[发明专利]半导体芯片热阻在片测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片的热性能评估，尤其涉及一种半导体芯片热阻在片测试装置及方法。

背景技术

随着半导体器件向高功率、系统化、小型化方向发展，半导体芯片的热流密度不断增加，热流密度引起温升，导致芯片的各项性能下降。研究表明半导体芯片的性能下降和温升成幂指数关系，因此，对半导体芯片的散热能力评估越发重要。

目前，对半导体芯片的散热能力的评估都是基于单个芯片，即将晶圆上整版的半导体芯片划片为单个芯片，且封装在特定管壳上，完成电路连接，利用热测试设备进行分析评估。该方法需要划片、封装及特定管壳，不仅增加评估的工艺步骤和经济成本，且评估周期长，不利于半导体芯片的热管理研发。

因此，如何在晶圆上优化半导体芯片的热性能评估方法，实现对晶圆片整版芯片的某单个芯片进行热特性评估，对加快半导体芯片散热能力的研发和降低经济成本是至关重要的。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种半导体芯片热阻在片测试装置及方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种半导体芯片热阻在片测试装置，包括晶圆控制模块、环境温度控制模块、红外光学测量模块、功率控制模块和电路探针模块；其中，整版半导体芯片的晶圆固定于晶圆控制模块，晶圆控制模块固定于环境温度控制模块；晶圆中的半导体芯片上设置红外光学测量模块；电路探针模块连接晶圆中的半导体芯片与功率控制模块。

晶圆控制模块包括承载面、沟道、通气孔和固定端；其中，承载面上间隔设置若干环形沟道，沟道连接于通气孔，通气孔连接抽真空系统。

电路探针模块包括探针头、支撑结构和控制结构；其中，探针头连接晶圆中的半导体芯片；支撑结构连接探针头与控制结构；控制结构连接功率控制模块。

一种半导体芯片热阻在片测试方法，具体包括以下步骤：

(1)将整版半导体芯片的晶圆固定于晶圆控制模块，同时将晶圆控制模块固定于环境温度控制模块；

(2)晶圆中的待测半导体芯片上设置红外光学测量模块；利用电路探针模块将晶圆中的半导体芯片与功率控制模块相连；

(3)环境温度控制模块控制测试中的芯片工作参考温度为T₀；

(4)功率控制模块提供半导体芯片的工作电压及测量半导体芯片的热耗散功率P_diss，红外光学测量模块测量半导体芯片在特定工作电压下的结温T_max；

(5)计算热阻R：R＝(T_max-T₀)/P_diss。

有益效果：本发明通过晶圆控制模块的巧妙设计，并构建同时满足大尺寸晶圆中单个半导体芯片和红外光学测量模块接触方式及功率控制连接方式的电路探针模块，解决了现有测试装置和方法无法直接对晶圆中半导体芯片的单个芯片进行热阻测问题。该热阻测试方法不用引入封装工艺，降低了测试成本和周期，且表征的热阻结果更加精确；该热阻测试装置及方法对半导体芯片的结构和工作性能无要求，测试适应范围广。

附图说明

图1是半导体芯片热阻在片测试装置示意图；

图2是晶圆控制模块示意图；

图3是电路探针模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是本发明所述的半导体芯片热阻在片测试装置，包括晶圆控制模块、环境温度控制模块、红外光学测量模块、功率控制模块、电路探针模块。整版半导体芯片的晶圆固定于晶圆控制模块，晶圆控制模块固定于环境温度控制模块；晶圆中的待测半导体芯片上设置红外光学测量模块；电路探针模块连接晶圆中待测半导体芯片与功率控制模块。

如图2所示是晶圆控制模块，晶圆控制模块为圆盘结构，由金属材料制成，选用高热导率且易于加工的金属，例如铜、铝或钢等。该模块包括承载面1、沟道2、通气孔3和固定端4。承载面上间隔设置若干环形沟道，沟道尺寸由内至外可设置为1寸、2寸、3寸、4寸等，以此类推，分别对应1寸至4寸等的晶圆级半导体芯片。沟道连接于通气孔，通气孔连接抽真空系统。沟道与通气孔的连接设置可以是若干沟道均连接于一个通气孔，或者是沟道与通气孔一一对应。

使用时将整版半导体芯片的晶圆放置于承载面上，通过对沟道抽真空，可有效吸附固定整版芯片的晶圆片。固定端可通过螺丝将晶圆控制模块固定于环境温度控制模块上，其中间接触面涂覆导热胶，利于工作环境温度的传递和稳定控制。