CN222926988U - 用于高功率芯片后道测试的温控头及其底座 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于高功率芯片后道测试的温控头极其底座，包括：底座主体和导热块；底座主体的上端面和下端面划分为多个相互对应的温控区域，导热块设置在底座主体的下端面，包括多个分别与温控区域对应设置的子导热块，所述子导热块使用低热传导率材料或高热传导率材料制成，或者子导热块与所述底座主体之间设置有低热传导率材料或高热传导率材料。本实用新型的目的在于解决现有的芯片测试中无法应对大尺寸芯片的温度不均匀分布的问题。

Description

用于高功率芯片后道测试的温控头及其底座

技术领域

本实用新型属于半导体测试设备技术领域，尤其涉及用于半导体(比如芯片)后道测试(比如但不限于ATE，SLT，探针台等设备)温度控制的测试设备。

背景技术

在半导体相关行业中，温度控制和散热是经常需要用到的技术。比如在半导体芯片的封装测试中，ATE自动测试设备和SLT系统级测试会用到温控头，里面会要求对温度的一个精准控制，和温度的快速反应能力。在电脑的CPU或者激光机器中，要求需要把设备产生的热量尽快排出去。

在半导体的后道封装测试中，比如ATE自动测试设备，SLT(system level test)系统级测试或者Burn In测试，温控头上的冷板或者热沉板设计是指用于将热量从被测试芯片DUT传输到的散热板或者热交换器的设计。此模块的目的是：用于散热防止过热，或者ATC(Active Thermal Control主动温度控制)用来维持一个稳定的测试温度环境。

目前随着SOC、SIP、Chiplet先进封装等新颖封装技术的使用，芯片尺寸越来越大，功率越来越高，结构和功能越来越复杂。一个芯片上可能集成了多个不同功能、不同性能、不同工艺的小芯片(模块、DIE)。它们的厚度和发热功率都会有差异。这些新颖芯片的出现，对传统的芯片后道测试提出了更高的要求。

传统的温控头如图1-3所示，包含两个基本功能：1.提供均匀的压力作用于待测芯片上，2.通过加热和降温，来调节并且稳定待测芯片的温度。

如图3所示，传统温控头包含盖子。此盖子上一般包含至少一个进水口，和至少一个出水口，用于冷却液的进出。盖子也可能包含一些用于冷却液分流用的分流通道，使冷却液的分布更均匀，液压差更小。

冷却液经过盖子分流后，流经散热器内部的的散热结构，比如但不限于finstructure(鳍状结构薄片)，可以有效的吸收散热器上的热量。

如图3所示的温控头包含内外两个密封圈(内侧密封圈和外侧密封圈)，用于密封盖子和散热器之间的空隙，防止冷却液泄露。此处的密封圈，可以用其他方式代替，比如焊接(摩擦焊，锡焊，银焊)等等方案防止冷却液泄露。

底座是介于温控头和待测芯片DUT之间的一个可更换模块。其尺寸主要取决于待测芯片的大小。

对于不同尺寸不同功能不同结构的待测芯片，为了节约成本，一般情况下，盖子、内外侧的密封圈、散热器是固定不换的。如果待测芯片更换了，芯片尺寸也不一样，那么用户只需要对应设计新的底座并更换就可以。

TIM(thermal interface material)是热界面填充材料，介于散热器和底座中间。因为散热器和底座都是机加工固体材料(常用为金属)，其表面无论如何加工，都会有一定的粗糙度，会大大降低界面热传导性，导致降温性能降低。所以，此界面会应用TIM，其受挤压后会填充于界面的微笑空隙，可以增加此界面的热传导性。底座和待测芯片中间，有时也会安装一层TIM(图3未画出)。

散热器主要用于吸热。如果待测芯片DUT的温度升高，那么散热器就可以吸收多余的热量，使DUT的温度尽快降低到目标温度的一个上下范围(比如+/-1度)。

但是如若DUT的温度过低，那么温控头需要主动释放热量(比如但不限于通过电加热的方法来放热)，使DUT的温度升高到目标温度范围。所以，温控头也可以根据需要自带加热功能。

温控头的加热器，可能安装在散热器或者底座中，或者两者均含有加热器。加热器的常见类型有包含但不限于cartridge heater(筒式加热器)、陶瓷加热器，打印的薄膜加热器等。

还有一种类型的加热/降温零件是TEC(Thermo-Electric Cooler，或者叫做Peltier加热器(珀尔帖热电冷却模块，热电堆加热器)，同时具备加热及吸热功能。其通过更改电流的方向来加热或者降温。

图1～图3所示的传统温控头的结构，主要适用于小尺寸芯片，比如40x40mm尺寸或者更小。因为传统工艺的小芯片，内部主要含有一个主要功能的硅基DIE(晶粒、裸片/裸芯片)，其(在平面结构上)发热均匀，所以，用一个底座就已经足够。

但是对于新颖的先进封装工艺的芯片，比如SOC/SIP或者chiplet，其内部集成了各种不同功能不同结构不同发热功率的小芯片(模块、DIE)。所以，其工作期间，每个单独的小模块(小芯片)的发热功率是不一致的，在时间线上，他们也不是协同发热的，而是随机发热。这导致在整体芯片尺度上，其表面不同位置的发热是不均匀的，发热功率也是不可预测的。所以，传统的单个底座方案，是行不通的。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于解决现有的芯片测试中无法应对大尺寸芯片的温度不均匀分布的问题。

本申请方案提供用于高功率芯片后道测试的温控头底座，包括：

底座主体和导热块；底座主体的上端面和下端面划分为多个相互对应的温控区域，导热块设置在底座主体的下端面，包括多个分别与温控区域对应设置的子导热块，所述子导热块使用低热传导率材料或高热传导率材料制成，或者子导热块与所述底座主体之间设置有低热传导率材料或高热传导率材料。

具体的，所述子导热块的热膨胀系数与所述底座主体相近或相同。

具体的，通过弹性材料连接所述子导热块与所述底座主体。

还提供用于高功率芯片后道测试的温控头，包括上述任一项技术方案所述的温控头底座。

进一步地，还包括一个或多个散热器，多个散热器分别对应设置在所述底座主体上端面上不同的温控区域。

具体的，所述散热器可为TEC或者冷却液散热器，或者相变材料散热器(比如冷媒直冷)，或者以上三者叠加使用。

进一步地，还包括设置在所述散热器和所述底座主体之间的TIM层。

进一步地，还包括一个或多个加热器，多个加热器分别对应设置在所述底座主体上端面上不同的温控区域。

本申请的改进带来如下优点：对底座主体与待测芯片的热控接触面进行分区切割，独立控制。接触面在物理机械层面上被有效分割成多个温控区域，以尽量减少临近区域相互间的传热及干扰。使得每个温控区域都可以设置独立的加热器和温度传感器，每个温控区域有自己独立的PID计算方法：通过自己区域所属的温度传感器来做PID计算，进而控制加热器的发热功率来控制温度。个别情况下，每个区域还有自己独立的降温模块(散热器及降温PID控制模组)。从而实现对芯片各区域温度的精确控制。

附图说明

图1为现有的温控头的立体结构示意图；

图2为现有的温控头的剖面结构示意图；

图3为现有的温控头的爆炸图；

图4为本申请实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的立体结构示意图；

图5为本申请实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的另一立体结构示意图；

图6为本申请实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的爆炸图；

图7为本申请另一实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的爆炸图；

图8为本申请另一实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的爆炸图；

图9为本申请另一实施例用于高功率芯片后道测试的温控头的爆炸图；

其中，1、盖子，2、内侧密封圈，3、外侧密封圈，4、散热器，5、TIM层，6、底座，7、温控头底座，71、底座主体，711、上端面，712、下端面，72、导热块，721、子导热块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

在芯片封装测试环节中，现有的温控头无法应对大尺寸芯片温度分布不均造成的问题。现有的温控头只能监控一个温度测量点，芯片尺寸越大，发热核数越多，越无法精确控制芯片各个部分的温度。为此，本申请提出了以下实施例以解决上述问题。

请参阅图4-9，本申请实施例，用于高功率芯片后道测试的温控头，主要包括温控头底座7和散热器4。温控头底座7包括底座主体71和设置在底座主体71下方的导热块72。

底座主体71大致呈较为扁平的长方体形状或其他形状(比如圆形或者椭圆形，或者四角修成圆角的长方形)，包括相对设置的上端面711和下端面712。其上端面711和下端面712分别划分为多个相互对应的温控区域，这里是指上端面711的温控区域与下端面712的温控区域一一对应、相对设置。例如，如图4-7所示，分别划分为左中右三个温控区域，每个底座主体71下端面712的温控区域对应一个子导热块721。当然，此例子划分成3个温控区域仅用于说明本实施例，实际的划分情况，需要根据DUT待测芯片的小DIE模块分布及其发热功率来严格计算并依此设计。例如可以划分为2、4、5、6……个温控区域。

导热块72整体大致呈长方体形状或其他形状(比如圆形或者椭圆形，或者四角修成圆角的长方形)，包括多个子导热块721。导热块72设置安装在底座主体71的下端面712处，多个子导热块721分别与温控区域一一对应设置。

温控头底座7对应着待测芯片DUT的主发热DIE区域，而待测芯片又包含有多个模块、DIE。每一个模块、DIE的发热一般是相互独立的，可能在某一时刻这一个发热，但是另一个不发热或者发热功率很低。但过一段时间情况发生改变，变成这一个不发热，而另一个发热功率明显提高。本申请通过划分温控区域，使用与温控区域对应的子导热块721分别对应一个主发热模块、DIE进行温度控制，使得每个子导热块721和温控区域可以更有针对性地对对应的主发热模块、DIE进行温度调节(散热或加热)，从而达到更精准地调控芯片各部分的温度的效果。

作为一个实施例，子导热块721使用低热传导率材料或高热传导率材料制成，或者子导热块721与底座主体71之间设置有低热传导率材料或高热传导率材料。

作为一个具体示例，当子导热块721对应的DIE为待测芯片上的低功率模块，比如存储颗粒时，因为功率相对待测芯片上的其他模块要低，所以可以不需要太高的降温功率，可以使用低热传导率的材料制成其对应的子导热块721，或者在子导热块721与底座主体71之间设置低热传导率材料，可以防止此处温控区域的温度过低。

作为一个具体示例，当子导热块721对应的DIE为待测芯片上的高功率模块，比如计算模块DIE时，由于计算模块DIE的发热功率相对较高，因此可以使用高热传导率的材料制成其对应的子导热块721，或者在子导热块721与底座主体71之间设置高热传导率材料，可以防止此处温控区域的温度过高。

作为一种改进，使用与热膨胀系数与底座主体71相近或相同的材料制成子导热块721，可以有效地让温控头底座7在变温时，能更加均匀地对待测芯片施加压力。

作为一种改进，因为采用新颖先进技术封装的待测芯片，内含多个模块，所以在不同的温度，其不同模块的区域厚度可能有差异。所以，通过弹性材料连接子导热块721与底座主体71，以适应待测芯片不同DIE之间的厚度变化。弹性材料的厚度及机械性能需要计算，保证底座主体71与待测芯片接触面的总体压力的均匀，及接触面的温度达到设计要求。弹性材料包括但不限于橡胶垫、硅胶垫、弹簧等。

作为一个实施例，温控区域划分需要根据真实的DUT上的模块位置及功率以及加工(切割和组装)技术的难度来计算并划分，需要考虑DUT上的各个模块、DIE的实际尺寸来划分温控区域。同时还可以根据DUT的各个模块、DIE的实际发热来选择传热通道的形状设计，使得多个子导热块721之间具有不同形状的传热通道形状。例如标准的长方体形状与中间有通孔的长方体形状，或者截面为梯形的类长方体形状等。

作为一个具体示例，发热量较低的DUT模块对应的子导热块721中间挖空为空洞或通孔，如图7所示；或者侧面变窄收缩，如图8所示；以控制其(上下方向的)导热路径的形状，来适配不同的DUT发热模块。

作为一个具体示例，其中图4、5、7中导热块72被设计成由三个子导热块721组成，其中切割数目“三个”仅为举例说明。

作为一个具体示例，导热块72的一端被切割为多个子导热块721，而另一端保持连接不分离，或者切割为更多(切割数目比如2，3，4，...具体取决于芯片结构和加工难度)复杂形状的独立块状结构然后组装在一起。

作为一个具体示例，如图8所示，由多个(切割数目比如2，3，4，...具体取决于芯片结构和加工难度)不同形状的子导热块721拼成一个完整的导热块72。

作为一个实施例，散热器4设置在底座主体71的上端面711。

作为其中一个具体示例，只设置一个散热器4。

作为其中一个具体示例，如果空间和加工技术允许，优选设置多个散热器4，多个散热器4分别对应设置在底座主体71上端面711上不同的温控区域，尽量使每个温控区域能够独立控制降温。优选的，散热器4为TEC(Thermoelectric cooler半导体制冷器)。

作为一种改进，散热器4和底座主体71之间还设置有TIM层5。

作为一种改进，为了增加散热效率，如果不考虑成本，可以更换更有效的TIM层5(比如液态TIM，或者液态金属TIM，或者相变材料TIM)。或者按照极端情况设计去掉TIM层5，散热器4和温控头底座7一体成型，其中间无间隙，也无TIM层5。这样可以大大的增加散热效率，可以有效的降低大功率DUT的温度。

作为其中一个具体示例，还包括设置在散热器4上的盖子1、设置在盖子1内外侧的内侧密封圈2、外侧密封圈3。其中，如果盖子1与散热器4需要焊接，盖子1可以与散热器4可为同种材料；如果不需要焊接工艺，那么盖子1与散热器4可以为不同种材料，比如散热器4是导热率高的材料，而盖子1为导热率低并且热比热容低的材料(比如塑料)，或者根据其他需求选择其他材料。

作为一个实施例，还包括一个或者多个加热器，多个加热器分别对应设置在底座主体71上端面711上不同的温控区域。通过多个电加热器的分布式合理布局，可以动态的实时调整每个温控区域的温度，使芯片整体温度分布更均匀。

作为一个实施例，还包括多个温度传感器，多个温度传感器分别对应设置在不同的温控区域中。通过多个温度传感器的分布式监控，能更有效的观察芯片的平面温度分布，更详细的了解芯片的时刻的温度变化和动态分布。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.用于高功率芯片后道测试的温控头底座，其特征在于，包括底座主体和导热块；底座主体的上端面和下端面划分有多个相互对应的温控区域，导热块设置在底座主体的下端面，包括多个分别与温控区域对应设置的子导热块，所述子导热块使用低热传导率材料或高热传导率材料制成，或者子导热块与所述底座主体之间设置有低热传导率材料或高热传导率材料。

2.根据权利要求1所述的温控头底座，其特征在于，所述子导热块的热膨胀系数与所述底座主体相近或相同。

3.根据权利要求1所述的温控头底座，其特征在于，通过弹性材料连接所述子导热块与所述底座主体。

4.用于高功率芯片后道测试的温控头，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的温控头底座。

5.根据权利要求4所述的温控头，其特征在于，还包括一个或多个散热器，多个散热器分别对应设置在所述底座主体上端面上不同的温控区域。

6.根据权利要求5所述的温控头，其特征在于，所述散热器为TEC。

7.根据权利要求5所述的温控头，其特征在于，还包括设置在所述散热器和所述底座主体之间的TIM层。

8.根据权利要求4所述的温控头，其特征在于，还包括一个或多个加热器，多个加热器分别对应设置在所述底座主体上端面上不同的温控区域。