本發(fā)明涉及半導體芯片的熱性能評估，尤其涉及一種半導體芯片熱阻在片測試裝置及方法。

背景技術：

隨著半導體器件向高功率、系統(tǒng)化、小型化方向發(fā)展，半導體芯片的熱流密度不斷增加，熱流密度引起溫升，導致芯片的各項性能下降。研究表明半導體芯片的性能下降和溫升成冪指數(shù)關系，因此，對半導體芯片的散熱能力評估越發(fā)重要。

目前，對半導體芯片的散熱能力的評估都是基于單個芯片，即將晶圓上整版的半導體芯片劃片為單個芯片，且封裝在特定管殼上，完成電路連接，利用熱測試設備進行分析評估。該方法需要劃片、封裝及特定管殼，不僅增加評估的工藝步驟和經(jīng)濟成本，且評估周期長，不利于半導體芯片的熱管理研發(fā)。

因此，如何在晶圓上優(yōu)化半導體芯片的熱性能評估方法，實現(xiàn)對晶圓片整版芯片的某單個芯片進行熱特性評估，對加快半導體芯片散熱能力的研發(fā)和降低經(jīng)濟成本是至關重要的。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種半導體芯片熱阻在片測試裝置及方法。

技術方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種半導體芯片熱阻在片測試裝置，包括晶圓控制模塊、環(huán)境溫度控制模塊、紅外光學測量模塊、功率控制模塊和電路探針模塊；其中，整版半導體芯片的晶圓固定于晶圓控制模塊，晶圓控制模塊固定于環(huán)境溫度控制模塊；晶圓中的半導體芯片上設置紅外光學測量模塊；電路探針模塊連接晶圓中的半導體芯片與功率控制模塊。

晶圓控制模塊包括承載面、溝道、通氣孔和固定端；其中，承載面上間隔設置若干環(huán)形溝道，溝道連接于通氣孔，通氣孔連接抽真空系統(tǒng)。

電路探針模塊包括探針頭、支撐結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)；其中，探針頭連接晶圓中的半導體芯片；支撐結(jié)構(gòu)連接探針頭與控制結(jié)構(gòu)；控制結(jié)構(gòu)連接功率控制模塊。

一種半導體芯片熱阻在片測試方法，具體包括以下步驟：

(1)將整版半導體芯片的晶圓固定于晶圓控制模塊，同時將晶圓控制模塊固定于環(huán)境溫度控制模塊；

(2)晶圓中的待測半導體芯片上設置紅外光學測量模塊；利用電路探針模塊將晶圓中的半導體芯片與功率控制模塊相連；

(3)環(huán)境溫度控制模塊控制測試中的芯片工作參考溫度為t0；

(4)功率控制模塊提供半導體芯片的工作電壓及測量半導體芯片的熱耗散功率pdiss，紅外光學測量模塊測量半導體芯片在特定工作電壓下的結(jié)溫tmax；

(5)計算熱阻r：r＝(tmax-t0)/pdiss。

有益效果：本發(fā)明通過晶圓控制模塊的巧妙設計，并構(gòu)建同時滿足大尺寸晶圓中單個半導體芯片和紅外光學測量模塊接觸方式及功率控制連接方式的電路探針模塊，解決了現(xiàn)有測試裝置和方法無法直接對晶圓中半導體芯片的單個芯片進行熱阻測問題。該熱阻測試方法不用引入封裝工藝，降低了測試成本和周期，且表征的熱阻結(jié)果更加精確；該熱阻測試裝置及方法對半導體芯片的結(jié)構(gòu)和工作性能無要求，測試適應范圍廣。

附圖說明

圖1是半導體芯片熱阻在片測試裝置示意圖；

圖2是晶圓控制模塊示意圖；

圖3是電路探針模塊示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。

如圖1所示是本發(fā)明所述的半導體芯片熱阻在片測試裝置，包括晶圓控制模塊、環(huán)境溫度控制模塊、紅外光學測量模塊、功率控制模塊、電路探針模塊。整版半導體芯片的晶圓固定于晶圓控制模塊，晶圓控制模塊固定于環(huán)境溫度控制模塊；晶圓中的待測半導體芯片上設置紅外光學測量模塊；電路探針模塊連接晶圓中待測半導體芯片與功率控制模塊。

如圖2所示是晶圓控制模塊，晶圓控制模塊為圓盤結(jié)構(gòu)，由金屬材料制成，選用高熱導率且易于加工的金屬，例如銅、鋁或鋼等。該模塊包括承載面1、溝道2、通氣孔3和固定端4。承載面上間隔設置若干環(huán)形溝道，溝道尺寸由內(nèi)至外可設置為1寸、2寸、3寸、4寸等，以此類推，分別對應1寸至4寸等的晶圓級半導體芯片。溝道連接于通氣孔，通氣孔連接抽真空系統(tǒng)。溝道與通氣孔的連接設置可以是若干溝道均連接于一個通氣孔，或者是溝道與通氣孔一一對應。

使用時將整版半導體芯片的晶圓放置于承載面上，通過對溝道抽真空，可有效吸附固定整版芯片的晶圓片。固定端可通過螺絲將晶圓控制模塊固定于環(huán)境溫度控制模塊上，其中間接觸面涂覆導熱膠，利于工作環(huán)境溫度的傳遞和穩(wěn)定控制。

如圖3所示是電路探針模塊，電路探針模塊為三級結(jié)構(gòu)，包括探針頭a、支撐結(jié)構(gòu)b和控制結(jié)構(gòu)c。探針頭用于連接晶圓中待測半導體芯片，具體地連接在半導體芯片的柵、源、漏區(qū)。支撐結(jié)構(gòu)用于支撐固定探針頭，同時內(nèi)含電路線，連接探針頭和控制結(jié)構(gòu)。控制結(jié)構(gòu)用于控制調(diào)整探針頭的位置，同時連接外部的功率控制模塊。

使用時晶圓中待測半導體芯片上放置紅外光學測量模塊，探針頭放于兩者之間連接半導體芯片和功率控制模塊，同時探針頭可滿足晶圓中半導體芯片和紅外光學測量模塊的接觸測試。

利用該熱阻測試裝置進行測試時，首先，將整版半導體芯片的晶圓通過真空吸附固定于晶圓控制模塊上，再利用晶圓控制模塊的固定端將其固定于環(huán)境溫度控制模塊上。然后，將紅外光學測試模塊移至晶圓中待測的半導體芯片上，探針頭放于兩者之間連接半導體芯片，控制結(jié)構(gòu)連接外部的功率控制模塊，即通過電路探針模塊將晶圓中的待測半導體芯片與功率控制模塊相連。

測量時，環(huán)境溫度控制模塊控制和設定芯片工作的參考溫度，為t0，為測試提供芯片工作環(huán)境。芯片開始工作，紅外光學測量模塊測量半導體芯片的結(jié)溫tmax，同時功率控制模塊測量半導體芯片的熱耗散功率pdiss。依據(jù)熱阻計算公式r＝(tmax-t0)/pdiss計算熱阻r。

重復上述步驟，調(diào)整環(huán)境溫度控制模塊設置不同的工作溫度，實現(xiàn)在不同條件下的熱阻測試。

以下通過具體的測試進行說明。將4寸的gan晶圓級半導體芯片通過真空吸附固定于晶圓控制模塊上，通過環(huán)境溫度控制模塊設定芯片工作溫度為40℃。芯片開始工作，依據(jù)紅外光學測量模塊獲得芯片的結(jié)溫為136.8℃，依據(jù)功率控制模塊獲得芯片的熱耗散功率為8.29w。依據(jù)熱阻計算公式計算得到該工作條件下的熱阻為16.3k/w。

技術特征：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種半導體芯片熱阻在片測試裝置及方法，包括晶圓控制模塊、環(huán)境溫度控制模塊、紅外光學測量模塊、功率控制模塊和電路探針模塊；整版半導體芯片的晶圓固定于晶圓控制模塊，晶圓控制模塊固定于環(huán)境溫度控制模塊，晶圓的半導體芯片上設置紅外光學測量模塊，電路探針模塊連接晶圓中的半導體芯片與功率控制模塊。測試時，利用環(huán)境溫度控制模塊提供芯片測試計算用的工作參考溫度，功率控制模塊用于提供芯片工作電壓和測量熱耗散功率，紅外光學測量模塊測量半導體芯片的結(jié)溫；最后利用熱阻計算公式計算熱阻。本發(fā)明解決了現(xiàn)有測試裝置和方法無法直接對晶圓中半導體芯片的單個芯片進行熱阻測試的問題；且不用引入封裝工藝，降低了測試成本和周期，表征熱阻結(jié)果更精確；對半導體芯片的結(jié)構(gòu)和工作性能無要求，測試適應范圍廣。

技術研發(fā)人員：郭懷新
受保護的技術使用者：中國電子科技集團公司第五十五研究所
技術研發(fā)日：2017.03.24
技術公布日：2017.08.11