(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを内蔵している半導体パッケージの熱抵抗を、チップの動作温度とパッケージの表面温度との差に基づいて、測定するのに用いる測定装置であって、
測定装置が、槽と、調節手段と、第１及び第２測定手段と、第１印加手段と、較正曲線のデータと、を含んでおり、
較正曲線のデータが、チップの動作温度と、該チップの動作温度に影響を与える温度感応電気的パラメータと、の関係を示しており、
槽が、槽内の流体の温度を調節する温度調節機能を有しており、且つ、中にパッケージを保持できるものであり、
調節手段が、パッケージに流体を当てることによって、パッケージの温度を流体の温度と同じにするものであり、
第１測定手段が、流体の温度を測定するものであり、
第２測定手段が、チップの消費電力を測定するものであり、
第１印加手段が、パラメータを、チップに印加するものである、測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
更に、第２印加手段を含み、
第２測定手段が、更に、パラメータの値を測定するものであり、
第２印加手段が、チップを所定の電力消費状態にするものであり、
上記較正曲線のデータが、更新可能になっている、測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の測定装置を用いて、半導体チップを内蔵している半導体パッケージの熱抵抗を測定する測定方法であって、
測定方法が、
第１処理として、較正曲線のデータと、チップに印加されているパラメータの値とに基づいて、チップの動作温度を特定する工程と、槽の温度調節機能と調節手段とによって、パッケージの表面温度が流体と同じ温度になっている時に、流体の温度を第１測定手段によって測定する工程と、チップの消費電力を第２測定手段によって測定する工程と、チップの動作温度と流体の温度との差とチップの消費電力とに基づいてパッケージの熱抵抗を求める工程と、を含むものである、測定方法。
【請求項４】
請求項２に記載の測定装置を用いて、半導体チップを内蔵している半導体パッケージの熱抵抗を測定する測定方法であって、
測定方法が、
第１処理として、槽の温度調節機能と調節機能とによって、動作停止状態のチップの温度を、パッケージと共に、流体の温度と同じにする第１工程と、チップを第２印加手段によって電力消費状態にした時のパラメータの値を、第２測定手段によって測定する第２工程とを、複数のチップ温度について実行することによって、上記較正曲線のデータを取得し、該データの更新を行い、
第２処理として、更新した較正曲線のデータと、第１印加手段によってチップに印加されているパラメータの値に基づいて、チップの動作温度を特定する工程と、槽の温度調節機能と調節手段とによって、パッケージの表面温度が流体と同じ温度になっている時に、流体の温度を第１測定手段によって測定する工程と、チップの消費電力を第２測定手段によって測定する工程と、チップの動作温度と流体の温度との差、及び、チップの消費電力に基づいてパッケージの熱抵抗を求める工程と、を行うものである、測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、包装された半導体チップの熱インピーダンスを測定する、包装半導体素子の熱インピーダンス評価方法及び装置に関する。
本発明に係る熱インピーダンスの測定方法は、電力サイクリングによってその場で半導体チップ及び包装体の熱劣化の測定に適用される。電力サイクルによりチップの電気パラメータに影響を及ぼすとともに半導体チップ及び包装体のひび割れ、ボイドの発生、層間剥離等の欠陥の原因となる温度サイクルが実施される。
【０００２】
【従来の技術】
動作温度は半導体チップの信頼性及び性能に影響を及ぼす最も重要な要因の１つである。大規模集積回路は電力高密度化を招来し、半導体チップの表面積あたりの熱放散が益々増大することを意味する。半導体チップの材料、パッケージ、処理及び冷却方法は動作温度を製造者により規定されるとともに該半導体チップが超える又は怠慢してはならない臨界接合温度より低く維持して厳格に要件を満足するようにしなければならない。特に、高度技術及び高電力素子は周辺に有効に熱伝達する必要がある。
【０００３】
従来、包装半導体チップの熱性能はパッケージにおける接合部とある基準位置間における常温状態の接合部−ケース熱抵抗によって表示されてきた。この熱抵抗はＲｔｈ＝（Ｔｊ−Ｔｒｅｆ）／Ｐ）と表され、ここでＴｊは接合部温度として参照される最大チップ温度であり、Ｔｒｅｆはパッケージの温度、Ｐは半導体チップで消費される電力を表す。ＳＥＭＩ（半導体製造装置材料協会）  Ｇ３０−８８、ＳＥＭＩ  Ｇ４３−８７、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３（合衆国軍用標準規格−８８３）の方法１０１２等の標準測定規定は一定の繰り返し結果を保持するようにしなければならない。これらの方法では流体浴槽かヒートシンクのいずれを用いるかの選択がなされ、これら両方法は測定熱抵抗がそのような環境選択とは無関係とされる。不都合なことに、環境条件、例えば流体浴槽における流れ場とか循環速度等は測定される接合部−ケースの熱抵抗に大いに影響を及ぼす。従って、異なった環境条件下で上記従来の標準検査方法を用いるのであれば、大きく相異する熱抵抗は測定可能である。更に、上述した標準検査方法によれば、基準温度はパッケージ表面と接触させた熱電対を用いて測定される。熱電対の取り付けは熱電対と雰囲気間の熱輸送を酷く乱す。このため、測定結果に大きな系の擾乱誤差が誘導され、その結果、実熱抵抗値を大いに不正確なものにする。
【０００４】
半導体チップの信頼性は定常状態温度に依存するのみならず、温度変化及び温度傾きに依存する。半導体チップの過渡的な熱動作測定の重要性が増大している。過渡熱抵抗として定義される熱インピーダンスは半導体チップの完全性及びチップ取り付け品質に関する多くの情報を含んでいる。ダイオードとかトランジスタ等の種々の素子に対し、ＭＩＬ−ＳＴＤ−７５０Ｃに熱インピーダンス測定方法が記載されている。環境条件については特定されないが、パッケージの基準位置は一定温度に保持する必要がある。
【０００５】
Ｊean-Marie Housonne et Jean Lostec“Ａppareli permettant la caracterisation thermique de substrats et materiaux a forte conductibilite  pour micro-electronique"Journal de la Physique、第３巻、第３部、１９９３年４月、Ｐaris of Ｐierreに、半導体パッケージに使用された基板の熱伝導率を特徴付ける装置及び方法が記載されている。この方法はセラミックア基板試料の熱特性の測定に限定され、包装半導体チップに対しては適用不可能である。
【０００６】
米国特許第４、８４０、４９５号明細書には、基板に接着された半導体チップを含むチップアッセンブリの熱抵抗を測定する方法及び装置が記載されている。この方法では半導体チップは加熱源側でアクセス可能であることが要求される。一方、多くの適用例において、半導体チップはチップ加熱熱源において直接的な接触を防止するある形式のパッケージに封入されている。したがって、上記先行技術の方法により完全包装された半導体チップの熱抵抗測定は不可能である。
このように、包装半導体チップにアクセス不可能であるため、最大定格温度として定義される接合部温度を定めるのに、間接的で非破壊方式が使用される。このようなチップの温度感応電気的パラメータはチップ温度を直接感知する温度計として使用することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した種々の問題を解決するためになされたものであり、精確にかつ再現性をもって、包装された半導体チップ、特に、搭載回路の集積密度の高い半導体チップの熱インピーダンスを測定する方法及び装置を提供することにある。このため、本発明の装置は、均質の安定した精確な熱境界条件を提供する恒温流体槽及び該恒温流体槽内の流体の温度を測定するための少なくとも１つの温度測定器により構成される。このようにして、本発明は、上記包装半導体素子における熱経路における測定を可能とするものである。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、半導体チップ及びパッケージを電力サイクルに付した状態で欠陥の発現及びその成長をその場で監視する方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
特に、本発明は半導体チップの定常状態及び過渡熱性能を測定するための上述した標準検査方法に関する種々の問題点を解決しようとするものである。そのため、本発明の装置は温度感応電気的パラメータの較正時及び実熱応答測定時に上記包装半導体チップに対し均質で再現性があり、安定した精確な境界条件を提供する恒温流体槽を具備する。また、適当なサブマージド液体ジェットインピンジング冷却機構（液中ジェット衝撃冷却機構ともいう）が設けられる。所要の流体出口速度を設定しかつ１つ又は複数のパッケージ表面を衝撃する１つ又は複数の液体ジェットを生成するために循環ポンプが設けられる。流体とパッケージ間の対流熱輸送において、パッケージ表面が準等温状態とされかつ該パッケージ温度が常時上記流体温度に近似するように熱伝達係数が高いことに特徴がある。流体温度の測定は、パッケージと流体間の熱輸送を擾乱することなく、精密な白金抵抗温度計を用いて行われる。
【００１０】
本発明においては、熱性能は２つの重要な特性、即ち、接合部と準等温ケース間の定常状態熱抵抗と、半導体チップの接合領域に加熱パルスを印加した際の熱インピーダンスとにより判定される。本発明の方法においては、接合部とケース間の定常状態熱抵抗は加熱パルス時間幅を、該接合部の温度が熱平衡状態に到達するまでの大きさに設定して測定される。
【００１１】
過渡熱インピーダンスは半導体チップの極めて重要な特性である。半導体チップとチップとの接触領域の熱特性に関する多くの情報を含んでいる。半導体チップとパッケージの熱時定数は相異するため、熱インピーダンスは、定常状態熱抵抗よりもボイドとかひび割れに対しより感応する。一般に、チップの熱時定数はパッケージの熱時定数よりも数桁小さい。熱エネルギーがチップを貫流して該チップの接触領域内に流入するのに必要な十分に短時間の電力パルスにより当該包装半導体素子を加熱することにより、チップとチップとの接触領域の温度のみが上昇するようにされる。更に、間歇給電作動条件下で作用する半導体素子の安全許容直流給電量及び給電期間を決定するものが過渡熱インピーダンスである。
前述した標準検査規定に記述される伝統的な検査方法のもう１つの不具合点は、熱抵抗の瞬時評価が制限される、即ち、同一の測定装置を用いて電力又は温度サイクルによる経時変化の瞬時評価を監視できないことである。上記伝統的な方法では、検査チップを温度サイクルに付すには該チップを別の装置に移送することが要求される。
【００１２】
本発明によれば、同じ装置を用いて電力サイクル及び熱インピーダンス評価を実施することができる。長期の熱負荷期間にわたって、その場で熱インピーダンスの変化を監視することができる。温度サイクルは、短期間、半導体接合領域を加熱して上記液体の温度にて熱平衡状態となるように行われる。そのような温度サイクルを幾つか実行してから、熱インピーダンス測定が行われる。このようにして、本発明は半導体チップの熱劣化の監視に使用することができる。
【００１３】
本発明の熱インピーダンスの測定方法は、循環ポンプを具備するとともに誘電体液を充填してより安定した均質かつ精確な温度チャンバを形成した恒温浴槽に包装半導体チップを浸漬することにより実施され、該チップでの温度感応電気的パラメータと温度との関係を導出する較正ステップを含む。さらに、本発明の熱インピーダンスの測定方法は、上記恒温浴槽に包装半導体チップを浸漬するとともに１つ又は複数の衝撃液体ジェットにより冷却しながら行われるものであり、電力パルスを印加し及び該電力パルスの印加を遮断し、加熱及び／又は冷却時の温度感応電気的パラメータを読み取り及びそれを蓄積し、以前に得られた較正関係を用いて上記パラメータの応答を温度に変換し、上記接合部の熱応答、測定液体温度及び測定加熱電力から熱インピーダンスを計算する、熱応答測定ステップにより特徴付けられる。
【００１４】
更に、本発明の装置によれば、別の補助装置を要することなく、半導体チップにおける幾つかの電力サイクルを熱インピーダンス測定と交番させて行うことにより、熱劣化に基づく熱インピーダンスの変化をその場で監視するのに使用することができる。
【００１５】
本発明の評価方法を実施する装置は、循環ポンプ及び液体ジェット衝撃冷却機構を具備するとともに誘電体液で充填され、該誘電体液の温度を温度センサにより測定するようにした、恒温流体槽、較正及び熱応答測定時に小さい較正電流を供給する電流源、熱応答測定時に消費電力を供給する電源、温度感応電気的パラメータの応答を読み取りかつ蓄積する、ディジタル蓄積オシロスコープ又はマルチメータ、及び検査しようとするチップへの電力パルスの印加及びその停止を迅速に切り換える、波形発生器又はＩ／Ｏインターフェースにより構成したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図示例と共に説明する。
【００１７】
図１に概略的に示すように組み立てられた測定装置は、計器制御ソフトウエアを備えるとともにＧＰＩＢインターフェース（一般目的インターフェイスバス）１１を介して測定及び制御計器と接続されるようにした、例えば、コンピュータ１０を用いた処理装置により構成される。この装置に恒温流体槽１２が含まれる。この恒温槽は、シリコン油とかフッ素化液等の誘電体液１３で充填される。好ましくは、沸点が１００℃以上、流動点が−２５℃以下とする流体が選択される。上記恒温槽の設定温度の制御用にＩ／Ｏインターフェース１８が用いられる。上記恒温槽１２は、温度感応電気的パラメータの較正ステップ時、半導体チップ及びパッケージ１４の全体を液体温度±０．１℃の範囲内に保持可能とする制御温度環境として機能する。半導体チップ１４が上記恒温槽液１３中に浸漬され、液体ジェット衝撃機構１５により包囲される。この液体ジェット衝撃機構１５は配管系及び１つ又は複数のパッケージ表面に向けられた１つ又は複数のノズルにより構成される。循環ポンプ１６は半導体チップのパッケージ表面に１つ又は複数の高速衝撃液ジェットが得られるように所望の流速を提供する。液体温度は、例えば白金温度計等を用いた、温度センサ１７を用いて測定される。
【００１８】
マルチメータ２２は較正ステップ時に温度感応電気的パラメータ値を、熱応答測定ステップの電力パルス印加時に加熱電圧値及び加熱電流値を読み取る。もう１つのマルチメータ２１は較正及び熱応答ステップ時に上記温度センサの出力を読み取る。
【００１９】
上記装置に定電流源２３が含まれる。この定電流源２３は図２及び図３に示すように、較正及び熱応答測定時に所定の小電流を供給する。この電流は１００μＡ〜１００ｍＡの範囲内のものに設定される。
【００２０】
電源２４は熱応答測定ステップ時に試験中の半導体チップに加熱電力を供給する。
【００２１】
図３に示すように、電子スイッチ５が熱応答測定ステップ時又はエージング試験時に加熱電力の供給及び遮断に使用される。この電子スイッチ５は波形発生器２６又はＩ／Ｏインターフェース１８により制御される。
【００２２】
上記装置に、半導体チップの加熱及び／又は冷却時、時間の関数として温度感応電気的パラメータを読み取るために、ディジタル蓄積オシロスコープ又はディジタル蓄積マルチメータ２５が含まれる。
【００２３】
上述した各計器２１、・・・、２６はＧＰＩＢインターフェース１１を介してコンピュータにより制御される。測定データは次ぎの処理目的のために読み取られかつ蓄積される。
【００２４】
本発明の熱インピーダンス測定方法は２つの主ステップ、すなわち、較正ステップと熱応答測定ステップとから構成される。
【００２５】
較正ステップは温度制御環境として作用する恒温槽１２に試験中包装半導体チップを浸漬することにより実行される。この較正ステップ時、半導体チップの温度は外部から液体により制御され、温度感応電気的パラメータ値が種々のプリセット温度設定点で測定されかつ記録される。順方向極性ダイオードの電圧降下の較正を所望に行う装置が図２に示される。
【００２６】
熱応答測定ステップ時、上記半導体素子の半導体チップの接合部に電力パルスを印加することにより所定時間加熱される。温度感応電気的パラメータの技術に応じて、その加熱及び／又は冷却応答がディジタル蓄積オシロスコープ２５又はマルチメータに時間の関数として監視される。次いで、蓄積された温度感応電気的パラメータの応答は較正ステップ時に導出された関係に応じて温度応答に変換される。
【００２７】
較正は、誘電体液を充填した恒温槽内に半導体チップを浸漬することにより行われる。間接的方法で半導体チップの過渡的熱動作を特徴付けるために、該チップの内側で適当な温度感応電気的パラメータを温度に対し較正する必要がある。温度感応電気的パラメータ及び較正電流の大きさは選定して該パラメータの値が半導体チップの正常動作温度範囲にわたって直線関数となるようにされる。更に、温度感応電気的パラメータは半導体チップの内側で最高温度を生じる。有用な温度感応電気的パラメータは電力ダイオードに対し順方向ダイオード電圧、バイポーラトランジスタに対しベース−エミッタ電圧、ＭＯＳＦＥＴに対しソース−ドレーンダイオード電圧又はゲート−ソース閾電圧である。
【００２８】
恒温槽の温度は、所定範囲、例えば、１０〜１００℃内で変えられる。恒温槽は温度環境を最も精密に制御可能とする形式のものである。一旦、温度感応電気的パラメータ値が確立すると、誘電体液の温度が白金抵抗温度計によって測定され、該温度感応電気的パラメータ値が記録される。このデータは自動的に回帰推定されるとともに係数関係が後続の応答測定時に制御ソフトウエアに直接アクセス可能なファイルに蓄積される。較正ステップ時、上記半導体チップにおける熱放散を最小限のものとしてその内部温度を液体温度と確実に等しくする。これは、測定電流が小形素子に対しては１００μＡに近い範囲、大形素子に対しては１００ｍＡに近い範囲の大きさに選定することにより達成される。
【００２９】
図５は、温度の関数とする、ｎｐｎバイポーラトランジスタの順方向極性のベース−エミッタ電圧に対する較正曲線を示す。この較正曲線は較正電流を１００μＡと等しくして確定されたものであり、温度感応電気的パラメータと温度とが直線関係にあることを表している。図８はｎチャンネルＴＭＯＳ電力ＦＥＴトランジスタについてのゲートソース電圧−温度の較正曲線を示す。この較正ドレーン−ソース電流は１００μＡである。ドレーン−ゲート電圧は１５Ｖに設定された。
【００３０】
図３は、熱応答測定ステップ用の測定装置を示す。試験時、恒温流体槽１２内に浸漬される一方、該恒温槽の液体温度は予め定められた温度に保持される。この液体は該恒温槽内でポンプを介して再循環させられる。
【００３１】
包装半導体チップは、図４に示す機構を用いて、１つ又は複数の液中の衝撃液体ジェットにより冷却される。１つ又は複数の衝撃液体ジェットは試験下の包装半導体チップの表面に垂直に向けられる。出口平面における１つ又は複数のノズルは出口速度を増大させて上記液体ジェットを得るようになっている。上記液体とパッケージ間の対流熱伝達は高熱伝達係数をもって特徴付けられ、該パッケージ表面は準等温状態とされるとともにその温度は概略液体温度とされる。上記ノズルの数及び口径、上記ポンプの容量は選定して該パッケージと液体間の外部温度降下が確実に予め定められた値を超えないようにされる。次いで、基準パッケージ温度は制御液体温度を測定することにより得られる。液体温度の測定は、パッケージと液体間の熱伝達を擾乱することなく、精密な白金抵抗温度計により行われる。
【００３２】
表面における大きな熱伝達係数を得るために、１つ又は複数の衝撃ジェットを使用して行われる。
【００３３】
１０．０００Ｗ／ｍ2のオーダーの対流熱輸送係数が液体衝撃ジェットを用いて達成される。これらの高対流熱輸送係数は流体浴槽環境における電子パッケージの熱特性を改良するのに好都合なものである。インピンジメント（衝撃）冷却法の大きな利点はケースと流体間の外部温度差が小さいことであり、熱伝達係数を４０，０００Ｗ／ｍ2と見積もって単純に計算すると、２ｃｍ×２ｃｍの表面領域に対する外部対流熱抵抗が０．０６２５Ｋ／Ｗ以下となり、該外部対流熱抵抗は実Ｒjc標準方法によって得られた実験測定精度よりも可成り小さいことがわかる。理想的なノズル出口の外形、即ち、平行ノズルの数、ノズル口径、及びノズル−パッケージ間距離を見定めるには、衝撃ジェット流の水力学的及び熱的条件の基本的理解が要求される。
【００３４】
液体ジェット衝撃冷却法の理論体系は２つの範疇、即ち、自由表面ジェットインピンジメントと液中ジェットインピンジメントとに大別することができる。自由表面ジェットインピンジメントは周囲ガス中に放出されるものであり、液中ジェットインピンジメントは上記周囲ガスと同じ種類で沈滞したガス中に放出されるものである。これら２種類の衝撃ジェットは水力学的及び熱的性能において顕著に相異する。自由表面ジェット流は液体／ガス境界部における非常に小さな剪断応力により特徴付けられる。重力加速度が存在しないと、ジェットの外径及びノズルの実速度はターゲット表面を衝撃するまで保存される。この水力学的ふるまいにより当該流体と表面間にノズル−表面間距離とは関係なく対流熱輸送を生じさせる。液中衝撃ジェットは当該ジェットと包囲流体間の剪断層をもって特徴付けられる。流体として水とＦＣ−７７とを用いた実験によると、Ｓ／ｄ＝３とする液中ジェットに対する対流熱輸送係数は自由表面ジェットに対するよりも大きく、Ｒｅd＞４０００とされる。より高いヌッセルト数が液中ジェットにより得られ、該ジェットの自由剪断層に発生された乱流により熱輸送を促進することができる。液中ジェットに関し、１＜Ｓ／ｄ＜４とすると、ヌッセルト数（及び熱輸送係数）はＳ／ｄと略無関係とすることができる。これは、１＜Ｓ／ｄ＜４とすると、熱源が依然当該ジェットのポテンシャル核内に配置されることにより説明し得る。離間距離が大きなものに対し、Ｓ／ｄ比を増大するにつれてヌッセルト数は減少する。このように、Ｓ／ｄ値が小さい、例えば、Ｓ／ｄ≦４とする液中ジェットにより最大の熱輸送係数を得ることができる。
【００３５】
束縛されない液中円形ジェットに関し、局部的かつ平均対流熱輸送係数は、ノズルの実速度プロフィール、ジェット乱流、ジェットレイノルズ数、ノズル−表面間距離、及びターゲット表面のサイズに影響される。この点から、Ｓ／ｄ比は固定値Ｓ／ｄ＝４、・・・５に設定される。ターゲット表面のサイズはチップ及びパッケージのサイズに応じて定められる。大方のパッケージタイプのものに有用なものとするには、ヒーターの長さＬは２５ｍｍと見積もられる。平均ヌッセルト数に関するいくつかの関係式は文献に記載のものが利用される。Ｗｏｍａｃ氏等は、２つの表面領域に関して領域−重量の組み合わせ関係を提案している；衝撃領域は半径１．９にわたって延びるとともに該衝撃領域に乱流壁ジェット領域が連接される。
【００３６】
【数１】
0003872120.tif 000002
ここで、Ａr＝π（Ｌ．９ｄ）2／Ｌ2                            （５）
ｍ  ＝０．５
ｎ  ＝０．８
Ｃ1＝０．７５８
Ｃ2＝０．０２５７
であり、Ｌ＊は壁領域の平均長さを示す。
【数２】
0003872120.tif 000003
【００３７】
多重、非拘束型液中ジェットの形態に関し、上記関係式を用いて平均対流熱輸送係数を計算することができる。この場合、式（４）、（５）及び（６）におけるＬは各ノズル間のピッチＰで置換しなければならない。多重ジェットを用いることにより、上記表面全体にわたりより高温のポテンシャルを均一に保持させることができる。しかしながら、ジェットの内部作用により局部熱輸送条件が影響され得る。
【００３８】
次いで、理想的な平行ジェット数及びノズル口径を算定するにあたり、単一又は多重の非拘束型液中ジェットに対するＷｏｍａｃの関係式（４）が用いられた。循環ポンプ（恒温浴槽）の特性断面並びに管及びノズルの負荷曲線の省略算により実流量が算定された。循環ポンプの出口流量が当該パッケージの頂部及び底部表面を垂直に衝撃する２つの平行流れに分離された。装着された機構の実施例の概略を図４に示す。水及びＦＣ−７０の両者に対する理想的なノズル径はそれぞれ図６及び図７のグラフから得られる。
【００３９】
水はフッ素化液よりも良好な熱的特性を有するようである。冷却流体として水を用いた場合、直径０．５ｍｍの５×５本のノズルアレイに対し、４０，０００Ｗ／ｍ2Ｋオーダーの熱輸送係数が得られた。また、フッ素化液のＦＣ−７０を用いた場合、多重小型ノズルアレイにより非常に高い熱輸送係数が得られた。理想的なノズル出口口径φは水に対するよりも幾分大きくされた。このときの平均熱輸送係数は水に対するよりも約１０倍程度小さかった。初期値が約１００〜２００Ｗ／ｍ2Ｋであるのに対し、熱輸送係数は大幅に増大し、更に重要なことは、流れ領域が十分に確定され、Ｒja値を再現性よく略Ｒjcに近似させることができる。このグラフから最大流量１５ｌ／分の循環ポンプに対し４８０ｍバール以下の最大圧力降下が算定された。
【００４０】
熱応答測定ステップが加熱電流ＩＨ及び較正電流と同等の大きさとしなければならない測定電流ＩＭを調整して開始される。加熱電流ＩＨ値は一般に較正電流ＩＭよりも少なくとも２桁大きなものとされる。
【００４１】
電子スイッチ５は、常時検査チップに小さな測定電流ＩＨを流通させながら該検査チップへの加熱電流の供給及び遮断を迅速に切り換えるものである。この電子スイッチ５は開位置ＡＡと閉位置ＢＢの２つの位置を採る。この電子スイッチ５の位置は波形発生器２６又はＩ／Ｏインターフェースにより制御される。電子スイッチ５が開位置ＡＡにあると、この装置の初期温度を定める温度感応電気パラメータ値が測定される。次いで、スイッチＳを閉位置ＢＢに切り換えてこの装置が短時間加熱される。このときの消費電力が加熱電流ＩＨと該加熱電流供給時の加熱電圧ＶＨとの積算値をもって算定される。電力パルス期間を調整した後、上記電子スイッチは再び開位置ＡＡに移動して温度感応電気パラメータの加熱及び／又は冷却応答がディジタル蓄積オシロスコープ２５又はマルチメータのメモリに蓄積される。次いで、温度感応電気パラメータの応答が較正曲線を用いて温度応答に変換される。
【００４２】
【発明の効果】
このように、本発明は電子チップの定常及び過渡熱性能を評価する、非破壊の再現性のある検査方法を提供する。本発明の測定手順によれば熱特性に基づく半導体チップとチップ間の接触を機械的に無欠で品質評価することができる。
【００４３】
更に、上記装置は電力及び温度サイクルによる電子チップのエージング特性を追跡することができる。周期的な熱サイクルは、恒温流体槽に半導体チップを浸漬する一方、該半導体チップに電力パルスを印加して行われる。電力放散時、パッケージ表面と半導体接合部間に大きな温度差を生じさせるために、サブマージドインピンジング機構（液中衝撃機構）を用いて上記恒温流体槽の温度が非常に低温、例えば、−２５℃に保持される。この電力放散は接合部の温度がその最大定格動作温度と同等となるように調整しなければならない。このようにして、包装半導体チップの異層間に大きな温度差を生じさせる、熱負荷サイクルが実行される。この電力パルスを印加する毎に、当該チップの接合部は上記流体を介して熱平衡状態に到達させられる。このようにして電力温度サイクルが繰り返し行われる。この電力サイクルは前述したような較正ステップと熱応答測定ステップとから成る熱インピーダンス測定と交番して行われる。
【００４４】
上記電力サイクルを規則的な時間間隔をもって熱インピーダンス測定と交番させることによりその場で熱インピーダンスを変化させて熱負荷条件下でのエージング運動理論を観察することができる。
【００４５】
本発明の顕著な利点は、全ての測定が操作ソフトウエアにより完全に制御されるために測定装置に関して最小限の知識及び経験が要求されるに過ぎない。計装系の初期化及び形成は自動的に行われる。
【００４６】
更に、サブマージド液体ジェットインピンジング機構を具備した恒温流体槽は非常に安定した、均質で再現性のある精確な温度室を形成する。これにより、温度感応電気パラメータを極めて正確に較正することができ、熱応答測定時にパッケージの基準温度を正確に知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の測定装置のブロック図を示す。
【図２】  本発明の温度感応電気パラメータの較正ステップ用装置の図１と同様のブロック図を示す。
【図３】  熱応答測定ステップ用の測定装置のブロック図を示す。
【図４】  包装半導体チップの主表面部に１つ又は複数の平行インピンジング液体ジェットを生成するために使用できる、液体ジェットインピンジング機構の概念図を示す。
【図５】  本発明の測定装置を用いて得られた較正曲線の一例を示すグラフである。
【図６】  流体として水を用いて種々のノズル口径を有する出口ノズル数−平均熱伝達係数の関係を示すグラフである。
【図７】  図６と同様のグラフであって、流体としてＦＣ−７０を用いて種々のノズル口径を有する出口ノズル数−平均熱伝達係数の関係を示すグラフである。
【図８】  本発明の測定装置を用いて得られたもう１つの較正曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
５    電子スイッチ
１０  コンピュータ
１１  ＧＰＩＢインターフェース
１２  恒温流体槽
１３  流体
１４  半導体チップ
１５  液体ジェットインピンジング機構（液体ジェット衝撃機構）
１６  循環ポンプ
１７  温度センサ
１８  Ｉ／Ｏインターフェース
２１  マルチメータ
２２  マルチメータ
２３  定電流源
２４  電源
２５  オシロスコープ
２６  波形発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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