專利名稱：執(zhí)行電子器件的晶片級老化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子器件的熱和電老化。更具體的，本發(fā)明涉及可以通過使用兩個(gè)與晶片的相對側(cè)接觸的電接觸件的應(yīng)用到半導(dǎo)體工業(yè)的部件的晶片級老化方法。本發(fā)明還涉及垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的晶片級老化。
背景技術(shù)：
目前，在大多數(shù)電子部件中使用固態(tài)半導(dǎo)體器件。例如，在諸如光電子通訊系統(tǒng)和高速打印系統(tǒng)之類的應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器是重要的器件。盡管邊緣發(fā)射激光器目前用于大部分的應(yīng)用中，但是對垂直共振腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的興趣持續(xù)增加。對于VCSEL感興趣的一個(gè)理由在于邊緣發(fā)射激光器產(chǎn)生具有大的角發(fā)散的束，使得有效收集發(fā)射的束更加困難。此外，邊緣發(fā)射激光器直到晶片被劈開成單個(gè)的器件才能進(jìn)行測試，這些器件的邊緣形成每個(gè)器件的反射鏡小平面。另一方面，不但VCSEL的束具有小的角發(fā)散，而且VCSEL發(fā)射垂直于晶片表面的光。此外，由于VCSEL在它們的設(shè)計(jì)中整體地引入了反射鏡，所以它們允許晶片上的測試，以及制造一維或者兩維激光器陣列。在單個(gè)晶片上制造超過60000個(gè)半導(dǎo)體激光器部件是普通的。
VCSEL通常通過在襯底材料上生長幾層反射材料來制造。VCSEL包括通過半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)在襯底上形成的第一反射鏡堆；形成在第一反射鏡堆的頂部上的有源區(qū)域；以及形成在有源區(qū)域頂部上第二反射鏡堆。通過在第二反射鏡堆的頂部上提供第一接觸件，以及在襯底的背部提供第二接觸件，迫使電流通過有源區(qū)域，從而驅(qū)動(dòng)VCSEL。VCSEL可以通過在典型的砷化鎵襯底內(nèi)部設(shè)置或者圍繞砷化鎵襯底設(shè)置的鎵、砷、氮、鋁、銻、磷和/或銦的組合來制造/形成。
歷史上，半導(dǎo)體的生產(chǎn)是很復(fù)雜和昂貴的多步驟過程。部件的老化通常指熱和/或電測試新制造的半導(dǎo)體部件的過程。老化使得可以單個(gè)的識別在一批或者成批的半導(dǎo)體器件中產(chǎn)生的故障部件。目前，部件在“封裝級”進(jìn)行老化，其意味著通常在從晶片得到單個(gè)封裝的器件以后進(jìn)行測試。每個(gè)部件被測試和在插座中放置，以作為封裝單元進(jìn)行老化，或者作為裸管芯(在封裝以前)進(jìn)行測試。管芯或者封裝級的老化對于生產(chǎn)商是昂貴的，這是因?yàn)樗莿趧?dòng)密集型的。必須測試每個(gè)部件，要求完全的人為干預(yù)。
盡管目前半導(dǎo)體工業(yè)正在研究晶片級老化(WLBI)的方法和系統(tǒng)，但是提出的系統(tǒng)和方法通常要求多個(gè)電探針接觸晶片上的多個(gè)電接觸件。這樣的系統(tǒng)是復(fù)雜的，且要求對探針和接觸件的對準(zhǔn)特別小心。例如，頒發(fā)給Nakata等的題為“Method of testing electrical char交流teristics of multiple semiconductor integrated circuitssimultaneously”的第6339329號美國專利是WLBI工業(yè)中的典型的技術(shù)方向。Nakata等的專利講授了通過使多個(gè)探針端子接觸分別與晶片上的多個(gè)半導(dǎo)體集成電路元件相連的多個(gè)測試電極，且從共同的電壓供給線通過多個(gè)正溫度系數(shù)元件來將電壓施加到每個(gè)測試電極，同時(shí)測試多個(gè)半導(dǎo)體集成電路元件。
半導(dǎo)體制造工業(yè)需要用來減小目前進(jìn)行器件老化的成本和相關(guān)的勞力的方法和系統(tǒng)。此外，半導(dǎo)體工業(yè)需要可以用于生產(chǎn)和測試諸如VCSEL、二極管、LED和其它半導(dǎo)體器件之類的具有前后接觸件的半導(dǎo)體部件的晶片級老化(WLBI)方法和系統(tǒng)。本發(fā)明人認(rèn)識到，通過提供實(shí)現(xiàn)部件的晶片級老化的方法和系統(tǒng)來改善目前的老化工藝是有利的。因此，本發(fā)明作為新系統(tǒng)和方法來描述和提出，以處理目前發(fā)現(xiàn)的在現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
接下來提供本發(fā)明的內(nèi)容，以有利于理解本發(fā)明的一些獨(dú)特的創(chuàng)新的特征，但并不用于全面描述。本發(fā)明的各個(gè)方面的全面了解可以通過將整個(gè)說明書、權(quán)利要求書、附圖和摘要作為一個(gè)整體考慮來獲得。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在閱讀本說明書時(shí)可以明白本發(fā)明的另外的目的和特征。
本發(fā)明的一個(gè)特征是提供執(zhí)行半導(dǎo)體器件的晶片級老化的方法。
本發(fā)明的一個(gè)特征是提供使用包括有用于與具有前后接觸件的半導(dǎo)體晶片進(jìn)行電接觸的頂部和底部接觸板的WLBI系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供使用包括有用于在老化工藝期間有助于晶片溫度調(diào)節(jié)的熱交換器的WLBI系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是選擇性地提供石墨箔的使用，以有利于接觸板和/或晶片接觸件之間的接觸。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供電源調(diào)節(jié)器的使用，以提供通過受到老化工藝的晶片上的部件電流和電壓。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供在晶片級老化期間維持電流和溫度級別要求所必需的監(jiān)測和自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備的使用。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供包括晶片支撐硬件的晶片級老化系統(tǒng)的使用，以提供受到老化工藝的晶片機(jī)械保持力。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供晶片支撐件的使用，該晶片支撐件提供給受到老化工藝的晶片以受控的機(jī)械夾緊力、電接觸件和溫度接口。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的晶片級老化的方法，其中，制造了包含半導(dǎo)體器件的晶片，受到晶片級老化，老化后從晶片獲得了單個(gè)器件，并且這些可運(yùn)行的器件可以用于應(yīng)用(例如，運(yùn)輸)。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供包括有在晶片級老化程序期間協(xié)調(diào)施加電能到晶片承載的器件的晶片級老化方法。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供包括有在晶片級老化程序期間協(xié)調(diào)施加熱溫度到晶片承載的器件的晶片級老化方法。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是提供包括在晶片級老化程序期間協(xié)調(diào)施加電能和熱溫度到晶片承載的器件的晶片級老化方法。
晶片級老化可以減小封裝級老化的需要，且可以降低部件生產(chǎn)的成本。描述了一種WLBI系統(tǒng)，其具有兩個(gè)用作電極的不同的板來在用于由晶片承載的半導(dǎo)體器件的具有前后電接觸件的晶片的每側(cè)上施加電偏壓。此外，描述了諸如石墨、類似氈的材料之類的柔性導(dǎo)電層，其可以采用像盤一樣的形式，用于同時(shí)為晶片的器件側(cè)面和/或襯底側(cè)面上的引腳提供電接觸。該柔性導(dǎo)電層在每個(gè)由晶片承載的器件中可以允許有效的串聯(lián)電阻R，這樣有助于維持偏壓級別的一致。當(dāng)在老化操作期間由腔室接觸件施加壓力到晶片上時(shí)，該柔性導(dǎo)電層還防止晶片的損壞，這是因?yàn)槿嵝詫?dǎo)電層可以變形來吸附晶片的器件側(cè)上的引腳的接觸表面。還描述了一種冷卻系統(tǒng)，用于使得可以施加均勻的溫度到受到老化的晶片。
晶片級老化可以這樣來執(zhí)行，即，通過使用下部接觸板來將電和機(jī)械接觸施加到所述半導(dǎo)體晶片的襯底表面；使用上部接觸板將進(jìn)行的電和機(jī)械接觸施加到用于由半導(dǎo)體晶片承載的半導(dǎo)體器件的單個(gè)接觸件上；由連接到所述上下接觸板的電源通過所述上下接觸板提供電能到所述半導(dǎo)體器件上；監(jiān)測和控制給所述半導(dǎo)體器件的電能一段根據(jù)特定的老化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的時(shí)間；在所述時(shí)期完成時(shí)去除電能；以及去除到所述半導(dǎo)體晶片的電和機(jī)械接觸。


使用附圖來說明本發(fā)明的原理，其中，在貫穿各個(gè)圖中，同樣的標(biāo)號指相同的或者功能相似的元件，這些附圖合并到說明書中，且形成說明書的一部分，并連同本發(fā)明的詳細(xì)描述來進(jìn)一步說明本發(fā)明，附圖包括圖1是在底部層和頂部層具有電接觸件的已有技術(shù)的半導(dǎo)體器件的放大圖，以及在放大圖中顯示的包含多個(gè)諸如器件的晶片的已有技術(shù)的視圖；圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的視圖，其中，該系統(tǒng)可以施加電和熱接觸給晶片，用自動(dòng)調(diào)節(jié)的上部接觸組件來控制機(jī)械施加壓力，以及用熱交換器調(diào)節(jié)溫度；圖3是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的視圖，其中，上下接觸組件接觸晶片的電接觸件，示出熱量流過整個(gè)組件，以及通過熱交換器在設(shè)置溫度附進(jìn)調(diào)節(jié)熱量；圖4示出了導(dǎo)電的柔性晶片接觸材料，該材料以類似于晶片的形狀使得可以用來提供給晶片上的半導(dǎo)體以共同電接觸件，以及覆蓋晶片的表面(器件側(cè)面)的材料(顯著地顯示晶片的底部側(cè))；圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的視圖，其中，示出了框架結(jié)構(gòu)以這樣的方式支撐晶片接觸組件，即，電絕緣/阻擋裝置設(shè)置在相應(yīng)的正(+)和負(fù)(-)電位組件，以及熱交換器和受到熱和電測試(或者晶片級老化)的晶片之間；圖6示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)，其中，電能源、熱能源和熱電偶以及溫度測量設(shè)備與系統(tǒng)的上部和下部組件接觸，并與通過熱交換器提供溫度控制的可選擇的裝置接觸；圖7示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)，其中顯示了用于降低和升高上部接觸板的機(jī)構(gòu)，其中，該機(jī)構(gòu)可以被液壓、氣缸、氣動(dòng)或者以其他方式控制；圖8示出了用于根據(jù)本發(fā)明的WLBI系統(tǒng)的機(jī)械部件、電部件和測量部件；圖9示出了用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的WLBI的方法的步驟的流程圖；圖10示出了在根據(jù)本發(fā)明的WLBI程序期間使用的樣本日志或者記錄；圖11示出了散熱器的俯視圖和側(cè)視圖，該散熱器可以用作用于輔助冷卻下部接觸板，以及最終冷卻任何受到測試的晶片的熱交換器；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的WLBI系統(tǒng)的下部組件的透視圖，其中，該散熱器使用電絕緣的玻璃纖維安裝件安裝到鋁底部；圖13示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，液體可以用于冷卻系統(tǒng)的下部接觸部分；圖14示出了液體冷卻系統(tǒng)的另一個(gè)側(cè)面透視圖，其中，可以使用預(yù)熱元件來控制液體溫度；圖15示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，底部接觸板中形成有一個(gè)孔，以允許熱傳感器精確地測量由下部接觸板支撐的離晶片中心最近的接觸板中心附近的板的溫度，以及一種新的構(gòu)造，用于通過銅管將液體冷卻劑直接提供到下部接觸板的底部上；圖16示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，上部接觸板包含在外殼中，上部板高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置為調(diào)節(jié)上部接觸板的高度，下部接觸板緊密地作為熱交換單元的一部分一體形成，其中，允許液體冷卻劑噴射到接觸板/熱交換器的下表面；圖17示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，上下接觸板都利用冷卻劑裝置來維持晶片溫度；以及圖18示出了與晶片和導(dǎo)電層接觸的上下接觸板的另一個(gè)側(cè)面透視圖，其中，冷卻劑和加熱液體通過液體管道提供到上下接觸板組件，且球形接觸件設(shè)置用于相對于老化處理的晶片對上部板進(jìn)行平整作用。
具體實(shí)施例方式
本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員在研究了下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述時(shí)會(huì)明白本發(fā)明的創(chuàng)新性特征，或者通過本發(fā)明的實(shí)踐可以了解本發(fā)明的創(chuàng)新性特征。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明的詳細(xì)描述和提出的具體的例子，以及同時(shí)顯示的本發(fā)明的某些實(shí)施例都為了示例目的提供的，只是因?yàn)楸绢I(lǐng)域中的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的詳細(xì)描述和隨后的權(quán)利要求書會(huì)明白在本發(fā)明的范圍以內(nèi)的各種改變和改進(jìn)。
本發(fā)明通過以很低的成本來實(shí)現(xiàn)老化的結(jié)果的新方法和系統(tǒng)，代替了部件或者器件級老化。本發(fā)明的公開物講授了當(dāng)部件是晶片的整體部分時(shí)，如何同時(shí)老化很多基于晶片的部件，而不是使用該領(lǐng)域中已知的通常要求每次處理一個(gè)管芯/部件的現(xiàn)有工藝。以前的方法通常更加是勞動(dòng)密集型的。此外，本發(fā)明可以充分地減少由于晶片老化操作后產(chǎn)生的廢棄器件的數(shù)量。
參考圖1，已有技術(shù)的半導(dǎo)體器件例子從其在晶片100上的位置顯示為放大視圖。在放大部分中顯示的器件通常以諸如VCSEL或者LED之類的有源器件為例。例如VCSEL的器件的有源區(qū)域120產(chǎn)生和放大了光，該光允許通過在器件的表面上的窗或者開口出去115。在通常位于器件和晶片底部將電位施加到器件且通常該電位用來將負(fù)電位施加到器件的共同接觸件105處。共同接觸件105通常可以與晶片100的襯底107結(jié)合。通常用來施加正(+)電位到器件的第二接觸件110位于器件的最上層109。在器件生產(chǎn)期間，在放大圖中顯示的器件從晶片100中切除的。在本發(fā)明以前，通常的慣例是在封裝以前或者封裝之后對單個(gè)晶片進(jìn)行老化。通過本發(fā)明，現(xiàn)在所有的器件都可以在不與晶片100分離的情況下進(jìn)行老化測試(熱的和電的)。
參考圖2，顯示了在本發(fā)明的一個(gè)重要的實(shí)施例中使用的主要部件。在晶片級老化(WLBI)系統(tǒng)200中，示出了晶片100設(shè)置在上部接觸板210和下部接觸板215之間。應(yīng)當(dāng)理解，該系統(tǒng)只需要包括兩個(gè)電接觸板，即，接觸板210和215，盡管根據(jù)本發(fā)明可以使用其它的電接觸件。此外，應(yīng)該理解，可以設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)來垂直容納半導(dǎo)體晶片，在這樣的情況下，上部接觸板210可以稱為第一接觸板，下部接觸板215可以稱為第二接觸板。為了詳細(xì)描述，假設(shè)WLBI系統(tǒng)利用重力，因此水平地操作。因此，現(xiàn)在上部接觸板210和下部接觸板215用來提供正負(fù)電位到晶片100。如前在圖1中所示，共同接觸件105(其可以是晶片的襯底)通過下部接觸板215提供電接觸。上部接觸板210通過器件相應(yīng)的表面接觸件110可以直接提供電接觸到形成在晶片100上的每個(gè)器件。
應(yīng)該理解，在產(chǎn)生/處理晶片期間可能在晶片100的上表面(或者器件側(cè)面)上進(jìn)行變化，或者也可能在上部接觸板210的表面上形成變化，使得不允許電位施加到晶片上的所有器件。為了確保從上部接觸板210為所有器件提供電位，可以在上部接觸板210和晶片100之間通過共同的接觸件110可選擇地引入導(dǎo)電且柔性的層220。該柔性層220也可以減小晶片100的器件側(cè)面上的機(jī)械壓力。此外，可以在下部接觸板215和晶片100之間通過共同的接觸件105可選擇地引入導(dǎo)電層220，防止在晶片100上的過大的機(jī)械壓力。上部接觸板210可以由控制器230控制。控制器可以允許上部接觸板210的表面最佳地定向?yàn)榭恐骷佑|件110的表面，或者當(dāng)使用柔性的導(dǎo)電材料220時(shí)靠著該柔性的導(dǎo)電材料220。該控制器可以提供上部接觸板210的X-Y-Z定向。
在老化過程期間，熱能240可以通過上部接觸板210直接提供給形成在晶片100的表面上的所有器件。如果使用可選的柔性層220，熱能還必須足夠通過該柔性層到達(dá)晶片100。為了維持處理期間晶片的恒定的老化溫度，可以使用熱交換器225。熱交換器225可以通過下部接觸板215向晶片100提供冷卻作用。熱交換器225可以包括本領(lǐng)域中已知的散熱材料、液體冷卻、氣體冷卻和其它傳熱方法，以調(diào)節(jié)晶片100的恒定溫度。
參考圖3，示出了當(dāng)在操作期間觀察時(shí)，在圖2中描述的系統(tǒng)的部件放置。在老化測試期間，系統(tǒng)的上部接觸部分310放置為與晶片100的上表面(例如，單個(gè)的器件接觸件110)或者柔性層220接觸。為了實(shí)現(xiàn)上部接觸部分310與晶片100的表面的最佳放置，即使當(dāng)在柔性層220的幫助下，上部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)330也可以允許上部接觸板210相對于晶片表面移動(dòng)或者“齊平”。柔性層220不但有利于與晶片100上的器件接觸件的電接觸，而且還有助于防止從上部接觸部分310施加的可能損壞晶片或者晶片上的單個(gè)器件的機(jī)械壓力。由于柔性層220的柔性特性，所以可以減小或者防止諸如對晶片或者晶片上的單個(gè)器件的破裂之類的損壞。當(dāng)通過上部接觸部分310施加熱能340時(shí)，可以通過下部接觸部分320實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)350。
參考圖4，示出了柔性層220和晶片100。受到老化工藝的晶片100將放置在圖2中顯示的下部接觸板215的頂部，使得晶片表面410面朝上朝著圖2的上部接觸板210。然后，柔性層220放置在晶片表面410的頂部上。柔性層220最好切割或者形成為使得它通常成形為稍微大于晶片100的外部周邊的“盤”。柔性層220和晶片底部420的組合在圖4中顯示，其示出了具有直徑大于晶片100的直徑的柔性層220。
當(dāng)使用時(shí)，柔性層220應(yīng)該作為導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械可壓縮的中間接觸材料。柔性層220應(yīng)該給老化電路增加足夠的電阻，以最小化跨過晶片100的管芯到管芯的電流變化。柔性層220還必須是導(dǎo)熱的，以傳導(dǎo)熱流到半導(dǎo)體晶片/從半導(dǎo)體晶片傳導(dǎo)熱流。柔性層220必須是機(jī)械可壓縮的，以跨過不均勻的晶片和電極表面確保均勻地接觸，且防止損壞半導(dǎo)體晶片的表面(上部和/或下部)?？梢允褂玫囊恍┎牧习?，但不限于，z軸彈性體、導(dǎo)電彈性體、導(dǎo)電橡膠、金屬膜、浸漬金屬的聚合物膜、石墨盤以及形成圖形的犧牲金屬。例如，由Troutdale，Oregon的美國Toyo Tanso的制造商和分銷商稱為PERMAFOIL的石墨箔盤可以從高純度的石墨片切割。PERMA FOIL的特性包括溫度范圍-200℃到+3300℃壓縮率(垂直于表面)45％導(dǎo)熱率(平行于表面)120Kcal/m.Hr℃導(dǎo)熱率(垂直于表面)4Kcal/m.Hr℃電阻率(平行于表面)900μΩ-cm電阻率(垂直于表面)250000μΩ-cm熱膨脹吸收(平行于表面)5×10-61℃熱膨脹吸收(垂直于表面)2×10-41℃參考圖5，示出了用于根據(jù)本發(fā)明的晶片級老化的系統(tǒng)500的視圖。示出了晶片100和可選的柔性層220在老化位置。在圖3中顯示的上部接觸部分310的控制可以通過例如手動(dòng)控制器510來實(shí)現(xiàn)。例如，順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以分別使上部接觸部分310下降或者上升。在系統(tǒng)500的上部組件540和下部組件550處的電位可以通過放置在組件540和550之間的電絕緣體530實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在系統(tǒng)500上的其它位置處實(shí)現(xiàn)電絕緣。如圖5所示，下部組件550可以包括熱交換器520。
參考圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明的WLBI系統(tǒng)600的視圖，其具有配合部件用來在晶片級老化處理期間提供電能、熱能、測量和控制特征。電能可以通過電能發(fā)生器610來提供到上部615和下部620接觸組件。熱能可以通過熱耦合640來提供到上部接觸組件，熱耦合640可以放置為剛好在上部接觸板615的上面接觸，如圖6所示。溫度可以通過熱電偶650來檢測。熱電偶650可以與熱能發(fā)生器630和熱交換器660合作，以便通過熱耦合640和熱交換器660的配合維持晶片上的恒定溫度。電能可以通過電能發(fā)生器610或者其它在本領(lǐng)域中已知的電設(shè)備來維持。如圖6所示，熱交換器660可以通過液體、氣體、散熱材料或者熱控制裝置及其等價(jià)物的任何組合來提供熱控制。
參考圖7，所示的是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，WLBI系統(tǒng)700包括用于下降和上升上部接觸板705的機(jī)構(gòu)710。機(jī)構(gòu)710可以被液壓、氣缸、氣動(dòng)或者以其它方式控制。電接觸點(diǎn)720和730也如圖7所示，其上緊固來自電發(fā)生器的電纜。示出電絕緣體740的另一種可選位置位于系統(tǒng)700的底部760附近的熱交換器750的下面。
圖8示出了對于根據(jù)本發(fā)明的WLBI系統(tǒng)800有用的機(jī)械部件810、電部件820、控制部件830和測量部件840。該WIBI系統(tǒng)800已經(jīng)在VCSEL晶片的老化中成功的測試。
現(xiàn)在要描述執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的WLBI的方法。應(yīng)該理解，對于不同的半導(dǎo)體晶片可以給出步驟、時(shí)間周期、電/熱量以及其它參數(shù)方面的變形。在接下來的例子中使用VCSEL，或者確切的方法、步驟、時(shí)間周期和電/熱量不應(yīng)該構(gòu)成對本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的限制。
參考圖9，示出了顯示根據(jù)本發(fā)明的用于接收到的一批晶片的晶片級老化過程的流程圖。在老化處理前，在步驟905中應(yīng)該清潔晶片、石墨盤和接觸板。在步驟910中將VCSEL晶片和石墨盤(柔性層220)裝載到底部接觸板上以前，應(yīng)該檢查和記錄通常在晶片的外部頂部表面邊緣記下的晶片號。晶片的底部表面應(yīng)該放置在下部接觸板上，使得它面朝/接觸底部接觸板，且如果使用柔性層220，然后可以將柔性層220放置在晶片的頂部(器件側(cè))表面上。然后，在步驟915中在低接觸力(為了防止晶片損壞)下小心地封閉接觸板。然后，與接觸板電接觸的電源偏置電流設(shè)置為選定的老化設(shè)置值，且偏置電流在步驟920中勻變上升到操作水平。然后在步驟925中將例如冷卻風(fēng)扇的熱交換器，以及諸如加熱器之類的熱源開啟到它們合適的老化設(shè)置值。
一旦開始老化過程，老化啟動(dòng)信息和設(shè)置的記錄在步驟930中記錄到老化日志/表格上。在每個(gè)晶片的老化過程期間，在步驟935中監(jiān)測晶片老化電流和溫度，根據(jù)器件或者應(yīng)用，該老化過程要花幾個(gè)小時(shí)或者幾天。
在老化過程的時(shí)間周期完成以后，供給到晶片的偏置電流在步驟940中勻變地下降，且最終關(guān)閉，以及在步驟940中關(guān)閉加熱器。老化停止時(shí)間和其它可觀察的信息的記錄可以在步驟945中被記錄在信息日志上。在步驟950中通常允許冷卻晶片到小于30℃。在冷卻周期以后，熱交換器(冷卻設(shè)備，其可以包括由電源供電的風(fēng)扇)在步驟955中關(guān)閉(且由于安全和靜電放電的原因應(yīng)該關(guān)閉任何其它設(shè)備)。然后在步驟960中打開接觸板。然后在步驟965中取出晶片和柔性盤材料。然后在步驟970中清潔晶片，以去除石墨(或者其它柔性層220)顆粒，且晶片在步驟975中返回到處理批中。然后另一個(gè)VCSEL晶片可以從該批裝載到系統(tǒng)中，或者，如果該批完成了，那么該批可以前進(jìn)到下一個(gè)操作(例如，驗(yàn)證測試或者器件組裝)。
半導(dǎo)體晶片必須考慮處理靜電放電(ESD)應(yīng)該是熟知的。當(dāng)處理半導(dǎo)體晶片和器件時(shí)，總是應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)那鍧嵑蜔o靜電的設(shè)備、程序和材料。
上述過程中引用了“偏置電流的勻變上升/下降”以及在接觸板關(guān)閉期間的機(jī)械壓力?，F(xiàn)在根據(jù)那些重要的處理考慮來提供本W(wǎng)LBI處理方法的更詳細(xì)的信息。
在老化以前的初始清潔晶片期間，不起毛的紙可以放置在工作表面上。用丙酮濕潤的不起毛的棉紙可以用來擦拭導(dǎo)電石墨盤(柔性層220)，從而去除顆粒。晶片的兩側(cè)可以用空氣除塵產(chǎn)品噴射，從而輕輕地去除松散的顆粒。用丙酮濕潤的不起毛的棉紙也可以用來擦拭老化系統(tǒng)的頂部和底部接觸板，以去除顆粒，尤其是由于前面的晶片老化可能存在的任何剩余的石墨或者其它顆粒。該系統(tǒng)的接觸板和晶片區(qū)域也可以用空氣除塵產(chǎn)品噴射。
觀察需要晶片級老化的新的晶片的批號和晶片號，然后記錄在記錄表上。記錄表的一個(gè)例子在圖10中顯示。晶片號通常刻在晶片的頂部表面的邊緣。
然后，將晶片以及如果使用柔性層還包括柔性層220(即，導(dǎo)電盤材料)裝載到如圖2所示的系統(tǒng)中。在裝載期間，通常用操作鑷子來夾起晶片，且放置在底部接觸板上，使晶片平面朝上。然后，用鑷子夾起柔性層220，且放置在VCSEL的頂部上，使柔性層220的平的邊緣與晶片的平的邊緣匹配，如圖4所示。
然后，接觸板在晶片和盤上關(guān)閉。系統(tǒng)可以裝備有手動(dòng)或者自動(dòng)接觸關(guān)閉設(shè)備。這里描述的是用于關(guān)閉自動(dòng)系統(tǒng)的方法。在準(zhǔn)備關(guān)閉自動(dòng)接觸關(guān)閉設(shè)備中，上部接觸板氣缸氣壓計(jì)可以設(shè)置為10*5psi。然后啟動(dòng)與接觸板相連的“向下”按鍵，以關(guān)閉接觸板。然后，在接觸板關(guān)閉期間監(jiān)測晶片和/或石墨盤，以確保它們不經(jīng)歷移動(dòng)/滑動(dòng)。如果需要移動(dòng)，可以要求操作者開啟該板和重復(fù)步驟。
在接觸板關(guān)閉以后，操作者應(yīng)該等大約1分鐘，為了系統(tǒng)和晶片穩(wěn)定，然后，能夠由氣缸產(chǎn)生的壓力會(huì)增加，同時(shí)監(jiān)測氣壓計(jì)符合下面的順序20*5psi持續(xù)1分鐘30*5psi持續(xù)1分鐘40*5psi持續(xù)1分鐘50*5psi持續(xù)1分鐘發(fā)現(xiàn)對于VCSEL測試結(jié)果期間顯示的最終操作條件最佳為氣缸壓力計(jì)的50*5psi設(shè)置值，其相應(yīng)于跨過晶片的90psi的夾緊力。
該方法中的下一步是跨過電接觸件勻變上升偏置電流。首先，操作者應(yīng)該將電壓傳感器/伏特計(jì)的導(dǎo)線短路在一起(以防止在上電期間供給電流的沖擊)。操作者將開啟500Amp的電源。在啟動(dòng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置可以是小于3.0伏的開路電壓，短路電流為0Amp。通過電壓感測導(dǎo)線的短路，電源應(yīng)該讀數(shù)為近似0V的電壓輸出，以及近似0Amp的電流輸出。電源偏置電流可以首先設(shè)置為10Amp。然后，操作者可以去除電壓感測伏特計(jì)導(dǎo)線短路。供給輸出電壓現(xiàn)在應(yīng)該增加到1-2伏。操作者可以以下面的進(jìn)度表來手動(dòng)緩慢地勻變上升偏置電流(使用通常在電源供給設(shè)備中能找到的電流設(shè)置旋鈕)對于120Amp的晶片10Amp持續(xù)2分鐘(在感測導(dǎo)線短路去除以后)20Amp持續(xù)3分鐘40Amp持續(xù)4分鐘80Amp持續(xù)5分鐘120Amp持續(xù)最終老化設(shè)置值。
對于170Amp的晶片10Amp持續(xù)1分鐘(在感測導(dǎo)線短路去除以后)20Amp持續(xù)2分鐘40Amp持續(xù)2分鐘80Amp持續(xù)3分鐘120Amp持續(xù)3分鐘170Amp持續(xù)最終老化設(shè)置值。
對于480Amp的晶片20Amp持續(xù)1分鐘(在感測導(dǎo)線短路去除以后)40Amp持續(xù)2分鐘80Amp持續(xù)3分鐘160Amp持續(xù)4分鐘240Amp持續(xù)5分鐘320Amp持續(xù)5分鐘360Amp持續(xù)5分鐘400Amp持續(xù)5分鐘440Amp持續(xù)5分鐘480Amp持續(xù)最終老化設(shè)置值。
緩慢地勻變偏置電流是重要的，以避免過大的溫度暫態(tài)，這可以沖擊和破裂晶片。這些電流勻變速度將限制熱暫態(tài)到小于5℃/分鐘。參考通常用于不同晶片類型的老化電流的表格1。
表1

接下來，操作者應(yīng)該檢察熱電偶讀數(shù)的晶片襯底溫度。例如用于VCSEL晶片的晶片溫度，應(yīng)該從25℃朝著125℃的老化溫度穩(wěn)定地增加。然后啟動(dòng)熱交換器。如果熱交換器是散熱器結(jié)合冷卻風(fēng)扇，那么冷卻風(fēng)扇電源開關(guān)應(yīng)該開啟(如果沒有工作)，且熱監(jiān)測的溫度應(yīng)該設(shè)置為根據(jù)諸如在表格1中顯示的器件規(guī)格來控制冷卻風(fēng)扇(例如85℃或者125℃)。當(dāng)襯底溫度超過設(shè)置的控制溫度時(shí)，自動(dòng)工作的風(fēng)扇現(xiàn)在可以循環(huán)開啟/關(guān)閉，來冷卻晶片。
可以使用熱電偶讀數(shù)來檢察晶片/晶片襯底溫度。晶片溫度可以以小于5℃/分鐘的速度來穩(wěn)定地朝著指定的老化溫度增加。對于120Amp和170Amp晶片類型，操作者應(yīng)該在晶片襯底溫度超過50℃時(shí)開啟頂部板加熱電源。480Amp的晶片類型通常不要求頂部板加熱到達(dá)老化溫度。對于125℃的老化條件的晶片類型，當(dāng)晶片襯底溫度到達(dá)100℃時(shí)，用于VCSEL晶片的晶片老化可以認(rèn)為被“啟動(dòng)”，對于85℃的老化條件的晶片類型，當(dāng)晶片襯底溫度到達(dá)60℃時(shí)，用于VCSEL晶片的晶片老化可以認(rèn)為被“啟動(dòng)”。啟動(dòng)時(shí)間和其它信息的記錄可以記錄在圖10中所示的老化日志的合適空間中。
在老化啟動(dòng)期間，直到晶片襯底溫度穩(wěn)定在指定的老化溫度(例如對于VCSEL為85或者125正負(fù)5℃)，操作者應(yīng)該仔細(xì)地監(jiān)測晶片，且在整個(gè)老化期間(例如，對于VCSEL晶片為20小時(shí))應(yīng)該周期性地檢察晶片襯底溫度。冷卻風(fēng)扇應(yīng)該在溫度范圍正負(fù)5℃中循環(huán)開啟/關(guān)閉。120和170Amp晶片很少周期開啟風(fēng)扇。480Amp的晶片以近似2分鐘的間隔周期開啟/關(guān)閉風(fēng)扇。在老化期間，也應(yīng)該周期性地監(jiān)測電源電流，以核實(shí)維持的標(biāo)準(zhǔn)偏置流。也應(yīng)該周期性地監(jiān)測夾緊(接觸)力，以核實(shí)維持合適的設(shè)置值(例如，VCSEL在50*5)，以便確保在晶片上維持足夠的熱和電接觸。也可以周期性地監(jiān)測頂部接觸板加熱器，以核實(shí)維持著合適的溫度讀數(shù)。如果晶片襯底溫度超過允許的最大值(例如，對于VCSEL為135℃)，通過設(shè)置冷卻風(fēng)扇為“開啟”位置，或者如果需要，減小/關(guān)閉電源偏置電流采取立即的校正行動(dòng)。
在老化周期完成時(shí)，電流將勻變下降，且加熱器關(guān)閉。對于VCSEL，操作者將仔細(xì)地勻變下降電源偏置電流(以避免可以沖擊和破裂晶片的溫度暫態(tài))，且如下關(guān)閉頂部板加熱器對于120Amp的晶片120Amp是頂部板加熱器開啟下的老化設(shè)置值。關(guān)閉頂部板加熱器80Amp持續(xù)3分鐘40Amp持續(xù)3分鐘20Amp持續(xù)3分鐘10Amp持續(xù)3分鐘0Amp到偏置電流完全關(guān)閉。
對于170Amp的晶片170Amp是頂部板加熱器開啟下的老化設(shè)置值。關(guān)閉頂部板加熱器120Amp持續(xù)3分鐘80Amp持續(xù)3分鐘40Amp持續(xù)3分鐘20Amp持續(xù)3分鐘10Amp持續(xù)3分鐘0Amp到偏置電流完全關(guān)閉。
對于480Amp的晶片480Amp是頂部板加熱器關(guān)閉下的老化設(shè)置值。
400Amp持續(xù)3分鐘360Amp持續(xù)3分鐘320Amp持續(xù)3分鐘240Amp持續(xù)3分鐘160Amp持續(xù)3分鐘80Amp持續(xù)3分鐘
40Amp持續(xù)3分鐘20Amp持續(xù)3分鐘10Amp持續(xù)3分鐘0Amp到偏置電流完全關(guān)閉。
當(dāng)偏置電流關(guān)閉時(shí)，使電壓感測導(dǎo)線短路在一起。
該過程應(yīng)該防止電源跨過晶片和接觸板擺動(dòng)到-1.0伏。然后應(yīng)該關(guān)閉電源。然后停止的時(shí)間和日期記錄在老化日志上。停止時(shí)間可以是操作者開始老化電流勻變下降周期的時(shí)間。然后，通過施加了夾緊力，沒有偏置電流，且冷卻風(fēng)扇設(shè)置在老化設(shè)置值，允許晶片冷卻到小于80℃的襯底溫度。對于120Amp的晶片，通過冷卻風(fēng)扇設(shè)置在老化設(shè)置值，冷卻晶片到小于70℃。通常該冷卻周期將小于20分鐘。當(dāng)襯底溫度下降到小于80℃(或者對于120Amp的晶片小于70℃)時(shí)，冷卻風(fēng)扇可以轉(zhuǎn)換到“開啟”位置。該風(fēng)扇將以全速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這將加速冷卻速度(但是晶片熱暫態(tài)小于50℃/分鐘)。當(dāng)晶片襯底溫度下降到小于30℃時(shí)，冷卻風(fēng)扇可以轉(zhuǎn)換到“自動(dòng)”位置。通常，風(fēng)扇完全開啟的冷卻周期應(yīng)該小于20分鐘。
為了打開接觸板，接觸板夾緊氣壓計(jì)設(shè)置應(yīng)該以下面的順序從50psi減小到10psi50*5psi老化設(shè)置值40*5psi持續(xù)1分鐘30*5psi持續(xù)1分鐘50*5psi持續(xù)1分鐘10*5psi持續(xù)1分鐘為了開啟接觸件，操作者將啟動(dòng)接觸件“向上”開關(guān)。頂部接觸板將緩慢地開啟，操作者應(yīng)該在開啟過程期間觀察粘附或者滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的晶片和盤。如果必要，操作者可以通過用鑷子保持晶片來防止晶片滑離底部板。當(dāng)頂部接觸板停止向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，晶片和盤準(zhǔn)備好去除。晶片和盤應(yīng)該在底部板上附著在一起。在從下部接觸板去除以后(如果在晶片的兩側(cè)使用了柔性層220，在從晶片分離柔性層220以后)，應(yīng)該檢察晶片的任何破裂或者其它可見的損壞。一旦晶片上的所有信息和觀察被記錄在老化程序日志上時(shí)，通常完成了該程序。
這里描述的接觸方法是用于具有前后接觸件的電子器件。這包括例如VCSEL型激光器、其它激光器、LED、半導(dǎo)體二極管、加上其它類型的電子器件。該接觸方法最好包括兩個(gè)不同的電極，晶片的每個(gè)側(cè)面上各一個(gè)，用于施加偏置電流。柔性層220的使用可以使得在整個(gè)晶片表面以及跨過它的所有器件上接觸。
這里描述的作為柔性和/或石墨材料形成為盤，以相應(yīng)于晶片的尺寸和形狀的柔性層220可以增加到電極(接觸板)和晶片之間的晶片的一個(gè)側(cè)面、兩個(gè)側(cè)面或者兩個(gè)都不是。如上述圖4的示例所描述的，中間接觸層220是導(dǎo)電的、導(dǎo)熱的以及機(jī)械可壓縮的。
本W(wǎng)LBI系統(tǒng)可以包括目前在電子、電氣、機(jī)械、測量和控制領(lǐng)域中可用的設(shè)備，以及設(shè)計(jì)。這些包括，但不限于兩個(gè)或者多個(gè)電極，其接觸兩個(gè)晶片側(cè)面的全部表面區(qū)域，以施加偏壓和機(jī)械接觸。
兩個(gè)或者多個(gè)高度導(dǎo)電和導(dǎo)熱電極，其跨過晶片提供均勻的偏壓和溫度。
機(jī)械可壓縮的電極，以施加和去除可控制和可測量的用于接觸的機(jī)械力。
溫度控制熱交換器結(jié)構(gòu)，其由通過晶片襯底接觸件的熱通道來模擬部件封裝應(yīng)用中的熱流，以及按要求的從每個(gè)電極注入/去除熱，以重復(fù)部件封裝實(shí)施。
溫度控制熱交換器結(jié)構(gòu)，其可以通過空氣或者液體冷卻從一個(gè)電子器件晶片側(cè)面去除熱。
溫度控制熱交換器結(jié)構(gòu)，其可以通過空氣或者液體冷卻從電子器件晶片側(cè)面的任何一個(gè)或者兩個(gè)去除熱或者注入熱。
溫度控制系統(tǒng)，其將熱電偶插入電子器件晶片的每個(gè)側(cè)面上的電極中，以測量電極板溫度和利用該信號來控制熱量注入到電子器件晶片/從電子器件晶片去除。
模塊的、兩部分的、自動(dòng)、電極接觸板，其產(chǎn)生初始小的力接觸整個(gè)晶片表面，且位于電子器件晶片表面的高度，然后，第二接觸板，其產(chǎn)生大的力接觸第一接觸板的中心。樞轉(zhuǎn)界面本身校正接觸板和電子器件晶片的不平面性。
模塊、兩部分、自動(dòng)校平的電極接觸板，其在兩個(gè)部分之間具有球形表面接觸(或者其它類似的幾何表面)，以便相對于平表面接觸來說的大接觸面積和低接觸阻力。
熱交換器結(jié)構(gòu)，通過將熱引導(dǎo)到具有散熱片的大面積，將高速空氣流引導(dǎo)到散熱片區(qū)域的中心上，然后將它引導(dǎo)出散熱片到達(dá)加熱的空氣被去除的出口表面，從而該熱交換器結(jié)構(gòu)可以從電極中去除熱。
可拆卸的底座電極接觸區(qū)域，其使得可以周期性的電極替換，而不替換整個(gè)電極/熱交換器項(xiàng)目。
在電極上的表面鍍，諸如金和/或鎳鍍，以防止金屬移動(dòng)到電子器件晶片中，以防止電極氧化，且提供給晶片和/或中間接觸材料的低阻力接觸。
熱交換器結(jié)構(gòu)，其通過從接觸電極引導(dǎo)熱到恒定溫度的表面上，在恒定的溫度下維持接觸電極，諸如，但不限于從接觸電極引導(dǎo)熱到100℃的沸水容器中。對于給定的來自電子器件晶片的熱流，以及給定熱引導(dǎo)尺寸，可以相對于恒定溫度表面維持恒定的δ溫度。
熱交換器結(jié)構(gòu)，其通過蒸發(fā)液體，包括，但不限于加熱水的熱量以去除來自電極的熱，通過自動(dòng)液體高度監(jiān)測器來補(bǔ)充液體。
熱交換器結(jié)構(gòu)，其通過調(diào)節(jié)熱引導(dǎo)尺寸以調(diào)節(jié)熱阻來調(diào)節(jié)接觸電極溫度。該調(diào)節(jié)包括，但不限于，可調(diào)節(jié)的螺釘插入到熱引導(dǎo)件中的帶螺紋的孔中，其改變熱引導(dǎo)截面積和有效熱阻。
接觸電極之間的電偏壓連接，以及偏壓源，其提供具有足夠電特性和熱特性的電接觸，以避免由電損耗產(chǎn)生過度的熱，且通過從電極進(jìn)入偏壓源的熱流來防止損壞偏壓源。該連接包括，但不限于，低電阻的金屬BUS桿或者纜線，通過桿/纜線的空氣或者液體冷卻以去除沿桿/纜線向下流的熱。
和/或上述各項(xiàng)的任何組合。
下面的描述將集中考慮VCSEL晶片的老化，但是原理可以應(yīng)用到其它半導(dǎo)體晶片。VCSEL晶片產(chǎn)品通常是3英寸直徑的圓形(具有2.9英寸直徑的平面)的砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體晶片，通常0.008-0.014英寸厚。晶片在項(xiàng)部側(cè)用金屬化圖形處理，且在底部側(cè)全部表面金屬化。該晶片級老化過程是通電的老化，通常供給20mA的直流電流，對于一些產(chǎn)品為5-20mA直流電流，限流的，對晶片上的每個(gè)器件具有約2伏，通常在125℃，對于一些產(chǎn)品85-150℃，控制在+/-5℃，在周圍大氣環(huán)境下通常持續(xù)20小時(shí)。每個(gè)晶片(根據(jù)器件類型)具有24K-58K個(gè)器件，對于整個(gè)老化電源電流要求為120-1200Amps，供給電壓的范圍為0-5伏。
典型的VCSEL晶片功率消耗從200瓦到2000瓦，其取決于器件數(shù)量/晶片和偏置電流/器件。本發(fā)明的老化系統(tǒng)提供金屬電極，其在受控壓力(可調(diào)節(jié)的10-100psi力，可控制到+/-5psi)下夾緊到晶片的兩個(gè)側(cè)面，打開時(shí)用于裝載/卸載。幾乎匹配VCSEL晶片表面形狀，且目前已知為大約0.015英寸厚的石墨箔(即，柔性層220)可以在VCSEL晶片的形成圖形的頂側(cè)插入，以提供導(dǎo)電和導(dǎo)熱的緩沖層。在老化期間，由石墨箔和晶片的組合產(chǎn)生大量的熱，必須由老化系統(tǒng)來熱處理，以維持預(yù)定的晶片底部側(cè)溫度?？諝夂?或液體冷卻對于處理熱負(fù)荷是有用的。
本發(fā)明人開發(fā)了一種晶片級老化系統(tǒng)，其通過空氣冷卻，且對于1200瓦來說維持125℃的晶片溫度，在140℃晶片溫度下控制達(dá)到1400瓦。最大功率消耗的目標(biāo)性能是在1600瓦功率消耗下維持125℃的晶片溫度。該WLBI系統(tǒng)利用氣缸夾具來在晶片上施加達(dá)到700磅的力。熱電偶將晶片襯底溫度提供到控制箱，其打開/關(guān)閉冷卻風(fēng)扇以維持在底部接觸板的中心處的目標(biāo)溫度+/-5℃?？邕^底部銅板的溫度曲線在邊緣處從中心讀數(shù)下降了大約10℃。熱通路通常通過底部銅接觸板向下進(jìn)入具有冷卻葉片的大的銅散熱器，空氣通過該冷卻葉片推動(dòng)。利用具有600cfm容量的推進(jìn)葉片。輔助加熱器連接到頂部接觸板，以為低電流晶片產(chǎn)品注入熱量。
用來實(shí)現(xiàn)VCSEL晶片老化的系統(tǒng)應(yīng)該均勻地施加壓力接觸給晶片，其可以調(diào)節(jié)到在3英寸直徑的晶片上的10-100psi的目標(biāo)。這相應(yīng)于在3英寸直徑的晶片上的總磅數(shù)為70-700的夾持力。該壓力應(yīng)該控制到+/-5psi。在20小時(shí)老化期間在0-5伏范圍內(nèi)的可調(diào)節(jié)的120-1200Amps的直流電流被施加到晶片和形成在晶片上的器件。應(yīng)該將電壓控制在+/-1％內(nèi)。
在20小時(shí)老化期間，將消耗達(dá)到2000瓦的熱來將例如3英寸直徑的晶片上的晶片溫度控制到85-150℃范圍的目標(biāo)，溫度誤差為+/-5℃。在老化啟動(dòng)/完成期間，接觸壓力、偏置電流/電壓，以及晶片溫度加熱/冷卻應(yīng)該以受控和可調(diào)節(jié)的方式勻變上升/下降。應(yīng)該監(jiān)測跨過晶片接觸板的接觸壓力、偏置電流、偏壓，以及在老化和勻變上升和勻變下降期間的晶片(底部接觸板)溫度，且把數(shù)據(jù)存入日志。
選擇用于WLBI系統(tǒng)的機(jī)器部件的材料類型可以包括鋁和銅，以及其它材料類型。支撐加工的部件最好是鋁，所有全高電流通路的材料最好是具有金/鎳鍍附的接觸件的銅，以阻止銅移動(dòng)進(jìn)入砷化鎵VCSEL晶片，以及防止銅氧化和寄生電阻/熱的產(chǎn)生。
頂部/底部接觸板(210和215)應(yīng)該最好自身平整度大約0.003英寸。石墨盤(柔性層220)可以壓縮到大約0.003英寸，以彌補(bǔ)一些晶片/板的對應(yīng)的變化。該系統(tǒng)應(yīng)該能夠連續(xù)工作持續(xù)20小時(shí)的VCSEL的老化。該系統(tǒng)的使用可以假設(shè)為超過每星期6天，其中4小時(shí)裝載/卸載的操作。
VCSEL晶片最好應(yīng)該以受控的壓力接觸、受控的偏置電流以及受控的溫度來進(jìn)行持續(xù)受控時(shí)間周期的老化，而沒有晶片損壞。勻變上升和勻變下降過程應(yīng)該是可以控制的。接觸板區(qū)域應(yīng)該最好是平的、光滑的以及清潔的，以防止會(huì)引起晶片損壞的不規(guī)則表面。具有傳感器設(shè)備的基于PC的日志記錄系統(tǒng)可以用來自動(dòng)監(jiān)測和提供定期的讀數(shù)。在勻變上升和勻變下降期間，基于PC的系統(tǒng)可以每分鐘監(jiān)測接觸壓力、偏置電流、接觸板偏壓、底部接觸板溫度、頂部接觸板溫度和日志數(shù)據(jù)，然后，在20小時(shí)的老化周期期間，每5分鐘監(jiān)測一次。每個(gè)系統(tǒng)/晶片的老化批的數(shù)據(jù)日志可以以數(shù)據(jù)文件提供，該數(shù)據(jù)文件可以上載到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器位置。
為了監(jiān)測，電源可以被校準(zhǔn)，且可以提供有關(guān)偏置電流的信號。伏特計(jì)可以測量接觸板偏壓。熱電偶可以插入上部/下部接觸板來測量溫度。
溫度過高警報(bào)應(yīng)該觸發(fā)偏置電流電源的關(guān)閉，這將去除熱產(chǎn)生源。如果出現(xiàn)系統(tǒng)氣壓的損耗，那么將損失晶片接觸力，這將觸發(fā)系統(tǒng)警報(bào)。不間斷電源(UPS)應(yīng)該用來支持輔助的110V交流控制電子裝置，以在損耗110V交流功率的情況下保護(hù)系統(tǒng)。如果出現(xiàn)三相電源的失去，系統(tǒng)警報(bào)觸發(fā)，使得可以采取補(bǔ)救措施來挽救晶片和系統(tǒng)。
PC控制的且自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的日志系統(tǒng)中使用的軟件可以同時(shí)控制和監(jiān)測幾個(gè)WLBI系統(tǒng)；最好，數(shù)據(jù)日志文件可以上載到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的位置，且用微軟兼容的軟件(例如，Excel等)可以察看。諸如以太網(wǎng)之類的網(wǎng)絡(luò)接口可以提供必要的網(wǎng)絡(luò)鏈接和遠(yuǎn)程指令控制。
每個(gè)WLBI系統(tǒng)應(yīng)該最好使用三相208V交流20Amps來用作電源，單相110V交流20Amps用于控制箱電子裝置。
在晶片處理期間，系統(tǒng)應(yīng)該為操作者設(shè)置靜電放電(ESD)保護(hù)連接。晶片連接板應(yīng)該電連接到電源終端，以防止ESD。
本發(fā)明的老化過程已經(jīng)在測試中顯示為通過在升高的溫度和持續(xù)固定時(shí)間的直流電流下操作基于晶片的器件來“穩(wěn)定”VCSEL性能。在125℃的溫度、20mA的電流和20小時(shí)的持續(xù)時(shí)間下已經(jīng)成功地測試了部件的老化。在單個(gè)部件從老化晶片中取出以后建立，以及在14小時(shí)“工作”的老化期間追蹤每個(gè)器件的光強(qiáng)度輸出的變化以后，基于晶片測試的部件失被證實(shí)為“穩(wěn)定”。
在測試期間，要求WLBI系統(tǒng)對“管芯收縮”的晶片進(jìn)行處理，對于1600瓦的總功率消耗來說這些晶片具有50K個(gè)管芯/晶片，1.6V正向壓降，20mA/管芯從而獲得1000Amps/晶片。該晶片VF×IF功率消耗成為熱發(fā)生器，以使得晶片達(dá)到125℃。然后，系統(tǒng)必須以受控的方式去除熱量，以維持125℃。本發(fā)明顯示為可以工作在整體1000Amps的能力，具有達(dá)到2100瓦的消耗能力。用來檢驗(yàn)合適的δPO(光功率輸出)的穩(wěn)定性的整個(gè)晶片的WLBI測試確定幾個(gè)有趣的效果。質(zhì)子和氧化物VCSEL表現(xiàn)不同，導(dǎo)致對電流流過晶片的方式的理解增加。驗(yàn)證了WLBI大致接近由部件老化過程獲得的穩(wěn)定性。通過本發(fā)明的教義，WLBI對于870Amp陣列的VCSEL產(chǎn)品是可以實(shí)現(xiàn)的，且可以適用于其它在晶片的前面、后面或者其它表面具有電接觸點(diǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品(例如，LED)。
可以利用幾個(gè)熱交換器的設(shè)計(jì)來提供正在用本發(fā)明進(jìn)行老化的晶片的熱管理?，F(xiàn)在討論這些不同的熱管理選擇。
圖11示出了散熱器的頂部和側(cè)視圖，其可以用作熱交換器225，用于輔助冷卻下部接觸板215，以及最終受到測試的晶片100。參考圖11，示出了用于從系統(tǒng)的下部接觸板215吸取熱的散熱器900的頂部視圖1110和側(cè)視圖1120。散熱器900放置在如大多數(shù)圖中所示的熱交換器的位置中，尤其是圖2(標(biāo)號225)、3和5(標(biāo)號520)。散熱器可以由銅制成，且利用安裝孔來機(jī)械地將其固定到接觸板和系統(tǒng)框架。散熱器形成為使得散熱部分提供足夠的表面積，使其通風(fēng)，以冷卻和最終冷卻接觸板。風(fēng)扇(沒有顯示)可以直接放置在指向散熱部分的散熱器下面，以有利于冷卻。也可以允許液體(沒有顯示)來通過散熱部分循環(huán)，以輔助冷卻。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的WLBI系統(tǒng)下部組件1200的透視圖，其中，散熱器900使用電絕緣的玻璃纖維安裝件1220來安裝到鋁的底部1210。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到還可以使用其它材料。
圖13示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，液體可以用于冷卻系統(tǒng)的下部接觸部分。參考圖13，WLBI系統(tǒng)1300通常顯示為具有液體冷卻的熱交換器1305，用于冷卻銅卡盤1310。通過所示的系統(tǒng)1300，水(或者其它冷卻劑)從水源1315遠(yuǎn)距離供給到液體冷卻劑容器1305。銅卡盤1310通過細(xì)長的銅熱導(dǎo)體1325與冷卻劑熱連通。在冷卻操作期間，允許冷卻劑通過端口1330蒸發(fā)。由于需要更多的冷卻劑來冷卻銅卡盤1310，所以通過液體管線1335增加新的冷卻劑到容器1305。
使用具有例如3.17英寸直徑的銅熱導(dǎo)體1325作為熱導(dǎo)體，沸水高度位置需要在熱載荷為1000W的卡盤1310的表面下面2.0英寸；對于2000W，沸水高度位置需要是在卡盤1310的表面下面1.0英寸。如果沸水表面很靠近卡盤1310的頂部，那么可以使用較低的熱傳導(dǎo)率的材料。
銅熱導(dǎo)體1325必須總是延伸到沸水中。大約8.04cm(3.17英寸)的直徑和大約10cm(4.0英寸)高的熱導(dǎo)體/卡盤圓柱可能是最佳的。熱導(dǎo)體1325和卡盤面可以都是8.04cm(3.17英寸)的直徑。
圖14示出了類似于在圖13中描述的系統(tǒng)的液體冷卻系統(tǒng)的另一個(gè)側(cè)面透視圖，其中，通過在圖14中顯示的系統(tǒng)，可以使用預(yù)熱元件1410來控制液體溫度；圖15示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，底部接觸板組件1510具有形成其中的孔1520或者其它凹槽，以允許熱傳感器精確地測量由下部接觸板1510支撐的晶片中心最近的接觸板1510中心附近的板的溫度。圖15還示出了一種機(jī)構(gòu)，用于通過銅管1530或者其它輸入端口將液體冷卻劑直接提供到下部接觸板1510的底部1540上；圖16示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，其中，上部接觸板1610包含在外殼1620中。上部板高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1630設(shè)置為壓平接觸板1610。下部接觸板不再作為單獨(dú)單元顯示，替代的，作為熱交換單元1640的一部分一體形成顯示。在操作期間，供給到熱交換單元1640的液體冷卻劑通過輸入端口1650提供，且允許噴射到接觸板/熱交換器1660的下表面，如圖16所示。
圖17示出了與晶片，以及如果使用導(dǎo)電層1705還有導(dǎo)電層1705(類似于柔性層220)接觸的上部接觸板1710和下部接觸板1720的另一個(gè)側(cè)面透視圖，其中，冷卻劑和/或加熱液體提供到上下接觸板組件的腔/容器1730中。
圖18示出了系統(tǒng)1800的另一個(gè)側(cè)面透視圖，其中，上部接觸板1810和下部接觸板1820接觸晶片，以及如果使用接觸導(dǎo)電層1805還包括導(dǎo)電層1805(類似于柔性層220)。在這樣的情況下，冷卻劑和/或加熱液體提供到圍繞與上部接觸板1810和下部接觸板1820相連的軸纏繞的螺旋管/管道1830，以及通過螺旋管/管道1830提供到組件。上部接觸板1810和下部接觸板1820顯示為鍍Ni-Au的銅。還是如圖18所示的半球形接觸件1840，其設(shè)置為相對于老化處理的晶片1805來提供調(diào)節(jié)上部板1810的高度和均勻的壓力。
這里提出的實(shí)施例和例子表示為最好地說明本發(fā)明和它的實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可以進(jìn)行和利用本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，前面的說明和例子只是為了示例和例子而表現(xiàn)的。本發(fā)明的其它變化和改進(jìn)對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會(huì)明顯，且就是后附的權(quán)利要求書的目的可以覆蓋這樣的變化和改進(jìn)。這里提出的說明不是意在窮舉或者限制本發(fā)明的范圍。在不偏離下面的權(quán)利要求書的范圍情況下根據(jù)上述教義可以進(jìn)行很多改進(jìn)和變化。期望本發(fā)明的使用可以包括具有不同特性的部件。本發(fā)明的范圍意在由后附的權(quán)利要求書限定，給出對在各方面的等價(jià)物的全面的認(rèn)識。
權(quán)利要求
1.一種晶片級老化的方法，其包括的步驟為(a)使用下部接觸板來施加電和機(jī)械接觸到半導(dǎo)體晶片的襯底表面(910)；(b)使用上部接觸板來施加電和機(jī)械接觸到與由所述半導(dǎo)體晶片承載的半導(dǎo)體器件相連的單個(gè)接觸件(920)；(c)從連接到所述第一和第二接觸板的電源通過所述上下第二接觸板提供電能(920)到所述半導(dǎo)體器件；(d)監(jiān)測和控制(935)給所述半導(dǎo)體器件的電能一段根據(jù)特定的老化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的時(shí)間；(e)當(dāng)所述一段時(shí)間完成時(shí)去掉電能(955)；以及(f)從所述半導(dǎo)體晶片去除電和機(jī)械接觸(965)。
2.如權(quán)利要求1的方法，還包括通過進(jìn)一步提供熱交換器機(jī)構(gòu)給所述上部接觸板或所述下部接觸板中的至少一個(gè)來監(jiān)測和控制在所述半導(dǎo)體晶片處產(chǎn)生的熱能的步驟。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于通過將液體冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部接觸板或所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
4.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于通過將空氣冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部接觸板或所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
5.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于通過將散熱器冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部接觸板或所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
6.如權(quán)利要求1的方法，還包括在下面中的至少一個(gè)之間提供導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料(910)所述上部接觸板和所述半導(dǎo)體器件；以及所述下部接觸板和所述襯底；其中，所述導(dǎo)體材料提供所述半導(dǎo)體器件以改進(jìn)的電、機(jī)械和熱接觸。
7.如權(quán)利要求1的方法，還包括允許所述半導(dǎo)體晶片在步驟(f)以前處于室溫(960)的步驟。
8.如權(quán)利要求1的方法，還包括在根據(jù)所述特定老化標(biāo)準(zhǔn)的步驟(c)和(d)期間提供熱控制(950)到所述半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體晶片的步驟。
9.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于通過將液體冷卻劑(950)應(yīng)用到所述第一或者所述第二接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
10.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于通過將散熱器冷卻劑(950)應(yīng)用到所述第一或者所述第二接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
11.如權(quán)利要求8的方法，其特征在于通過監(jiān)測所述上部接觸板和所述下部接觸板中的至少一個(gè)的熱能(935)來提供所述熱控制。
12.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于使用與所述上部接觸板和所述下部接觸板中的至少一個(gè)進(jìn)行熱接觸的熱電偶來執(zhí)行所述監(jiān)測(935)。
13.一種晶片級老化的方法，其包括的步驟為(a)使用下部接觸板(910)來將電和機(jī)械接觸施加給半導(dǎo)體晶片的襯底表面；(b)使用上部接觸板(915)來將電和機(jī)械接觸施加給用于由所述半導(dǎo)體晶片承載的半導(dǎo)體器件的單個(gè)接觸件；(c)從連接到所述上部和下部接觸板的電源通過所述上下第二接觸板將電能提供給所述半導(dǎo)體器件(920)；(d)監(jiān)測和控制給所述半導(dǎo)體器件的電能(925)一段根據(jù)特定的老化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的時(shí)間；(e)通過進(jìn)一步提供熱交換器機(jī)構(gòu)給所述上部或者下部接觸板中的至少一個(gè)，監(jiān)測和控制在所述半導(dǎo)體晶片處產(chǎn)生的熱能(935)；(f)當(dāng)所述一段時(shí)間完成時(shí)去掉電源(935)；以及(g)去除給所述半導(dǎo)體晶片的電和機(jī)械接觸(965)。
14.如權(quán)利要求13的方法，其特征在于通過監(jiān)測所述上部接觸板或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)的熱能(935)來提供所述熱控制。
15.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于使用與所述上部接觸板和所述下部接觸板中的至少一個(gè)進(jìn)行熱接觸的熱電偶來執(zhí)行所述監(jiān)測(935)。
16.如權(quán)利要求15的方法，其特征在于通過將液體冷卻劑機(jī)構(gòu)(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
17.如權(quán)利要求15的方法，其特征在于通過將空氣冷卻劑機(jī)構(gòu)(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
18.如權(quán)利要求15的方法，其特征在于通過將散熱器冷卻劑機(jī)構(gòu)(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制。
19.如權(quán)利要求13的方法，還包括在步驟(b)以前在所述上部接觸板和所述半導(dǎo)體器件之間提供柔性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料(910)。
20.如權(quán)利要求13的方法，還包括在步驟(a)以前在所述下部接觸板和所述襯底之間提供柔性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料(910)。
21.如權(quán)利要求13的方法，還包括允許所述半導(dǎo)體晶片在步驟(f)以前處于室溫(960)的步驟。
22.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于使用與所述上部接觸板和所述下部接觸板中的至少一個(gè)進(jìn)行熱接觸的熱電偶來執(zhí)行所述監(jiān)測(925)。
23.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于通過將液體冷卻劑裝置應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制(950)。
24.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于通過將空氣冷卻劑裝置應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制(950)。
25.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于通過將散熱器冷卻劑裝置應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供所述熱控制(950)。
26.一種用于向承載至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(110)且具有下表面(105)和上表面(107)的半導(dǎo)體晶片(100)提供晶片級老化處理的方法，所述上表面(110)進(jìn)一步包括用于由所述晶片承載的所述半導(dǎo)體器件的電接觸件(110)，所述下表面(105)進(jìn)一步包括用于所述半導(dǎo)體器件的共同接觸件(105)，該方法包括的步驟為(a)提供晶片級老化系統(tǒng)，其包括下部接觸板、上部接觸板、電源和熱能控制器；(b)將所述半導(dǎo)體晶片(905)擱置在晶片級老化系統(tǒng)的下部接觸板上，使得所述下部接觸板和所述半導(dǎo)體晶片的下表面之間電接觸(910)；(c)朝著擱置在所述下部接觸板處的所述半導(dǎo)體晶片關(guān)閉所述上部接觸板(915)，直到獲得與所述晶片的上表面機(jī)械和電接觸；(d)從所述電源施加電能(920)到所述上部接觸板和所述下部接觸板，其中，然后使得電流可以通過包括用于半導(dǎo)體器件的電接觸件的所述上表面從所述上部接觸板流到所述下部接觸板，通過所述下表面；(e)從所述熱能控制器施加熱能水平(925)到所述半導(dǎo)體晶片，其中，熱能從所述熱能控制器通過所述接觸板中的至少一個(gè)施加到所述半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體晶片；(f)在特定的老化期間，監(jiān)測所述半導(dǎo)體晶片的晶片級老化(925)；(g)當(dāng)完成所述老化周期時(shí)，去除電壓和熱能(955)；(h)允許所述半導(dǎo)體晶片冷卻(955)；(i)遠(yuǎn)離所述半導(dǎo)體晶片(960)地打開所述上部接觸板；以及(j)從所述晶片級老化系統(tǒng)去除所述半導(dǎo)體晶片(965)。
27.如權(quán)利要求26的方法，還包括，在步驟(c)以前在所述半導(dǎo)體器件的所述上表面和所述上部接觸板之間放置柔性接觸材料，其中，所述柔性接觸材料有利于通過所述半導(dǎo)體晶片和由所述半導(dǎo)體晶片承載的所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)熱和導(dǎo)電，當(dāng)所述上部接觸板朝著所述半導(dǎo)體晶片的所述上表面關(guān)閉時(shí)，所述柔性接觸材料最小化由所述下部或者所述上部接觸板施加的壓力對所述半導(dǎo)體晶片和所述半導(dǎo)體器件的損壞。
28.如權(quán)利要求26的方法，還包括，在步驟(b)以前在所述下部接觸板和所述半導(dǎo)體器件的所述下表面之間放置柔性接觸材料，其中，所述柔性接觸材料有利于通過所述半導(dǎo)體晶片和由所述半導(dǎo)體晶片承載的所述半導(dǎo)體器件導(dǎo)熱和導(dǎo)電，當(dāng)所述上部接觸板朝著所述半導(dǎo)體晶片的所述上表面關(guān)閉時(shí)，所述柔性接觸材料最小化由所述下部或者所述上部接觸板施加的壓力對所述半導(dǎo)體晶片和所述半導(dǎo)體器件的損壞。
29.如權(quán)利要求26的方法，其特征在于所述晶片級老化的所述監(jiān)測包括在所述半導(dǎo)體晶片處監(jiān)測熱能(925)的步驟，其中，使用與所述上部接觸板和所述下部接觸板中的至少一個(gè)進(jìn)行熱接觸的熱電偶來執(zhí)行所述熱能監(jiān)測。
30.如權(quán)利要求29的方法，其特征在于所述熱能控制器通過將液體冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供熱控制。
31.如權(quán)利要求29的方法，其特征在于所述熱能控制器通過將空氣冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供熱控制。
32.如權(quán)利要求29的方法，其特征在于所述熱能控制器通過將散熱器冷卻劑(950)應(yīng)用到所述上部或者所述下部接觸板中的至少一個(gè)來提供熱控制。
全文摘要
描述了執(zhí)行半導(dǎo)體器件的晶片級老化(WLBI)的方法，其中，系統(tǒng)設(shè)置為具有至少兩個(gè)電極(210、215)。電偏壓(920)和/或熱功率(925)施加在具有用于由晶片承載的半導(dǎo)體器件的前后電接觸件的晶片(100)的每個(gè)側(cè)面上。柔性導(dǎo)電層(910)描述為用于用電接觸件來供給晶片的器件側(cè)面上的引腳，和/或還用于保護(hù)晶片不受到施加到其表面上的機(jī)械壓力。還描述了使用冷卻系統(tǒng)(950)來使得可以施加均勻的溫度到受到老化的晶片。晶片級老化這樣執(zhí)行，即，通過使用上部接觸板來將電和機(jī)械接觸(915)施加到用于半導(dǎo)體器件的單個(gè)接觸件；使用下部接觸板(910)來將電和機(jī)械接觸施加到所述半導(dǎo)體晶片的襯底表面；從連接到所述上下接觸板的電源通過所述上下第二接觸板來給所述半導(dǎo)體器件提供電能(920)；根據(jù)特定的老化標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測和控制給所述半導(dǎo)體器件的電能(935)一段時(shí)間；在所述一段時(shí)間(955)完成時(shí)去除電能；以及去除到給述半導(dǎo)體晶片的電和機(jī)械接觸(965)。
文檔編號H01S5/042GK1568433SQ02820299
公開日2005年1月19日 申請日期2002年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月13日
發(fā)明者M·J·哈吉-謝克, J·R·比亞爾, R·M·豪金斯, S·拉比諾維奇, J·K·岡特 申請人:霍尼韋爾國際公司