JP2016031324A - 通電評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の破損などを防ぎつつ、ステージと半導体装置との間で適切な接触が担保できる技術を提供する。【解決手段】本発明は、上面に半導体装置（１）が配置され、半導体装置の下面電極と電気的に接続されるステージ２と、半導体装置の上面電極と電気的に接続されるプローブ針５と、半導体装置の上面の縁部に対し、ステージに向かう方向の圧力を加える加圧部材（３）とを備える。加圧部材は、少なくとも、縁部のうちの第１領域と、第１領域が位置する側とは反対側の縁部のうちの第２領域とにおいて、ステージに向かう方向の圧力を加える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の通電評価を行う通電評価装置に関するものである。

パワー半導体装置の通電評価は、通常、計測器に接続された半導体チップを配置するステージと、半導体チップの上面電極に接触するプローブ針とを用いて行われる。

ステージの上面（表面）に配置された半導体チップは、ステージの下面（裏面）からの真空吸着などにより、ステージの上面にその下面が吸着される。また、半導体チップの下面がステージの上面に電気的に接続される。その後、半導体チップの上面電極にプローブ針を接触させて、ステージ及びプローブ針に接続された計測器を用いて、半導体チップの電気特性などが測定される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３７２４７号公報

近年、パワー半導体装置の大容量化がすすみ、通電試験時の通電電流値がますます大きくなっている。従来の通電装置では、ステージと半導体チップとの間の接触は、吸着又はプローブ針を介して半導体チップに圧力を加えることにより行われていたが、例えば、半導体チップの下面に反りがあると、ステージと半導体チップとの間で適切な接触が担保されない。

このような場合には、通電時に発生する多量の熱をステージへ逃がすことができず、熱によって半導体チップが破損するという問題があった。また、ステージと半導体チップとの間で適切な接触を担保するため、プローブ針が半導体チップに加える圧力を大きくすると、半導体チップのプローブ針が接触する部分が機械的に破損したり、半導体チップに傷が生じたりしてしまうといった問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、半導体装置の破損などを防ぎつつ、ステージと半導体装置との間で適切な接触が担保できる技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に関する通電評価装置は、上面に上面電極を有し、かつ、前記上面と反対側の面である下面に下面電極を有する半導体装置の通電評価を行う通電評価装置であり、上面に前記半導体装置が配置され、前記半導体装置の前記下面電極と電気的に接続されるステージと、前記半導体装置の前記上面電極と電気的に接続されるプローブ針と、前記半導体装置の前記上面の縁部に対し、前記ステージに向かう方向の圧力を加える加圧部材とを備え、前記加圧部材は、少なくとも、前記縁部のうちの第１領域と、前記第１領域が位置する側とは反対側の前記縁部のうちの第２領域とにおいて、前記ステージに向かう方向の圧力を加える。

本発明の上記態様によれば、加圧部材によって半導体装置の縁部に圧力を加え、ステージと半導体装置との間で適切な接触を担保することができるため、当該接触の担保のためにプローブ針によって過剰な圧力を加える必要がない。よって、半導体装置の破損などを防ぐことができる。

本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。 実施形態に関する加圧板及び緩衝膜の構造を示す側面図である。 実施形態に関する加圧板及び緩衝膜の構造を示す上面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。 前提技術に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。 実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、異なる図面にそれぞれ示されている画像のサイズ及び位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されたものではなく、適宜変更され得る。また、以下の説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称及び機能も同様のものとする。よって、それらについての詳細な説明を省略する場合がある。

また、以下の説明では、「上」、「下」、「側」、「底」、「表」又は「裏」などの特定の位置及び方向を意味する用語が用いられる場合があるが、これらの用語は、実施形態の内容を理解することを容易にするため便宜上用いられているものであり、実際に実施される際の方向とは関係しない。

図９は、前提技術に関する、パワー半導体装置の通電評価装置の構造を示す側面図である。また、図１０は、前提技術に関する、パワー半導体装置の通電評価装置の構造を示す上面図である。

半導体チップ１は、裏面電極としても併用されるステージ２の上面に設けられる。そして、半導体チップ１の下面と、ステージ２の上面とは、電気的に接続される。

プローブ針５は、半導体チップ１の上面電極に接触する。加圧機構６はステージ２に向かう方向にプローブ針５を押し下げ、押し下げられたプローブ針５は半導体チップ１に圧力を加える。プローブ針５は、半導体チップ１の上面電極（例えばアルミ電極）の上面に形成される自然酸化膜（図示せず）を突き抜けて、半導体チップ１の上面電極と電気的に接触する。

ここで、ステージ２と半導体チップ１との間の接触は、吸着又はプローブ針５を介して半導体チップ１に圧力を加えることにより行われるが、半導体チップ１の下面に反りなどがあると、ステージ２と半導体チップ１との間で適切な接触が担保されないという問題があった。

以下に説明する実施形態は、上記のような問題を解決する通電評価装置に関するものである。

＜第１実施形態＞
＜構成＞
図１は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。また、図２は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。

半導体装置としての半導体チップ１は通電評価の対象物であり、少なくとも、上面に上面電極を、下面に下面電極をそれぞれ有している。半導体チップ１は、例えば、炭化珪素を用いたショットキーバリアダイオード、又は、ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＭＯＳＦＥＴ）などである。半導体チップ１は、ステージ２の上面に配置される。

ステージ２は、半導体チップ１の下面電極と接触することで、半導体チップ１の下面電極と電気的に接続される。ステージ２は、外部の通電用電源（図示せず）に接続され、通電時における半導体チップ１の温度制御を行う。ステージ２は、通電用電源の正極又は負極に接続される。ステージ２の材質は、銅又はアルミニウムなどの金属、又は、カーボンなど熱伝導率の高い物質であればよい。また、ステージ２の内部に水路を設け、チラーなどによって冷却水などの媒体を流し、熱交換を行ってもよい。

加圧板３は、加圧機構４に押し下げられることによって、半導体チップ１にステージ２に向かう方向の圧力を加える。加圧板３は、少なくとも縁部のうちのある領域と、その領域が位置する側とは反対側の縁部のうちのある領域とにおいて、それぞれ圧力を加える。本実施形態では、図２に示されるように、半導体チップ１の図２における左側の縁部の領域と、その反対側の右側の縁部の領域とにおいて、それぞれ圧力が加えられ、さらに、半導体チップ１の図２における上側の縁部の領域と、その反対側の下側の縁部の領域とにおいて、それぞれ圧力が加えられる。加圧板３が半導体チップ１の上面の縁部（周辺）に押しつけられることにより、半導体チップ１の下面とステージ２との間の接触抵抗及び熱抵抗が下がり、十分な低抵抗特性及び放熱特性が得られる。

加圧機構４は、例えばモータで駆動される可動機構である。加圧機構４は、加圧板３をステージ２に向かう方向に押し下げる。また、加圧機構４は、手動で半導体チップ１に加えられる圧力を制御することもできるが、圧力センサーなどが、例えば、加圧機構４内、又は、加圧板３と加圧機構４とが接続される部分に備えられることによって、当該圧力センサーの出力値に基づいて、半導体チップ１に加えられる圧力を制御することもできる。なお、図１では、図の手前方向及び奥行き方向において加圧機構６と重なる位置に配置される加圧機構４については、構造の理解を容易にするため図示を省略している。

プローブ針５は、半導体チップ１の上面電極に接触することで、半導体チップ１の上面電極と電気的に接続され、半導体チップ１に流れる電流などを測定する。プローブ針５は、プローブ針用の加圧機構６に押し下げられることによって、半導体チップ１の上面電極と接触する。プローブ針５は、加圧板３が半導体チップ１の縁部に押しつけられた後で、半導体チップ１の上面電極と接触する。

半導体チップ１の上面電極と接触したプローブ針５の先端は、上面電極（例えばアルミ材料）の上面に形成される自然酸化膜を突き抜けて、半導体チップ１の上面電極と接触する。プローブ針５の押し下げは加圧機構６により行われ、プローブ針５と半導体チップ１の上面電極とが良好なコンタクト特性を得るように制御される。

プローブ針５は、銅、タングステン、ニッケル、パラジウム、銀又は金属合金材料で構成される。又は、プローブ針５は、金又はＡｕなどの金属で上面がコーティングされたワイヤ式、又は、スプリングタイプなどのプローブピンである。プローブ針５は、半導体チップ１の上面電極に接触した時に生じる表面傷が小さく抑えられ、かつ、所望の電流を流すためのプローブピン数及び接触面積が確保されている。

半導体チップ１には、基板又はその上面に成膜された酸化膜、又は、アルミ配線などの電極膜により、反りなどが生じる場合がある。大電流通電のためには、加圧板３を押し下げることによって半導体チップ１に均一に圧力を加え、半導体チップ１をステージ２に対して均一に接触させることが重要となる。そのため、加圧板３は、半導体チップ１に対し、左右対称、上下対称、又は、左右及び上下対称に配置される。加圧板３は、例えば、銅、鉄又は金属合金など導電性の材料で構成されていてもよいし、ピーク材のような絶縁性の材料で構成されていてもよい。図１においては、半導体チップ１の四辺に左右及び上下対称に配置された加圧板３の配置例が示されている。なお、半導体チップ１の四隅に加圧板３が配置される配置であってもよい。

また、加圧機構４は、ステージ２の反り又は半導体チップ１の反りがある場合でも、半導体チップ１に対して均一に圧力を加えることができるよう、各加圧板３を押し下げる圧力を独立に制御することができる。ただし、ステージ２の反りなどがない場合には、図１及び図２に示されるように、各加圧板３に対して加圧機構４を分離して対応させずに、共通の加圧機構４により複数の加圧板３を押し下げてもよい。

ステージ２と半導体チップ１の下面電極との間の良好なコンタクト特性及び放熱特性を担保するためには、比較的大きな圧力を半導体チップ１に加える必要がある。しかし、プローブ針５の押し下げのみでこの圧力を担保しようとすると、プローブ針５の先端が半導体チップ１の上面電極であるアルミ電極を突き抜けてアルミ電極に損傷を与え、例えばＭＯＳＦＥＴであればゲート電極を破壊し、その後に製造される装置構造に故障を引き起こす場合がある。一方で、半導体チップ１に加える圧力が小さければ、十分な放熱特性が得られず、熱破壊又は裏面変色などの故障を引き起こす。

図１及び図２に示される通電装置では、加圧板用の加圧機構４とプローブ針用の加圧機構６とは、互いに独立しており、それぞれ異なる圧力を半導体チップ１に加えることができる。具体的には、加圧機構４は加圧板３を押し下げることによって、加圧機構６はプローブ針５を押し下げることによって、それぞれ異なる圧力を半導体チップ１に加えることができる。加圧機構４及び加圧機構６による圧力は、圧力センサーで制御するか又は手動で制御することもできる。

加圧機構４は、ステージ２と半導体チップ１の下面電極との間の良好なコンタクト特性及び放熱特性を担保するため、半導体チップ１に対して比較的大きな圧力を与える。加圧機構６は、上面電極に与える損傷がない又は十分小さく、かつ、良好なコンタクト特性が得られる圧力を、半導体チップ１に与える。

上記の通電装置を用いることで、大電流通電を行う場合でも、低抵抗の裏面接触抵抗及び低い熱抵抗により半導体チップ１の熱破壊又は裏面変色などを防ぐことができる。また、半導体チップ１の上面電極の損傷又は装置特性の故障などを防ぎつつ通電評価を行うことができる。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、通電評価装置は、上面に上面電極を有し、かつ、上面と反対側の面である下面に下面電極を有する半導体装置としての半導体チップ１の通電評価を行う通電評価装置である。

そして、通電評価装置は、上面に半導体チップ１が配置され、半導体チップ１の下面電極と電気的に接続されるステージ２と、半導体チップ１の上面電極と電気的に接続されるプローブ針５と、半導体チップ１の上面の縁部に対し、ステージ２に向かう方向の圧力を加える加圧部材としての加圧板３とを備える。

ここで、加圧板３は、少なくとも、縁部のうちの第１領域と、第１領域が位置する側とは反対側の縁部のうちの第２領域とにおいて、ステージ２に向かう方向の圧力を加える。

なお、加圧板３は、後述の加圧板３ａと入れ替えることもできる。

このような構成によれば、加圧板３によって半導体チップ１の縁部に圧力を加え、ステージ２と半導体チップ１との間で適切な接触を担保することができるため、当該接触の担保のためにプローブ針５によって過剰な圧力を加える必要がない。よって、半導体チップ１の破損などを防ぎつつ、比較的大きな電流を通電させる通電試験でも行うことができる。

また、適切な接触を担保できるため、局所発熱による半導体チップ１の裏面変色を抑制することができる。

なお、これらの構成以外の構成については適宜省略することができるが、本明細書に示された任意の構成を適宜追加した場合でも、上記の効果を生じさせることができる。

また、本実施形態によれば、加圧部材としての加圧板３は、少なくとも、縁部のうちの第１領域、及び、第１領域が位置する側とは反対側の縁部のうちの第２領域において、それぞれ独立にステージ２に向かう方向の圧力を加える。

このような構成によれば、半導体チップの反りにあわせて各領域における圧力を調整することができる。

また、本実施形態によれば、加圧部材としての加圧板３は、さらに、第１領域が位置する側及び第２領域が位置する側とは異なる側の縁部のうちの第３領域と、第３領域が位置する側とは反対側の縁部のうちの第４領域とにおいて、ステージ２に向かう方向の圧力を加える。

このような構成によれば、半導体チップ１の全体に対して、均一な圧力を加えることができる。

また、本実施形態によれば、通電評価装置が、加圧部材としての加圧板３をステージ２に向かう方向に押す第１加圧機構としての加圧機構４を備える。

また、本実施形態によれば、通電評価装置が、プローブ針５をステージ２に向かう方向に押す第２加圧機構としての加圧機構６を備える。そして、加圧機構４と加圧機構６とは、それぞれ独立にステージ２に向かう方向の力を制御する。

このような構成によれば、例えば、プローブ針５による圧力は補助的なものとして、加圧板３で比較的大きな圧力を加えるなどの圧力の調整が可能となり、プローブ針５で過剰な圧力を加えずに、ステージ２と半導体チップ１との間の適切な接触を担保することができる。

＜第２実施形態＞
＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。

図３は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。また、図４は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。

図３及び図４では、加圧板３ａの形状が第１実施形態における場合と異なっている。すなわち、加圧板３ａは半導体チップ１の縁部のみを覆う形状であり、半導体チップ１の縁部全周にわたって一体として形成される。

加圧板用の加圧機構４は、加圧板３ａ全体を均一に押し下げる。これによって加圧板３ａは、半導体チップ１の縁部の全周にわたって、ステージ２に向かう方向の圧力を加えることになる。この場合、加圧機構４は、１つの構造体で構成されていてもよいし、ステージ２の反り又は半導体チップ１の反りなどに対応して、複数の構造体に分離して形成されていてもよい。なお、図３では、加圧機構６を挟む位置に配置される複数の加圧機構４が図示されているが、配置の仕方は図示された場合に限られるものではなく、例えば、図の手前方向及び奥行き方向において加圧機構６と重なる位置に配置される加圧機構４が追加されてもよい。

加圧板と半導体チップ１との間の接触面積が小さくなると、半導体チップ１に比較的大きな圧力を加えた場合に、半導体チップ１と加圧板とが接触する部分において損傷などが生じる場合がある。図３及び図４に示された加圧板３ａによれば、加圧板３ａと半導体チップ１とが接触する面積が大きくなるため、半導体チップ１がより大きな圧力に耐えることができる。

また、大電流を印加した場合の放熱経路としては、半導体チップ１の下面側からの放熱経路だけでなく、半導体チップ１の上面における加圧板との接触部分からの放熱経路も存在する。図１及び図２に示される加圧板３の場合、より大きな電流通電時には、加圧板３と半導体チップ１とが接触している部分と、それらが接触していない部分との間で電流分布に偏りが生じ、その結果温度分布が不均一となる場合があるが、図３及び図４に示される加圧板３ａの場合には、半導体チップ１の縁部の全周にわたって加圧板３ａと半導体チップ１とが接触しているため、電流分布の偏りを抑制し、その結果温度分布の不均一も抑制できる。よって、より大きな電流を通電させることができる。

上記の通電装置を用いることで、大電流通電を行う場合でも、低抵抗の裏面接触抵抗及び低い熱抵抗により半導体チップ１の熱破壊又は裏面変色などを防ぐことができる。また、半導体チップ１の上面電極の損傷又は装置特性の故障などを防ぎつつ通電評価を行うことができる。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、加圧部材としての加圧板３ａは、縁部の全周にわたって、ステージ２に向かう方向の圧力を加える。

このような構成によれば、半導体チップ１と加圧板３ａとの接触面積が広いため、半導体チップ１に対して加えられる力が分散され、半導体チップ１に対し比較的大きな圧力が加えられる場合でも、半導体チップ１に傷などが形成されることを抑制することができる。また、半導体チップ１と加圧板３ａとの接触面積が広いため、半導体チップ１の加圧板３ａとの接触部分における放熱特性を均一に保つことができ、比較的大きな電流を流す通電試験をも行うことができる。

＜第３実施形態＞
＜構成＞
以下では、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。

図５は、本実施形態に関する加圧板及び緩衝膜の構造を示す側面図である。また、図６は、本実施形態に関する加圧板及び緩衝膜の構造を示す上面図である。図５に示されるように、加圧板３ａの、半導体チップ１の上面の縁部と接触する部分に、半導体チップ１に傷が生じることを抑制する緩衝膜７が備えられている。

上記のように、大電流通電を行うためには、半導体チップ１に対して均一、かつ、比較的大きな圧力を加える必要があるが、その大きな圧力によって、半導体チップ１の加圧板３との接触部分に傷などが形成される場合がある。そこで、図５に示されるように、半導体チップ１と接触する部分に緩衝膜７が備えられていることが望ましい。

緩衝膜７は、例えば、テフロン（登録商標）などの高温に耐える材料、又は、アルミ箔などの比較的やわらかい金属などが、加圧板の下面に貼り付けられたものとする。

図７は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す側面図である。また、図８は、本実施形態に関する通電評価装置の構造を示す上面図である。

図７に示されるように、加圧板３ａに備えられた緩衝膜７が、半導体チップ１と接触して配置される。よって、当該部分の半導体チップ１に傷などが形成されることを抑制することができる。

なお、図７及び図８においては、半導体チップ１の縁部のみを覆う形状の加圧板３ａが示されているが、図１及び図２に示される加圧板３の下面それぞれに緩衝膜７が設けられていてもよい。

＜効果＞
以下に、本実施形態による効果を例示する。

本実施形態によれば、通電評価装置が、加圧部材としての加圧板３ａの、半導体チップ１の上面の縁部に接触する面において設けられる緩衝膜７を備える。

このような構成によれば、半導体チップ１が加圧板３によって圧力を加えられる際、緩衝膜７を介して圧力が加えられることとなるため、半導体チップ１に傷などが形成されることが抑制できる。

＜変形例＞
上記各実施形態では、各構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係又は実施の条件などについても記載している場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本発明が記載されたものに限られることはない。よって、例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲内において想定される。例えば、任意の構成要素を変形する場合、追加する場合又は省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれる。

また、矛盾が生じない限り、上記各実施形態において「１つ」備えられるものとして記載された構成要素は、「１つ以上」備えられていてもよい。さらに、発明を構成する構成要素は概念的な単位であって、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合、及び１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合を含む。また、本発明の各構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造又は形状を有する構造物が含まれる。

また、本明細書における説明は、本発明のすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。

１ 半導体チップ、２ ステージ、３，３ａ 加圧板、４，６ 加圧機構、５ プローブ針、７ 緩衝膜。

Claims (7)

1. 上面に上面電極を有し、かつ、前記上面と反対側の面である下面に下面電極を有する半導体装置の通電評価を行う通電評価装置であり、
   上面に前記半導体装置が配置され、前記半導体装置の前記下面電極と電気的に接続されるステージと、
   前記半導体装置の前記上面電極と電気的に接続されるプローブ針と、
   前記半導体装置の前記上面の縁部に対し、前記ステージに向かう方向の圧力を加える加圧部材とを備え、
   前記加圧部材は、少なくとも、前記縁部のうちの第１領域と、前記第１領域が位置する側とは反対側の前記縁部のうちの第２領域とにおいて、前記ステージに向かう方向の圧力を加える、
   通電評価装置。
2. 前記加圧部材は、少なくとも前記第１領域及び前記第２領域において、それぞれ独立に前記ステージに向かう方向の圧力を加える、
   請求項１に記載の通電評価装置。
3. 前記加圧部材は、さらに、前記第１領域が位置する側及び前記第２領域が位置する側とは異なる側の前記縁部のうちの第３領域と、前記第３領域が位置する側とは反対側の前記縁部のうちの第４領域とにおいて、前記ステージに向かう方向の圧力を加える、
   請求項１又は２に記載の通電評価装置。
4. 前記加圧部材は、前記縁部の全周にわたって、前記ステージに向かう方向の圧力を加える、
   請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の通電評価装置。
5. 前記加圧部材を前記ステージに向かう方向に押す第１加圧機構をさらに備える、
   請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の通電評価装置。
6. 前記プローブ針を前記ステージに向かう方向に押す第２加圧機構をさらに備え、
   前記第１加圧機構と前記第２加圧機構とは、それぞれ独立に前記ステージに向かう方向の力を制御する、
   請求項５に記載の通電評価装置。
7. 前記加圧部材の前記半導体装置の前記上面の前記縁部に接触する面において設けられる緩衝膜をさらに備える、
   請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の通電評価装置。

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