(57)【要約】【課題】パルス通電など試験サンプルの自己発熱量が小さい場合でも、外部環境の温度を上げ過ぎることなく半導体チップ表面を所望の温度にできる通電試験方法を提供することである。【解決手段】実施形態の通電試験方法は、パッケージに半導体チップが搭載された試験サンプルと、ヒータとを準備する。前記ヒータには、前記試験サンプルが戴置される。前記試験サンプルにおける前記半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗を、製品形態における半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗よりも高くして、前記半導体チップが通電される。【選択図】図２
2016166807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージに半導体チップが搭載された試験サンプルと、前記試験サンプルが戴置されるヒータとを準備し、
前記試験サンプルにおける前記半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗を、製品形態における半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗よりも高くして、前記半導体チップに通電する通電試験方法。
【請求項２】
前記試験サンプルは、
前記半導体チップが戴置される部品載置部と、
前記部品載置部と前記半導体チップの間に設けられる断熱部材と、
をさらに有し、
前記部品載置部の第一面側に前記半導体チップが配置され、前記部品載置部の第二面側に前記ヒータが配置される請求項１に記載の通電試験方法。
【請求項３】
前記断熱部材の厚みを調整することで、前記半導体チップの通電試験時の温度を制御する請求項２に記載の通電試験方法。
【請求項４】
前記断熱部材の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以下である請求項２又は３に記載の通電試験方法。
【請求項５】
前記断熱部材が金属である請求項２〜４のいずれか１項に記載の通電試験方法。
【請求項６】
前記断熱部材の材料がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金である請求項２〜５のいずれか１項に記載の通電試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、通電試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波半導体などの製品寿命の推定は、パッケージに高周波半導体などを搭載した試験サンプルの通電試験により行われる。この場合、試験を促進するために製品の使用時の動作温度よりも高い温度環境下で試験サンプルの通電試験を行うことがある。
【０００３】
パルス通電のように通電試験時の試験サンプルの自己発熱量が小さい場合、試験サンプルを所望の動作温度まで上げることが困難である。この場合には、ヒータなどを用いて試験サンプルの外部環境の温度を高くする必要がある。しかしながら、バイアス回路などの通電試験装置の耐久温度には上限がある。従って、試験サンプルの外部環境の温度を上げ過ぎると通電試験装置自体を破損させてしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２５８４９１号公報
【特許文献２】特開平９−１５２３８号公報
【特許文献３】特開２００９−２５０８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、通電試験時の試験サンプルの自己発熱量が小さい場合でも、外部環境の温度を上げ過ぎることなく試験サンプルを所望の温度にして通電試験できる通電試験方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の通電試験方法は、パッケージに半導体チップが搭載された試験サンプルと、ヒータとを準備する。前記ヒータには、前記試験サンプルが戴置される。前記試験サンプルにおける前記半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗を、前記半導体チップの製品形態における前記半導体チップと前記ヒータとの間の熱抵抗よりも高くして、前記半導体チップが通電される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の高周波半導体の製品形態の説明図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】実施形態の高周波半導体の試験サンプルを用いた通電試験方法の説明図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ線に相当する部分における断面図である。
【図３】半導体チップ２付近の拡大図を示しており、図３（ａ）は図１（ｂ）の半導体チップ２付近の拡大図であり、図３（ｂ）は図２の半導体チップ２付近の拡大図である。
【図４】ヒータ温度と半導体チップの表面温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の通電試験方法を、図面を参照して説明する。
【０００９】
以下ではまず、本実施形態の通電試験方法の対象となるパッケージ１０に半導体チップ２が搭載された製品形態１について説明する。
図１は実施形態の製品形態１の説明図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。なお、図１（ａ）では蓋９（図１（ｂ）参照）は省略されている。
図１に示す製品形態１は、半導体チップ（電子部品）２と、回路基板３と、基板４と、枠体５と、２つのフィードスルー端子６と、を備える。ここで、製品形態とは、製造工場から出荷され、ユーザーに提供され、通常用途に使用される形態をいう。
基板４は、半導体チップ２および回路基板３が戴置、固定される部品載置部１１と、不図示の実装基板にネジ固定するためのフランジ部１２と、を有する。基板４には、通常動作時の放熱性を確保するため、熱伝導率の高い材料が用いられる。また、基板４を接地させる場合には、基板４が導電材料で形成される。基板４の材料としては、銅（Ｃｕ）や銅とモリブデン（Ｍｏ）との合金などが挙げられる。
【００１０】
半導体チップ２と２つの回路基板３とは、基板４の部品載置部１１上に固定される。
半導体チップ２としては、例えば、ＧａＮまたはＳｉＣなどを材料とするＨＦＥＴ（Hetero Junction Field Effect Transistor）、シリコンを材料とするＬＤＭＯＳ（Lateral Double Diffuse MOS Transistor）などがある。これらの半導体チップは高周波信号を増幅する素子であり、大量の発熱を伴って動作する。従って、これらが載置される基板４には、特に放熱性の良い銅又は銅合金が用いられる。
また、その他の半導体チップ２の例として、光半導体素子、圧電素子などが挙げられる。
【００１１】
回路基板３の材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。
回路基板３の表面には導電パターン３ａが形成される。導電パターン３ａの内側端部は、半導体チップ２に設けられる不図示の複数のゲート電極及び複数のドレイン電極（又はソース電極）に対して、ボンディングワイヤ等の通電端子１３ａを介して電気的に接続される。導電パターン３ａの外側端部は、後述するストリップライン６ｂに対して、ボンディングワイヤ等の通電端子１３ｂを介して電気的に接続される。
【００１２】
枠体５は、部品載置部１１上の半導体チップ２と回路基板３とを囲むように形成される。枠体５には剛性が求められ、その材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）およびコバルト（Ｃｏ）を配合したＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であるコバール（登録商標）材が用いられる。なお、図示しないが枠体５には、後述のフィードスルー端子６の外形に対応する形状の貫通部が２つ形成されている。基板４と枠体５との間は銀ロウ（ＡｇＣｕ）やＡｕＳｎ半田等により接合されている。
【００１３】
フィードスルー端子６は、基板４と枠体５との間に設けられ、パッケージ内部に気密封止された半導体チップ２と外部回路とを電気的に接続する。図１（ｂ）に示すように、フィードスルー端子６は、第１の絶縁材６ａと、第２の絶縁材６ｃと、第１の絶縁材６ａと第２の絶縁材６ｃとの間に挟まれるストリップライン６ｂとで構成される。第１の絶縁材６ａは、基板４とストリップライン６ｂとの間を電気的に絶縁する。第２の絶縁材６ｃは、ストリップライン６ｂと枠体５との間を電気的に絶縁する。ストリップライン６ｂの内側端部には前述した通電端子１３ｂが接続され、ストリップライン６ｂの外側端部にはリード７が接続される。リード７は、不図示の外部回路に接続される。フィードスルー端子６と基板４との間、及びフィードスルー端子６と枠体５との間はそれぞれ銀ロウ等により接合されている。
第１の絶縁材６ａ及び第２の絶縁材６ｃの材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などを用いることができる。
【００１４】
また、図１（ｂ）に示すように、半導体チップ２及び回路基板３は、基板４の部品載置部１１にＡｕＳｎ半田等で固定される。これにより、半導体チップ２の放熱性を向上させるとともに、半導体チップ２と基板４との間を電気的に接続する。これにより、基板４を介して半導体チップ２を接地させることができる。
【００１５】
さらに、枠体５の上には蓋９が固定され、半導体チップ２と回路基板３とを気密封止する。蓋９は、例えば、ＡｕＳｎを用いて枠体５に半田付けされる。蓋９によって気密封止された空間には例えば窒素ガスが封入される。これにより、半導体チップ２の動作を安定させ、信頼性を向上させる。
【００１６】
次に、本実施形態の通電試験方法について説明する。
【００１７】
上述の構成を有する製品形態１を動作させると、半導体チップ２が自己発熱する。そのため、製品形態１は、この自己発熱により上昇した温度環境下で動作する。通常、ＧａＡｓで構成される半導体チップであればその表面温度は１３０℃程度まで上昇する。さらに、ＧａＮで構成される半導体チップであればその表面温度は２００℃程度まで上昇する。
【００１８】
このような温度域で長期間正常に動作することを保証するため、試験サンプルの通電試験が実施される。特に試験時間を短縮する観点から、動作温度よりも高い温度環境下で通電試験を行うことが望まれている。例えば半導体チップがＧａＡｓで構成される場合は２５０〜３００℃程度、半導体チップがＧａＮで構成される場合は４００℃程度の環境下で通電試験を行うことが望ましい。
【００１９】
図２は本実施形態の高周波半導体の試験サンプル１Ａを用いた通電試験方法の説明図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ線に相当する部分、およびヒータ３２、バイアス回路３１の断面図である。図３（ａ）は、図１（ｂ）に記載された製品形態１における半導体チップ２付近の拡大図であり、図３（ｂ）は、図２に記載された試験サンプル１Ａにおける半導体チップ２付近の拡大図である。
【００２０】
本実施形態の通電試験方法では、図２に示すように、試験サンプル１Ａのリード７とバイアス回路３１とを電気的に接続する。そして、バイアス回路３１から半導体チップ２にパルス通電などの通電を行う。また、試験サンプル１Ａをバイアス回路３１とともにヒータ３２の上に戴置する。そして、ヒータ３２により半導体チップ２の外部環境温度を上昇させる。
【００２１】
本実施形態では、製品形態１とは異なる試験サンプル１Ａを用いて通電試験を行う。本実施形態の試験サンプル１Ａでは、図３（ｂ）に示すように半導体チップ２と基板４との間に断熱部材２１が設けられている。つまり、基板４の部品載置部１１の第一面側に断熱部材２１を介して半導体チップ２が戴置され、基板４の部品載置部１１の第二面側にヒータ３２が配置される。なお、半導体チップ２と断熱部材２１、及び断熱部材２１と基板４とはそれぞれＡｕＳｎ半田等の接合剤２３によって固定されている。
本実施形態では断熱部材２１を設けることで、試験サンプル１Ａにおける半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗が、製品形態１における半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗よりも高くなる。また、断熱部材２１の厚さを厚くすることで半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗をより高くすることができる。
【００２２】
断熱部材２１の材料としては、試験サンプル１Ａにおける半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗が、製品形態１における半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗よりも高くなるような、熱伝導率が低い材料であれば限定されない。例えば、断熱部材２１は、基板４や接合剤２２よりも熱伝導率の低い材料で形成することが望ましい。断熱部材２１の材料としては、断熱部材２１を薄くできる観点から、熱伝導率が１５０Ｗ/（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、５０Ｗ/（ｍ・Ｋ）以下であればより好ましく、３０Ｗ/（ｍ・Ｋ）以下であればさらに好ましい。また半導体チップ２を接地させる必要がある場合は金属などの導電材料を用いる。
断熱部材２１の具体的な材料の例としては、例えば、コバール材や、ステンレス材、真鍮などの金属材料、またはアルミナなどのセラミックス材料が挙げられる。また、断熱部材２１には導電性が求められるので、アルミナ表面をメタライズする。これらのうち、コバール材は熱伝導率が非常に低くかつ安価であるため特に好ましい。
【００２３】
図３（ａ）に示す製品形態１では、自己発熱によって半導体チップ２の温度が過剰に高くなることを防ぐ必要があるため、上述のように基板４には銅などの熱伝導率の高い材料が用いられる。また、基板４と半導体チップ２とを接着する接合剤２２の材料にも、熱伝導率の高いＡｕＳｎ半田などが用いられる。
そのため、製品形態１をそのまま試験サンプルとして用いた場合、自己発熱により半導体チップ２とヒータ３２間の温度差を大きくすることができない。従って、半導体チップ２を高温にするためにはヒータ３２を用いて外部環境温度を高くする必要がある。
【００２４】
しかしながら、バイアス回路等の試験装置の耐久温度は２００℃程度である。それを考慮すると、特に自己発熱量の小さいパルス通電を用いる場合、外部環境温度を２００℃まで上げても自己発熱だけで半導体チップ２を例えば３００℃以上の高温まで昇温することは困難である。
【００２５】
一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の試験サンプル１Ａは、製品形態１には含まれない断熱部材２１を半導体チップ２と基板４との間に有している。これにより、半導体チップ２の自己発熱により半導体チップ２とヒータ３２間の温度差を大きくすることができる。つまり、自己発熱をより効率的に半導体チップ２の昇温に利用できる。
【００２６】
従って、断熱部材２１を設けることで、自己発熱量が小さいパルス通電を用いる場合であっても、ヒータ温度を上げ過ぎずに半導体チップ２の温度を所望の温度まで上げることができる。
【００２７】
次に、実施例を用いて、本実施形態をより詳細に説明する。
【００２８】
断熱部材の効果を調査するため、図２及び図３（ｂ）に示す構成の試験サンプルにおけるヒータ温度に対する半導体チップの方面温度をシミュレーションした。断熱部材の材料にはコバール材（熱伝導率１５Ｗ/（ｍ・Ｋ））を採用した。断熱部材の厚さを０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの３種類に設定し、実施例１〜３とした。断熱部材の接合剤としては、ＡｕＳｎを用いた。そして、半導体チップの表面温度を３００℃にするためのヒータ温度をシミュレーションし求めた。
比較例として、断熱部材を設けない場合（製品形態１と同じ構成）につき、ヒータ温度に対する半導体チップの方面温度をシミュレーションし、半導体チップの表面温度を３００℃にするためのヒータ温度を求めた。
図４及び表１にそのシミュレーション結果を示す。
図４はヒータ温度と半導体チップの表面温度との関係を示した図である。表１は、実施例および比較例について半導体チップの表面温度を３００℃にするためのヒータ温度である。
【００２９】
【表１】
2016166807.tif 000003
【００３０】
図４及び表１から、断熱部材（コバール材）を設けない比較例の場合、半導体チップの表面温度を３００℃まで上げようとするとヒータ温度を２６４℃に設定する必要があることがわかった。この場合、耐久温度が２００℃程度であるバイアス回路は通電試験中に壊れてしまうおそれがある。
【００３１】
一方、図４及び表１から、半導体チップとヒータ（基板）との間に断熱部材を設けた実施例１〜３では、比較例よりも低いヒータ温度で半導体チップを昇温できた。さらに断熱部材の厚さを厚くする（熱抵抗を高くする）ほど低いヒータ温度で半導体チップを昇温できた。特に、断熱部材の厚さが１．０ｍｍであれば、ヒータ温度が１８６℃で半導体チップの表面温度を３００℃にできることがわかった。この場合、耐久温度が２００℃程度であるバイアス回路が通電試験中に壊れてしまうおそれがない。
【００３２】
以上のシミュレーション結果から、断熱部材により半導体チップとヒータとの間の熱抵抗を高くすることで、半導体チップの自己発熱量が小さい通電試験でも、ヒータ温度を上げ過ぎずに半導体チップを所望の温度まで上げることができることが確認された。
【００３３】
本実施形態では、パッケージ１０に半導体チップ２が搭載された試験サンプル１Ａと、前記試験サンプル１Ａが戴置されるヒータ３２とを準備し、前記試験サンプル１Ａにおける前記半導体チップ２と前記ヒータ３２との間の熱抵抗を、製品形態１における半導体チップと前記ヒータ３２との間の熱抵抗よりも高くして、前記半導体チップが通電される。
本実施形態は上記構成を有することで、半導体チップ２の自己発熱により半導体チップ２とヒータ３２間の温度差を大きくすることができる。これにより、電子部品２の自己発熱量が小さい通電試験でも、ヒータ温度を上げ過ぎずに電子部品２を所望の温度まで上げて通電試験することができる。
【００３４】
また、前記試験サンプル１Ａは、前記半導体チップ２が戴置される部品載置部１１と、前記部品載置部１１と前記半導体チップ２の間に設けられる断熱部材２１と、をさらに有し、前記部品載置部１１の第一面側に前記半導体チップ２が配置され、前記部品載置部１１の第二面側に前記ヒータ３２が配置されることが好ましい。
本実施形態では、上記構成を有することで、試験サンプル１Ａの部品載置部１１と半導体チップ２との間に断熱部材２１を設けるだけで電子部品２とヒータ３２との間の熱抵抗を上げることができる。これにより、簡単な構成で半導体チップ２を所望の温度まで上げて通電試験することができる。
【００３５】
また、前記断熱部材２１の厚みを調整することで、通電時の前記半導体チップ２の温度を変更することが好ましい。
本実施形態では、上記構成を有することで、断熱部材２１の厚さを変えるだけで半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗を変更することができる。これにより、複雑な工程を要さずに通電時の半導体チップ２の温度を制御して試験することができる。
【００３６】
また、前記断熱部材２１の熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。
本実施形態では、上記構成を有することで、断熱部材２１が薄くても高い熱抵抗を実現することができる。これにより、断熱部材２１を設けるスペースが少ない試験サンプル１Ａでも半導体チップ２を所望の温度まで上げて通電試験することができる。
【００３７】
また、前記断熱部材２１が金属であることが好ましい。
本実施形態では、上記構成を有することで、部品載置部１１が接地電極に通じている場合でも、その機能を妨げずに電子部品２とヒータ３２との間の熱抵抗を上げることができる。
【００３８】
また、前記断熱部材２１の材料がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であることが好ましい。
本実施形態では、上記構成を有することで、断熱部材２１が薄くても高い熱抵抗を実現することができる。さらに、部品載置部１１が接地電極に通じている場合でも、その機能を妨げずに半導体チップ２とヒータ３２との間の熱抵抗を上げることができる。さらに、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金は安価であるためコストを抑えることができる。
【００３９】
本実施形態では、半導体チップ２が他の発熱する電子部品であっても、電子部品を所望の温度まで上げて通電試験することができる。
【００４０】
本実施形態では自己発熱量の小さいパルス通電を用いる場合であっても、半導体チップ２を所望の温度まで上げて通電試験することができる。
【００４１】
上述した実施形態では、通電試験方法の対象としてパッケージに半導体チップ搭載した製品の場合のみが示されるが、高温環境下での通電試験を必要とする自己発熱を伴う電子部品を搭載した製品であれば限定されない。
【００４２】
また、上述した実施形態では、試験サンプルにおける半導体チップとヒータとの間の熱抵抗を、製品形態における半導体チップとヒータとの間の熱抵抗よりも高くするために、断熱部材を設けている。しかしながら、半導体チップとヒータとの間の熱抵抗を上げる方法はこの方法に限定されない。例えば、図３（ａ）の接合剤２２を製品形態１で用いられる材料よりも熱伝導率が低い材料、例えば銀ペースト等に置き換えてもよいし、この接合剤２２の厚さを製品形態１よりも厚くすることで熱抵抗を上げてもよい。
また、断熱部材は、基板と半導体チップの間ではなく、基板とヒータとの間に挟んでもよい。
【００４３】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、試験サンプルにおける半導体チップとヒータとの間の熱抵抗を、製品形態における半導体チップとヒータとの間の熱抵抗よりも高くして、前記半導体チップに通電する。これにより、通電試験時の試験サンプルの自己発熱量が小さい場合でも、外部環境の温度を上げ過ぎることなく半導体チップを所望の温度にして通電試験ができる。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…製品形態、１Ａ…試験サンプル、２…半導体チップ（電子部品）、１０…パッケージ、１１…部品載置部、２１…断熱部材、３２…ヒータ
【図１】
2016166807.tif 000004
【図２】
2016166807.tif 000005
【図３】
2016166807.tif 000006
【図４】
2016166807.tif 000007