.提供的配备聚焦锥的型号(Model)4150，SpotIRTM热源可以将其红外能引导到直径约0.25英寸的小圆点上。该型号可以在9秒的冷启动内快速将目标加热达800°F。
通过改变光源的能量，可以将半导体器件103加热到任意预定高的温度。在一个实施例中，非接触红外温度传感器106可以根据光束102提供半导体器件103的推断温度。红外线灯101的能量可以在灯开启后2.5秒内有效地将器件加热到180°F，而灯关闭后半导体器件103中的散热通常要花费10秒。然而，半导体器件的完整测试通常仅花费几百毫秒。
因此，可以以最小的成本将该点加热技术有利地添加到当前的处理机上以便于提供最大功效。在一个实施例中，点加热源可以置于处理机104的夹持机构104之前的部分轨道105上。
自加热实施例大多数半导体器件构成于硅基片上，该硅基片“掺杂”了各种化学制品以改变其导电属性。有两个基本类型的掺杂物产生“n”型区的一种掺杂物和产生“p”型区的另一种掺杂物。n型区在导带中具有多余电子，而p型区在硅的价带中具有多余空穴(即，在正常占据的电子轨道中缺失电子)。
图2示出硅基片201中利用掺杂形成的PMOS晶体管200的标准剖视图。特别是，PMOS晶体管200包括栅极207和两个p型区202A和202B，他们分别形成晶体管200的源极和漏极。区202A/202B形成于n型阱203中，阱203进一步形成于p型基片201中。区204(n型)和205(p型)可以分别耦合到第一电源电压(例如，VDD)和第二电源电压(例如，GND)。
当p和n型区物理接触时，它们形成“pn”结。例如，在晶体管200中，pn结形成在区域202A/202B和阱203之间(它整体具有晶体管200的功能)以及基片201和阱203之间(它形成不需要的，但不可避免的寄生二极管)。pn结构成整流二极管，其标称电流时的正向电压降约为0.6V。
在正常操作中，基片201和阱203形成的大pn二极管，即基片二极管206，通常被反向偏置。在反向偏置状态中，基片二极管206具有电压电位从而结的n侧(即阴极)处于比p侧(即阳极)更高的电位，由此允许很小的电流流经基片二极管206。在这种情况中，基片二极管206不干扰晶体管200的正常工作。
但是，如果pn结的电位被反向从而基片二极管206被正向偏置(即，阳极处于比阴极高的电位)，则较大的电流会流经该结。事实上，正向偏置的二极管中电压和电流之间的关系是指数的。此外，重要的是，基片二极管206的电压降是很强(即，可预测)的温度函数。
因此，根据本发明的一个实施例，测试前可以以不同的程度正向偏置基片二极管206。特别是，可以将相对较大的电流施加的基片二极管206的阳极上以快速加热半导体器件。此后，可以将相对较小的电流应用到阳极以保持正向偏置同时监控基片二极管的正向电压。
图3示出过程310，其中测试期间半导体器件可以自加热。在步骤301中，实例性半导体器件必须被特性化，从而很好地定义小电流(即100μA)时不同温度下的其正向电压(Vf)。在步骤302中，可以用大电流正向偏置被测器件(DUT)(它是与特征化的半导体器件同种类型的半导体器件)的基片二极管。该大电流导致DUT内生成的足够热量。
特别是，经过基片二极管的大电流将根据关系P＝I×Vf(其中I是强制电流)开始耗散半导体器件中的功率。在一个实施例中，正向电压Vf附加地包括由于硅和其它导电封装材料中的寄生电阻引起的电阻电压降。DUT中耗散的功率将使得硅芯片快速加热。例如，在小封装SOT-23中，芯片温度可以在几秒内高达150℃。
在一个实施例302中，可以在预定时间内将1.5A的相对较大电流施加到基片二极管上以便将DUT加热到比所需温度更高的温度。该预定温度可以凭经验(即通过实验)找到或者通过已知DUT的热属性和施加电流的量而计算出。
在步骤303中，相对较大电流可以由相对较小的电流取代，从而保持正向偏置，但使得半导体器件冷却。此时，可以监控正向电压Vf直到所需正向电压，从而达到所需温度。一旦达到所需温度，半导体器件就预备步骤304中的测试。
图4A示出实例性半导体器件400，它包括具有正向偏压的基片二极管403。特别是，在该实施例中，可以将小电流404(例如100μA)提供给接地引脚401。此外，正电压电源(VDD)引脚402可以耦合到接地。在这种结构中，基片二极管403的阳极具有比其阴极更高的电位，从而导致正向偏置状态。此时，半导体器件400可以置于烤箱内。随后，当烤箱温度增加时，测量装置405可以记录接地引脚401和电源引脚402之间的电压差(即正向电压)。重要的是，对于特殊类型的器件，该鉴定仅需要进行一次。换句话说，同种类型的不同器件具有基本相同的正向电压比温度特性。
图4B示出实例性的DUT410，它与器件400(图4A)是同种类型的半导体器件。因此，DUT410包括相同的引脚，例如接地引脚401和电源引脚402，以及基片二极管403(它现在具有已知特性)。为了正向偏置DUT410中的基片二极管403并同时加热DUT 410，大电流406被施加到接地引脚401上，而正电压电源(VDD)引脚402可以耦合到接地。在这种情况中，接地引脚410将具有比电源引脚402更高的电位，从而产生正向偏置状态并加热DUT 410。
一旦经过预定时间以确保DUT 410被加热到所需温度之上，可以将大电流406切换成相对较小的电流。在一个实施例中，小电流的值可以是与用来特性化基片二极管403的温度响应的电流(例如100μA)相同的量。因此，DUT 410可以以图4A所示的方式偏置。在这种偏置状态中，DUT 410将立即开始冷却。
此时，可以监控DUT 410的正向电压直到达到相对于所需温度的目标正向电压。随后，DUT 410预备进行测试。
在测试期间，可以除去小电流(例如100μA)且可以用标准电压和/或电流测试DUT 400。图4C示出测试期间的DUT 410的实例性结构，其中预定输入引脚可以接收输入信号407且测量装置405可以测量另一个引脚上的结果输出。应注意，接地引脚401和电压电源引脚402现在被配置成反向偏置基片二极管403。即，接地引脚401现在具有比电压电源引脚402更低的电位。
应注意，因为DUT 410连续冷却，所以“正常”测试时间越短，温度读取就约越精确。幸而，在许多半导体器件中，DUT冷却的时间常数比正常测试时间更长。
应注意，每个类型的半导体器件的加热周期和冷却周期可以变化。此外，这些周期还可以由处理机的机械部件加以影响，诸如处理机的接触器。在一个实施例中，在具有处理机的半导体器件的特性化期间可以获得关于加热和冷却周期的信息。
图5示出实例性正向电压比温度特性。特别是，在曲线图500中，正向电压Vf(即接地引脚和电压引脚之间的电压差)示出与温度的线性关系。在一个实施例中，对于每摄氏度的增加，正向电压Vf都降低2mV。重要的是，当烤箱温度达到所需测试温度Temp1时，可以测量处于点501处的正向电压Vf。可以为后续生产测试存储相应的正向电压Vf1。换句话说，通过监控基片二极管的正向电压可以间接地测量温度。
图6A示出实例性曲线601，它表示自加热期间DUT温度和时间之间的典型关系。Temp1表示测试的目标温度，它产生于时间T1处。时间T2表示实例性预定时间。应注意，时间T2仅被提供来确保芯片温度大于目标温度Temp1。
图6B示出实例性曲线602，它表示自加热后正向电压Vf和时间之间的典型关系。应注意，正向电压Vf随时间降低，直到它达到预定正向电压，该预定正向电压小于目标正向电压Vf1。
图7A示出实例性曲线701，它表示监控期间DUT温度和时间之间的典型关系。如以上提示的，DUT被加热到目标温度Temp1以上。由于温度衰变的指数性质(即，在关闭大“加热”电流源后芯片温度大部分立刻快速改变)，正向电压测量应在冷却开始后立刻开始(例如约几毫秒)。
图7B示出实例性曲线702，它表示监控期间正向电压Vf和时间之间的典型关系。重要的是，可以使用任何标准测量装置(参见图4A中的测量装置405)监控正向电压Vf。根据本发明的一个特点，在检测正向电压Vf1时，达到DUT中的温度Temp1(图7A)。
图8示出实例性曲线图800，它示出加热周期和后续冷却(即监控)周期期间一个DUT的温度比时间。在该实施例中，峰值温度，即180℃，是DUT封装的固化温度(curing temperature)。应注意，固化期通常至少是几分钟，而加热周期小于3秒。根据本发明的一个特点，这个较短的加热周期可以使得DUT的芯片加热到峰值温度而不必将芯片附近的膜塑料加热到同一温度。
有利的是，以软件的方式实现DUT的基片二极管加热。换言之，在标准处理机中无需附加硬件来实现高温测试。在一个实施例中，IR点加热器可以结合电压/温度测量技术一起使用(特别是，图3中的步骤301和303-304)，从而允许高温条件下测试结果的精确确定。
虽然这里参考附图详细描述了本发明的实施例，但可以理解，本发明不限于这些明确的实施例。它们不旨在彻底地将本发明限制为所揭示的明确形式。同样，许多修改和变化将是明显的。因此，本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等效物加以限定。
权利要求
1.一种加热半导体器件的方法，其特征在于，所述方法包括将光源聚焦到所述半导体器件上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源包括红外线光源。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热是在测试处理机中进行的。
4.一种在高温条件下测试半导体器件的方法，其特征在于，所述方法包括在预定时间段内将光源聚焦在所述半导体器件上，从而产生局限于半导体器件中的高温条件；以及在预定时间段后测试所述半导体器件。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光源包括红外线光源。
6.一种测试器件和产生高温条件的系统，其特征在于，所述系统包括包括夹持机构的处理机；用于将所述器件传送到所述夹持机构和从所述夹持机构传送出的装置；以及用于保持半导体器件的装置，该装置产生局限于所述器件本身而非夹持机构和用于传送的装置的高温条件。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述用于产生高温的装置包括聚焦光源。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源包括红外线光源。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述用于产生高温的装置包括用于驱动系统资源来正向偏置器件中的基片二极管的计算机代码。
10.一种高温条件下测试器件的方法，其特征在于，所述方法包括使用第一电流给器件中的基片二极管提供正向偏置，所述第一电流加热器件过预定温度；用第二标称电流取代所述第一电流以保持所述正向偏置；监控所述基片二极管的正向电压直到达到所述预定温度；以及在所述预定温度处测试所述器件。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，监控所述正向电压的步骤包括使预定正向电压与所述预定温度关联。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，监控所述正向电压的步骤包括接收使预定正向电压和预定温度关联的特性。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，提供正向偏置的步骤包括使预定正向电压和所述预定温度关联。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，提供正向偏置的步骤包括接收使预定正向电压和预定温度关联的特性。
15.一种测试加热的器件的方法，其特征在于，所述方法包括使用标称电流向加热的器件中的基片二极管提供正向偏置；监控所述基片二极管的正向电压直到达到预定正向电压；以及在所述预定电压时测试所述器件，其中预定电压表示用于测试的所需温度。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，监控所述正向电压的步骤包括使预定正向电压和预定温度关联。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，监控所述正向电压的步骤包括接收使预定正向电压和预定温度关联的特性。
18.用于测试半导体器件的计算机软件，其特征在于，所述计算机软件包括用于使用标称电流向加热的器件中的基片二极管提供正向偏置的代码；用于监控基片二极管的正向电压直到达到预定正向电压的代码；用于在预定电压时测试所述器件的代码，其中所述预定电压表示用于测试的所需温度。
19.如权利要求18所述的计算机软件，其特征在于，用于监控所述正向电压的代码包括用于使预定正向电压和预定温度关联的代码。
20.如权利要求18所述的计算机软件，其特征在于，用于监控所述正向电压的代码包括用于接收使预定正向电压和预定温度关联的特性的代码。
全文摘要
提供了在标准(即，室温)处理机中有效并精确加热半导体器件的方法。在一个实施例中，红外线光源被聚焦到所述器件上以便加热其芯片。在另一个实施例中，可以正向偏置器件中的基片二极管来加热芯片。有利地，基片二极管的正向电压与芯片温度有直接关系。这种关系可以根据实例性器件类型的特性加以确定。因此，测量正向电压可以提供芯片温度的精确推导。使用聚焦光源或基片二极管的器件加热可以就在测试前进行，从而提供时间上极其有效的方式来在高温条件下测试器件。
文档编号G01R31/28GK1551325SQ20041004564
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月19日 优先权日2003年5月19日
发明者S·S·H·楚, 吴文丰, C·T·劳, S S H 楚, 劳 申请人:模拟微电子学股份有限公司