JP2007178218A - 熱抵抗計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱抵抗や接触熱抵抗などの熱特性を計測するとともに接触電気抵抗やバルク電気抵抗などの電気特性を簡易に高精度に計測することのできる熱抵抗計測装置を提供する。
【解決手段】熱抵抗計測装置は、被測定体を挟持する加熱側ロッドと冷却側ロッドとを備え、上記加熱側ロッド側から熱を流入し、上記冷却側ロッドから熱を流出して上記被測定体の熱抵抗を計測する熱抵抗計測装置において、上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドにそれぞれ接続するプラス電圧計測端子およびマイナス電圧計測端子と、上記プラス電圧計測端子および上記マイナス電圧計測端子が接続される位置より上記被測定体から離れる上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドの位置にそれぞれ接続される電流入力端子および電流出力端子と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定体の熱抵抗を計測する熱抵抗計測装置に関するものである。

従来の熱抵抗計測装置は、被測定体をその間に挟持する加熱側ロッドおよび冷却側ロッドを備え、加熱側ロッドの被測定体と接触しない側から熱を流入させ、加熱側ロッド、被測定体および冷却側ロッドを通して熱を流し、冷却側ロッドの被測定体と接触しない側から熱を流出させ、両ロッド内の温度勾配を測定することにより被測定体に流入される熱量を算出し、算出した熱量と被測定体の温度勾配から被測定体の熱伝導率またはロッドと被測定体との間の接触熱抵抗を計測する（例えば、非特許文献１参照）。
また、圧接型半導体モジュールのチップとチップに圧接される電極との間の接触電気抵抗や接触熱抵抗は、実際にチップをモジュールに実装したものを測定して評価している（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６０−１５０６３５号公報 Ｌ．Ｓ．Ｆｌｅｔｈｅｒ、「Ｔｈｅｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ Ｍｅｔａｌｉｃ Ｓｈｅｅｔｓ」、ＡＩＡＡ２６ｔｈ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９９１、Ｊｕｎｅ

しかし、従来の熱抵抗計測装置では、熱抵抗や接触熱抵抗と同時に電気抵抗や接触電気抵抗を高精度に測定できない。
また、実際にチップをモジュールに実装したものを測定する方法を採用した場合、モジュールの実装形態が決まらないと評価できないという問題がある。
また、高精度に定量的に温度計測するため熱電対を被測定体に埋めなければならないし、且つ、高精度に定量的に圧力計測するためロードセルを利用しなければならないので、モジュールの形態でこれらを実施することは困難である。
また、圧力依存性を評価するためにはバネなどを交換して再度組み立て直す必要がある。

この発明の目的は、熱抵抗や接触熱抵抗などの熱特性を計測するとともに接触電気抵抗やバルク電気抵抗などの電気特性を簡易に高精度に計測することのできる熱抵抗計測装置を提供することである。

この発明に係わる熱抵抗計測装置は、被測定体を挟持する加熱側ロッドと冷却側ロッドとを備え、上記加熱側ロッド側から熱を流入し、上記冷却側ロッドから熱を流出して上記被測定体の熱抵抗を計測する熱抵抗計測装置において、上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドにそれぞれ接続するプラス電圧計測端子およびマイナス電圧計測端子と、上記プラス電圧計測端子および上記マイナス電圧計測端子が接続される位置より上記被測定体から離れる上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドの位置にそれぞれ接続される電流入力端子および電流出力端子と、を備える。

この発明に係わる熱抵抗計測装置の効果は、被測定体を両側から挟持する加熱側ロッドと冷却側ロッドとにおける温度勾配から外挿して被測定体の両面の温度を求め、それに基づいて被測定体と加熱側ロッドの間および被測定体と冷却側ロッドの間の接触熱抵抗を計測することができるとともに、加熱側ロッドおよび冷却側ロッドに４端子法の電流端子と電圧端子とを設けて、被測定体と加熱側ロッドの間および被測定体と冷却側ロッドの間の接触電気抵抗も合わせて計測することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置の構成図である。図２は、図１の加熱側ブロックのＡ−Ａ断面での横断面図である。図３は、図２の加熱側ブロック、冷却側ブロックのＢ−Ｂ断面での縦断面図である。図４は、熱抵抗計測装置を用いる電気計測回路図である。
この発明の実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置１は、図１に示すように、真空容器２の内に格納されており、この真空容器２には、熱抵抗計測装置１に供給する電源の図示しない電線、水の配管３、各種熱電対４、５からの図示しない信号線、電圧計測のための図示しない信号線、ロードセル６からの図示しない信号線が経由するためのフランジ７が設けられている。また、真空容器２には、内部を真空状態にするための排気孔８が設けられている。

実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置１は、真空容器２の底に配設される保持部材１０の支え台１０ａ、保持部材１０の支え台１０ａ上に冷却ブロック１１、冷却ブロック１１上に冷却側ブロック１２、冷却側ブロック１２の上に被測定体１３、被測定体１３上に加熱側ブロック１４、加熱側ブロック１４上に加熱ブロック１５、加熱ブロック１５上に断熱板１６、断熱板１６上に冷却板１７、冷却板１７上にロードセル６を備える。

保持部材１０は、支え台１０ａから上方に縦立する柱１０ｂ、柱１０ｂの上方先端から水平方向に延びるアーム１０ｃ、アーム１０ｃの途中の位置から下方に張り出す加圧部材１０ｄ、アーム１０ｃの先端に錘１８を保持する錘保持部材１０ｅから構成されている。 この保持部材１０において、錘１８の重量を梃子の原理により支え台１０ａと加圧部材１０ｄの間に挟まれるものに荷重が加えられる。そして、錘１８の重量を変えることにより、荷重を変えて計測することができる。

冷却ブロック１１には、真空容器２の外部から内側に配管される配管３が接続され、配管３内に水を流すことにより冷却ブロック１１から熱を外部に逃がすことができる。
冷却板１７には、真空容器２の外部から内側に配管される配管３が接続され、配管３内に水を流すことにより冷却板１７から熱を外部に逃がすことができる。
断熱板１６は、加熱ブロック１５から冷却板１７方向に流れる熱を断熱して、冷却板１７に流れ込む熱を減少させる。
加熱ブロック１５には、加熱ヒータ１９が内部に挿入され、加熱ヒータ１９で発熱される熱が加熱ブロック１５を伝導して加熱側ブロック１４に流入される。
ロードセル６は、加わる荷重を計測して外部に圧力信号を出力する。

次に、加熱側ブロック１４について図２、図３を参照して説明する。
加熱側ブロック１４は、円柱状の加熱側ロッド２１、加熱側ロッド２１を内包する円筒状の加熱側断熱シリンダ２２、加熱側ロッド２１と加熱側断熱シリンダ２２の間の隙間の周方向に略一周する金属片２３、金属片２３と加熱側断熱シリンダ２２の間に金属片２３に固定される補償ヒータ２４を備える。
加熱側断熱シリンダ２２には、径方向に開口する孔２５、孔２５と同一の断面上で孔２５と異なる位置から径方向に開口する孔２７が設けられている。
加熱側ブロック１４は、孔２５を貫通し、接合部が加熱側ロッド２１の側面に固定されている主熱電対５、孔２７を貫通し、接合部が金属片２３の外側面に固定されている補償ヒータ用熱電対４、補償ヒータ２４に電力を給電する給電線２９を備える。

そして、加熱側ブロック１４には、図３に示すように、金属片２３、補償ヒータ２４、主熱電対５、補償ヒータ用熱電対４が１組として、加熱側ロッド２１の軸方向に側面に沿って６組が配設されている。なお、孔２５、２７は該当する位置にそれぞれ設けられている。この１組内の金属片２３、補償ヒータ２４、主熱電対５、補償ヒータ用熱電対４は、加熱側ロッド２１の軸に対して垂直な平面内に配置されている。補償ヒータ２４は、補償ヒータ用熱電対４により計測される金属片２３の温度が主熱電対５により計測される加熱側ロッド２１のその平面内の温度と等しくなるように制御される。そして、加熱側ロッド２１の側面と金属片２３の間に温度差がないので、加熱側ロッド２１から径方向に、すなわち加熱側断熱シリンダ２２を経由して外部に熱が伝導することを防止できる。その結果、加熱ブロック１５から加熱側ロッド２１に流れ込んだ熱は、加熱側ロッド２１の軸方向だけに伝導する。

また、加熱側断熱シリンダ２２の軸方向の上部、すなわち加熱ブロック１５に近い位置に径方向に孔３１が設けられ、また、加熱側断熱シリンダ２２の軸方向の下部、すなわち被測定体１３に近い位置に径方向に孔３２が設けられている。
そして、加熱側ブロック１４は、孔３１内に配設され、加熱側ロッド２１の側面に一端が接続された電流入力端子３３、孔３２内に配設され、加熱側ロッド２１の側面に一端が接続されたプラス電圧計測端子３４を備える。
なお、電流入力端子３３、プラス電圧計測端子３４は、ロウ付け等によって加熱側ロッド２１に接合することが好ましい。

次に、冷却側ブロック１２について図３を参照して説明する。
冷却側ブロック１２は、円柱状の冷却側ロッド４１、冷却側ロッド４１を内包する円筒状の冷却側断熱シリンダ４２、冷却側ロッド４１と冷却側断熱シリンダ４２の間の隙間の周方向に略一周する金属片２３、金属片２３と冷却側断熱シリンダ４２の間に金属片２３に固定される補償ヒータ２４を備える。
冷却側断熱シリンダ４２には、径方向に開口する孔４５、孔４５と同一断面上で孔４５と異なる位置から径方向に開口する孔４７が設けられている。
冷却側ブロック１２は、孔４５を貫通し、接合部が冷却側ロッド４１の側面に固定されている主熱電対５、孔４７を貫通し、接合部が金属片２３の外側面に固定されている補償ヒータ用熱電対４、孔４５を貫通し、補償ヒータ２４に電力を給電する給電線２９を備える。

そして、冷却側ブロック１２には、図３に示すように、金属片２３、補償ヒータ２４、主熱電対５、補償ヒータ用熱電対４を１組として、冷却側ロッド４１の軸方向に側面に沿って６組が配設されている。なお、孔４５、４７は該当する位置にそれぞれ設けられている。この１組内の金属片２３、補償ヒータ２４、主熱電対５、補償ヒータ用熱電対４は、冷却側ロッド４１の軸に対して垂直な平面内に配置されている。補償ヒータ２４は、補償ヒータ用熱電対４により計測される金属片２３の温度が主熱電対５により計測される冷却側ロッド４１のその平面内の温度と等しくなるように制御される。このため、冷却側ロッド４１の側面と金属片２３の間に温度差がないので、冷却側ロッド４１から径方向に、すなわち冷却側断熱シリンダ４２を経由して外部に熱が伝導することを防止できる。その結果、被測定体１３から冷却側ロッド４１に流れ込んだ熱が冷却側ロッド４１の軸方向だけに伝導する。

また、冷却側断熱シリンダ４２の軸方向の下部、すなわち冷却ブロック１１に近い位置に径方向に孔５１が設けられ、冷却側断熱シリンダ４２の軸方向の上部、すなわち被測定体１３に近い位置に径方向に孔５２が設けられている。
そして、冷却側ブロック１２は、孔５１内に配設され、冷却側ロッド４１の側面に一端が接続された電流出力端子５３、孔５２内に配設され、冷却側ロッド４１の側面に一端が接続されたマイナス電圧計測端子５４を備える。なお、電流出力端子５３、マイナス電圧計測端子５４は、ロウ付け等によって冷却側ロッド４１に接合することが好ましい。

加熱側ロッド２１、冷却側ロッド４１は、良電気伝導体で且つ良熱伝導体である銅を用いている。
また、銅製の加熱側ロッド２１、冷却側ロッド４１表面は加熱により酸化するので、表面の加熱による酸化が問題になる場合、ロッド周辺をニッケルなどのメッキ処理することによって、酸化の進行を実際において問題ないレベルまで低減することができる。
また、銅以外の材料で加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１を作製して、熱抵抗計測装置１に使用することもできる。

次に、電気特性を計測するときの電気計測回路の構成について説明する。
電気計測回路は、図４に示すように、熱抵抗計測装置１の加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１との間に挟まれた被測定体１３、被測定体１３に定電流を流す電流源６１、電流が流された加熱側ロッド２１、被測定体１３および冷却側ロッド４１において発生する電圧降下分を計測する微小電圧計６２から構成される。この電気計測は、４端子法を採用している。

次に、被測定体１３として銅板を用いたときの接触電気抵抗測定に関して説明する。なお、以下の説明において用いる記号の意味は次の通りである。Ｒｅｔは、電流源６１から流す電流Ｉで微小電圧計６２で測定される電圧Ｖを除算して得られる測定値である。Ｒｅｈは、加熱側ロッド２１のバルク電気抵抗で、材料の電気電導率と形状とが前もって分かっているので、計算により算出される計算値である。Ｒｅｌは、冷却側ロッド４１のバルク電気抵抗で、材料の電気電導率と形状とが前もって分かっているので、計算により算出される計算値である。Ｒｅｓは、被測定体１３のバルク電気抵抗であり、今回の場合材料が銅であり、形状も測定に前もって測定できるので計算により算出される計算値である。Ｒｅｃ_１は、被測定体１３と加熱側ロッド２１間の接触電気抵抗であり、これが計測対象値である。Ｒｅｃ_２は、被測定体１３と冷却側ロッド４１間の接触電気抵抗であり、これも計測対象値である。

測定値Ｒｅｔは、図５の等価回路から分かるように、式（１）で表される。そして、加熱側ロッド２１と被測定体１３の間および被測定体１３と冷却側ロッド４１の間の接触状態は、材料と形状が同一であるので、Ｒｅｃ_１とＲｅｃ_２は等しく、Ｒｅｃ_１とＲｅｃ_２は式（２）で求められる。

Ｒｅｔ＝Ｒｅｈ＋Ｒｅｃ_１＋Ｒｅｓ＋Ｒｅｃ_２＋Ｒｅｌ・・・（１）
Ｒｅｃ_１＝Ｒｅｃ_２＝（Ｒｅｔ−Ｒｅｈ−Ｒｅｓ−Ｒｅｌ）／２・・・（２）

このように計測に先立って計算により求められるＲｅｈ、Ｒｅｓ、Ｒｅｌと、測定される電圧Ｖから得られるＲｅｔとから接触電気抵抗Ｒｅｃ_１、Ｒｅｃ_２が求められる。

図６は、加熱ブロック１５から冷却ブロック１１に熱を流したときの加熱側ロッド２１および冷却側ロッド４１上の軸方向の位置に対する温度の計測値を示すグラフである。
次に、熱抵抗計測装置１を用いて被測定体１３として銅板を用いたときの接触熱抵抗の計測について説明する。なお、以下の説明において用いる記号の意味は次の通りである。Ｑは、加熱側ロッド２１、被測定体１３、冷却側ロッド４１に流れる熱流束であり、実験により求められる測定値である。Ｒｔｔは、被測定体１３の表裏の温度の差を熱流束Ｑで除算した商であり、測定値である。Ｒｔｓは、被測定体１３のバルク熱抵抗であり、材料の熱伝導率と形状が分かっているので、計算により算出される計算値である。Ｒｔｃ_１は、被測定体１３と加熱側ロッド２１間の接触熱抵抗であり、これが計測対象値である。Ｒｔｃ_２は、被測定体１３と冷却側ロッド４１間の接触熱抵抗であり、これも計測対象値である。

加熱ブロック１５を加熱して加熱側ロッド２１、被測定体１３、冷却側ロッド４１を経由して冷却ブロック１１に熱を流すと、加熱側ロッド２１および冷却側ロッド４１に軸方向の温度勾配が発生する。このとき、熱は補償ヒータ２４を制御することにより、加熱側ロッド２１、被測定体１３、冷却側ロッド４１の軸方向だけに流れ、径方向には流れない。このようにして熱を流したときの主熱電対５により測定される温度を、軸方向の距離に対してプロットすると図６のようになり、最小自乗法により近似線を求めることができる。そして、加熱側ロッド２１での近似線を被測定体１３との境界まで外挿すると、その境界の温度Ｔ_１を求めることができる。また、冷却側ロッド４１での近似線を被測定体１３との境界まで外挿すると、その境界の温度Ｔ_２を求めることができる。

また、熱流束Ｑは、加熱側ロッド２１の熱伝導率ｋ、近似線の傾き（単位長さ当たりの温度変化）ΔＴ／ΔＬ、加熱側ロッド２１の断面積Ｓから、Ｑ＝ΔＴ／ΔＬ×ｋ×Ｓより求めることができる。
被測定体１３の全体の熱抵抗Ｒｔｔに関して、Ｒｔｔ＝Ｒｔｓ＋Ｒｔｃ_１＋Ｒｔｃ_２の関係が成り立つ。
そして、加熱側ロッド２１と被測定体１３の間、被測定体１３と冷却側ロッド４１の間の接触状態は、材料と形状が同一であるので同一と見なし、Ｒｔｃ_１とＲｔｃ_２は同一であるので、Ｒｔｃ_１とＲｔｃ_２は式（３）で求められる。

Ｒｔｃ_１＝Ｒｔｃ_２＝（Ｒｔｔ−Ｒｔｓ）／２・・・（３）

このような熱抵抗計測装置１は、被測定体１３を両側から挟持する加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１とにおける温度勾配から外挿して被測定体１３の両面の温度を求め、それに基づいて被測定体１３と加熱側ロッド２１の間および被測定体１３と冷却側ロッド４１の間の接触熱抵抗を計測することができるとともに、加熱側ロッド２１および冷却側ロッド４１に４端子法の電流端子と電圧端子とを設けて、被測定体１３と加熱側ロッド２１の間および被測定体１３と冷却側ロッド４１の間の接触電気抵抗も合わせて計測することができる。

また、加熱側ロッド２１、被測定体１３および冷却側ロッド４１に梃子の原理を採用した保持部材１０により荷重を加えることができ、ロードセル６により荷重値も計測できるので、接触熱抵抗と接触電気抵抗の圧力依存性を同時に高精度に計測できる。

また、真空容器２内に配設され、真空容器２内の空気を排気することにより、加熱側ロッド２１と被測定体１３の間および冷却側ロッド４１と被測定体１３の間に空気が介在しなくなるので、空気の熱伝導の影響のない接触熱抵抗を計測することができる。

また、梃子の原理の保持部材１０により荷重を加えているので、加熱により加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１等が膨張しても、荷重を低コストで一定にすることができる。
なお、梃子でなく、ネジとバネとを組み合わせて荷重を加えても良い。

また、冷却板１７が断熱板１６とロードセル６との間に介設されているので、高真空状態で接触熱抵抗を評価しても、断熱板１６の表面から熱が逃げないが冷却板１７に熱が逃げ、ロードセル６の温度が使用可能温度領域を超えることを防げる。
また、大気中で被測定体１３の温度を高温にしても、冷却板１７から熱が逃げてロードセル６の温度を冷却板１７の温度と同程度に維持できるので、ロードセル６の温度に注意する必要がない。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わる熱抵抗計測装置の構成図である。
この発明の実施の形態２に係わる熱抵抗計測装置１Ｂは、図７に示すように、実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置１の加熱ブロック１５と加熱側ロッド２１の間および冷却ブロック１１と冷却側ロッド４１の間に電気絶縁体９を追加したことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この電気絶縁体９は、薄膜のセラミックス板からなる。

このような熱抵抗計測装置１Ｂは、加熱側ロッド２１と加熱ヒータ１９間、冷却側ロッド４１と冷却ブロック１１の間に、電気絶縁体９が介挿されているので、外部への電流リークが小さく、微小抵抗をノイズが小さい状態で測定することができる。
なお、電気絶縁体９としてセラミックスを使用しているが、耐熱性を考慮した上で樹脂も使用可能である。
また、電気絶縁体９の挿入位置は、上述の位置に限定しているわけではない。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３において計測される被測定体の外観図である。図９は、厚みの異なる被測定体に係わる電気抵抗の等価回路図である。
この発明の実施の形態３においては、実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置１を用いて厚みだけが異なる２つの被測定体６５ａ、６５ｂの電気特性と熱特性を計測しており、熱抵抗計測装置１に関する説明は省略し、計測内容にだけ説明する。
この実施の形態３における被測定体６５ａ、６５ｂは、図８に示すように、導電性樹脂からなる厚みの異なる樹脂板であり、被測定板６５ａ、６５ｂの厚みは、ｔ_１、ｔ_２である。
この実施の形態３においては、実施の形態１において計測した接触熱抵抗Ｒｔｃ、接触電気抵抗Ｒｅｃに、加えて樹脂自身のバルク熱抵抗Ｒｔｓ、バルク電気抵抗Ｒｅｓを求める。

なお、以下の説明において使用する記号の意味は以下の通りである。実施の形態１と同様な記号の説明は省略する。
測定値Ｒｅｔ_１は、被測定体６５ａをセットしたときに電流Ｉと電圧Ｖ_１から求まる電気抵抗である。測定値Ｒｅｔ_２は、被測定体６５ｂをセットしたときに電流Ｉと電圧Ｖ_２から求まる電気抵抗である。
また、以下の６個の記号は、計測により求めようとする計測対象値であり、Ｒｅｓ_１は被測定体６５ａのバルク電気抵抗、Ｒｅｓ_２は被測定体６５ｂのバルク電気抵抗、Ｒｅｃ_１１は被測定体６５ａと加熱側ロッド２１間の接触電気抵抗、Ｒｅｃ_１２は被測定体６５ａと冷却側ロッド４１間の接触電気抵抗、Ｒｅｃ_２１は被測定体６５ｂと加熱側ロッド２１間の接触電気抵抗、Ｒｅｃ_２２は被測定体６５ｂと冷却側ロッド４１間の接触電気抵抗である。

測定値Ｒｅｔ_１、Ｒｅｔ_２は、図９に示すような等価回路により表されるので、式（４）、式（５）で表される。そして、被測定体６５ａ、被測定体６５ｂの接触電気抵抗は、材料と形状とが同一であるので、同一であり、式（６）の関係が成り立つ。また、被測定体６５ａと被測定体６５ｂのバルク電気抵抗Ｒｅｓ_１とＲｅｓ_２は、式（７）の関係が成り立つ。これらの関係から、バルク電気抵抗Ｒｅｓ_１とＲｅｓ_２は、式（８）、式（９）に従い、測定値Ｒｅｔ_１、Ｒｅｔ_２と厚さｔ_１、ｔ_２から求めることができる。また、接触電気抵抗Ｒｅｃは、式（１０）から求めることができる。

Ｒｅｔ_１＝Ｒｅｈ＋Ｒｅｃ_１１＋Ｒｅｓ_１＋Ｒｅｃ_１２＋Ｒｅｌ・・・（４）
Ｒｅｔ_２＝Ｒｅｈ＋Ｒｅｃ_２１＋Ｒｅｓ_２＋Ｒｅｃ_２２＋Ｒｅｌ・・・（５）
Ｒｅｃ＝Ｒｅｃ_１１＝Ｒｅｃ_１２＝Ｒｅｃ_２１＝Ｒｅｃ_２２・・・（６）
Ｒｅｓ_１／ｔ_１＝Ｒｅｓ_２／ｔ_２・・・（７）
Ｒｅｓ_１＝（Ｒｅｔ_１−Ｒｅｔ_２）／（１−ｔ_２／ｔ_１）・・・（８）
Ｒｅｓ_２＝（Ｒｅｔ_１−Ｒｅｔ_２）／（ｔ_１／ｔ_２−１）・・・（９）
Ｒｅｃ＝｛（Ｒｅｔ_２×ｔ_１−Ｒｅｔ_１×ｔ_２）／（ｔ_１−ｔ_２）−Ｒｅｈ−Ｒｅｌ｝／２・・・（１０）

このように２つの厚みだけが異なる被測定体６５ａ、６５ｂに対して電気抵抗Ｒｅｔ_１、Ｒｅｔ_２を測定し、被測定体６５ａ、６５ｂの厚みｔ_１、ｔ_２を用いて被測定体６５ａ、６５ｂのバルク電気抵抗Ｒｅｓ_１、Ｒｅｓ_２を求めることができる。さらに、計算で求まる加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１のバルク電気抵抗Ｒｅｈ、Ｒｅｌを用いて、接触電気抵抗Ｒｅｃを求めることができる。

次に、２つの厚みだけ異なる被測定体６５ａ、６５ｂの熱特性の計測に関して説明する。なお、以下の説明において使用される記号の意味は以下の通りである。温度Ｔ_１１、Ｔ_１２は、それぞれ被測定体６５ａ、６５ｂを加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１との間にセットしたときに加熱側ロッド２１の主熱電対５により計測される温度を外挿して得られる加熱側ロッド２１と被測定体６５ａ、６５ｂの境界の温度である。温度Ｔ_２１、Ｔ_２２は、それぞれ被測定体６５ａ、６５ｂを加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１との間にセットしたときに冷却側ロッド４１の主熱電対５により計測される温度を外挿して得られる冷却側ロッド４１と被測定体６５ａ、６５ｂの境界の温度である。熱流束Ｑ_１、Ｑ_２は、それぞれ被測定体６５ａ、６５ｂを加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１との間にセットしたときに被測定体６５ａ、６５ｂに流れる熱流束であり、実施の形態１において説明したように、加熱側ロッド２１の温度勾配ΔＴ／ΔＬ、熱伝導率ｋ、加熱側ロッド２１の断面積Ｓから求めることができる。

Ｒｔｓ_１、Ｒｔｓ_２は、この計測で求める被測定体６５ａ、６５ｂのバルク熱抵抗、Ｒｔｃは、被測定体６５ａ、６５ｂと加熱側ロッド２１間、被測定体６５ａ、６５ｂと冷却側ロッド４１間の接触熱抵抗である。この場合、被測定体６５ａ、６５ｂの材料と断面形状が同一であるので、同一である。

被測定体６５ａ、６５ｂの熱抵抗（Ｔ_１１−Ｔ_１２）／Ｑ_１、（Ｔ_２１−Ｔ_２２）／Ｑ_２は、式（１１）、式（１２）の関係が成り立つ。また、バルク熱抵抗Ｒｔｓ_１、Ｒｔｓ_２は、厚みｔ_１、ｔ_２を用いて式（１３）の関係が成り立つ。これらの関係式を用いると、バルク熱抵抗Ｒｔｓ_１、Ｒｔｓ_２は、式（１４）、式（１５）により求めることができる。さらに、接触熱抵抗Ｒｔｃは、式（１６）により求めることができる。

（Ｔ_１１−Ｔ_１２）／Ｑ_１＝Ｒｔｓ_１＋２Ｒ_ｔｃ・・・（１１）
（Ｔ_２１−Ｔ_２２）／Ｑ_２＝Ｒｔｓ_２＋２Ｒ_ｔｃ・・・（１２）
Ｒｔｓ_１／ｔ_１＝Ｒｔｓ_２／ｔ_２・・・（１３）
Ｒ_ｔｓ１＝｛（Ｔ_１１−Ｔ_１２）／Ｑ_１−（Ｔ_２１−Ｔ_２２）／Ｑ_２｝ｔ_１／（ｔ_１−ｔ_２）・・・（１４）
Ｒ_ｔｓ２＝｛（Ｔ_１１−Ｔ_１２）／Ｑ_１−（Ｔ_２１−Ｔ_２２）／Ｑ_２｝ｔ_２／（ｔ_１−ｔ_２）・・・（１５）
Ｒｔｃ＝｛ｔ_１×（Ｔ_２１−Ｔ_２２）／Ｑ_２−ｔ_２×（Ｔ_１１−Ｔ_１２）／Ｑ_１｝／２／（ｔ_１−ｔ_２）・・・（１６）

このように材料と断面形状が同一で、厚みだけ異なる被測定体６５ａ、６５ｂを用いて電気特性や熱特性を測定すると未知のバルク特性を求めることができるとともに接触熱抵抗と接触電気抵抗を測定することができる。

実施の形態４．
図１０は、被測定体に電流を流したときの温度分布を示すグラフである。
この発明の実施の形態４においては、実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置１を用いて異なる被測定体の電気特性と熱特性を計測しており、熱抵抗計測装置１に関する説明は省略し、計測内容にだけ説明する。
この実施の形態４における被測定体は、ＩＧＢＴチップであり、このＩＧＢＴチップでは、チップ上面（ゲート、エミッタ側）とチップ下面（コレクタ側）で電極のパターン形状、材質が異なっているので、上面側と下面側での接触熱抵抗Ｒｔｃ_１、Ｒｔｃ_２は異なっている。
そこで、上下面の接触熱抵抗Ｒｔｃ_１、Ｒｔｃ_２それぞれを求める方法に関して説明する。

ＩＧＢＴチップを構成する半導体は銅より電気抵抗が高いため、図４に示す電流源６１によりＩＧＢＴチップに電流を流すと、ＩＧＢＴチップ自身が発熱する。そして、加熱ヒータ１９による加熱を行わなくても、ＩＧＢＴチップのゲート・エミッタ側に接している加熱側ロッド２１、ＩＧＢＴチップのコレクタ側に接している冷却側ロッド４１を経由して外部にこの発熱した熱が放出される。このときのＩＧＢＴチップにおける発熱量Ｑ_Ｓは、電流源６１から流される電流Ｉと微小電圧計６２により計測された電圧Ｖの積である。図１０では、ＩＧＢＴチップに電流源６１から電流を流したときの加熱側ロッド２１、冷却側ロッド４１に配置されている主熱電対５で計測した温度の測定結果のグラフである。

熱流束Ｑ_１は、ＩＧＢＴチップから加熱側ロッド２１に流れる熱流束であり、加熱側ロッド２１の熱伝導率ｋと加熱側ロッド２１の断面積Ｓは既知な値であり、加熱側ロッド２１における温度勾配ΔＴ／ΔＬは図１０のように温度計測から求められるので、測定により求めることができる。同様に、熱流束Ｑ_２は、ＩＧＢＴチップから冷却側ロッド４１に流れる熱流束であり、冷却側ロッド４１の熱伝導率ｋと冷却側ロッド４１の断面積Ｓは既知な値であり、冷却側ロッド４１における温度勾配ΔＴ／ΔＬは図１０のように温度測定から求められるので、実施の形態１において説明したように測定により求めることができる。
温度Ｔ_１は、図１０に示すように、加熱側ロッド２１の温度を外挿したときの加熱側ロッド２１とＩＧＢＴチップとの境界での温度である。また、温度Ｔ_２は、図１０に示すように、冷却側ロッド４１の温度を外挿したときの冷却側ロッド４１とＩＧＢＴチップとの境界での温度である。温度Ｔ_Ｓは、被測定体の平均温度である。

被測定体が発する熱量Ｑ_Ｓは、熱量Ｑ_１と熱量Ｑ_２の和であり、接触熱抵抗Ｒｔｃ_１、Ｒｔｃ_２は、式（１７）、式（１８）の関係が成り立つ。また、ＩＧＢＴチップに電流を流さずに、ＩＧＢＴチップを加熱側ロッド２１と冷却側ロッド４１の間に介設して加熱ブロック１５により温度勾配を発生したときには、計測される熱抵抗Ｒｔｔは式（１９）の関係が成り立つ。

Ｒｔｃ_１＝（Ｔ_Ｓ−Ｔ_１）／Ｑ_１・・・（１７）
Ｒｔｃ_２＝（Ｔ_Ｓ−Ｔ_２）／Ｑ_２・・・（１８）
Ｒｔｔ＝Ｒｔｃ_１＋Ｒｔｓ＋Ｒｔｃ_２・・・（１９）

ＩＧＢＴチップのバルク熱抵抗Ｒｔｓは既知の値であるので、この式（１７）、式（１８）、式（１９）からＩＧＢＴチップの平均温度Ｔ_Ｓ、接触熱抵抗Ｒｔｃ_１、Ｒｔｃ_２を求めることができる。

このように被測定体が加熱側ロッド２１との間と冷却側ロッド４１との間の接触状態が異なっていても、被測定体に電流を流すことにより発生する熱に伴う温度分布と加熱ブロック１５から供給する熱に伴う温度分布との両方を用いることにより、被測定体の平均温度と２つの異なる接触熱抵抗を求めることができる。

この発明の実施の形態１に係わる熱抵抗計測装置の構成図である。 図１の加熱側ブロックのＡ−Ａ断面での横断面図である。 図２の加熱側ブロック、冷却側ブロックのＢ−Ｂ断面での縦断面図である。 熱抵抗計測装置を用いる電気計測回路図である。 熱抵抗計測装置における電気抵抗の等価回路図である。 加熱ブロックから冷却ブロックに熱を流したときの加熱側ロッドおよび冷却側ロッド上の軸方向の位置に対する温度の計測値を示すグラフである。 この発明の実施の形態２に係わる熱抵抗計測装置の構成図である。 この発明の実施の形態３において計測される被測定体の外観図である。 厚みの異なる被測定体に係わる電気抵抗の等価回路図である。 この発明の実施の形態４において被測定体に電流を流したときに発生する加熱側ロッドおよび冷却側ロッド上の軸方向の位置に対する温度の計測値を示すグラフである。

符号の説明

１、１Ｂ 熱抵抗計測装置、２ 真空容器、３ 配管、４ 補償ヒータ用熱電対、５ 主熱電対、６ ロードセル、７ フランジ、８ 排気孔、９ 電気絶縁体、１０ 保持部材、１０ａ 支え台、１０ｂ 柱、１０ｃ アーム、１０ｄ 加圧部材、１０ｅ 錘保持部材、１１ 冷却ブロック、１２ 冷却側ブロック、１３ 被測定体、１４ 加熱側ブロック、１５ 加熱ブロック、１６ 断熱板、１７ 冷却板、１８ 錘、１９ 加熱ヒータ、２１ 加熱側ロッド、２２ 加熱側断熱シリンダ、２３ 金属片、２４ 補償ヒータ、２５、２７、３１、３２、４５、４７、５１、５２ 孔、２９ 給電線、３３ 電流入力端子、３４ プラス電圧計測端子、４１ 冷却側ロッド、４２ 冷却側断熱シリンダ、５３ 電流出力端子、５４ マイナス電圧計測端子、６１ 電流源、６２ 微小電圧計、６５ａ、６５ｂ 被測定体。

Claims (5)

1. 被測定体を挟持する加熱側ロッドと冷却側ロッドとを備え、上記加熱側ロッド側から熱を流入し、上記冷却側ロッドから熱を流出して上記被測定体の熱抵抗を計測する熱抵抗計測装置において、
   上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドにそれぞれ接続するプラス電圧計測端子およびマイナス電圧計測端子と、
   上記プラス電圧計測端子および上記マイナス電圧計測端子が接続される位置より上記被測定体から離れる上記加熱側ロッドおよび上記冷却側ロッドの位置にそれぞれ接続される電流入力端子および電流出力端子と、
   を備えることを特徴とする熱抵抗計測装置。
2. 上記加熱側ロッドに熱を流入する加熱ブロックと、上記被測定体を挟持する上記加熱側ロッドと上記冷却側ロッドとに加わる荷重を計測するロードセルと、上記加熱ブロックと上記ロードセルとを熱的に遮蔽する断熱板および冷却板と、を備えることを特徴とする請求項１に記載する熱抵抗計測装置。
3. 上記冷却側ロッドから熱が流出する冷却ブロックを備え、
   上記加熱側ロッドと上記冷却側ロッドとは、それぞれ上記加熱ブロックと上記冷却ブロックと電気絶縁材料により電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載する熱抵抗計測装置。
4. 内部を減圧できる真空容器内に格納されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載する熱抵抗計測装置。
5. 上記被測定体を挟持する上記加熱側ロッドと上記冷却側ロッドとに荷重を加える梃子の原理を採用した保持部材を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載する熱抵抗計測装置。

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