JP2008008677A - 電気素子の温度測定方法及び負荷試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験電圧を印加したときに自己発熱する電気素子が搭載された被試験体であっても、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施することができるようにする。
【解決手段】実装基板３２の所定個所の温度を温度測定回路５８により測定すると共に、電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間の熱抵抗と電気素子３４に供給される電力とを乗算することにより電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間の温度差を求め、この温度差を実装基板３２の所定個所の温度に加算することで電気素子３４の温度を求め、この求めた温度が電気素子３４に対する負荷試験を実施する試験温度となるように試験室１２の温度を室温度調節部６８により調節する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電圧を印加することで自己発熱する電気素子が実装基板に搭載されてなる被試験体の当該電気素子に対する負荷試験を実施するときの電気素子の温度測定方法、及び、この電気素子の温度測定方法が適用される負荷試験装置に関する。

従来の負荷試験装置として用いられる環境試験装置は、電圧を印加したときに自己発熱する半導体チップなどの電気素子を実装基板に搭載した混成集積回路などの被試験体を電気素子に所定の試験電圧を印加した状態で所定の温度に加熱した試験室に収納して電気素子に対して負荷試験を実施する場合、電気素子の温度が自己発熱により試験室の温度よりも高くなるにも拘わらず、そのことを考慮して試験室の温度を制御するようにしたものではないため、正確な温度環境のもとで負荷試験を実施し得るものとはいい難いものであった（例えば、特許文献１）。

このため、正確な温度環境のもとで実装基板に搭載された電気素子に対する負荷試験を実施できるようにするべく、所定の試験電圧を印加したときの電気素子の温度と試験室内の温度との相関関係を予め実験的に求めておき、その求めた相関関係に基づいて電気素子の温度が負荷試験を実施するための試験温度となるように試験室の温度を調節するようなことも行われていた。
特開平１１−１４１９５５号公報

しかしながら、所定の試験電圧を印加したときの電気素子の温度と試験室内の温度との相関関係を予め実験的に求めておくことにより正確な温度環境のもとで電気素子に対する負荷試験を実施することが可能になるとはいうものの、同一の被試験体であっても電気素子に印加する試験電圧値を変更しようとした場合などでは、その試験電圧値ごとに相関関係を求めておかなければならないことになり、負荷試験を実施する準備段階での作業が煩雑になってしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電圧が印加されると自己発熱する電気素子が搭載された被試験体であっても、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施可能にする電気素子の温度測定方法及び負荷試験装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、電圧が印加されると自己発熱する電気素子が実装基板に搭載されてなる被試験体を所定の温度に調節した試験室に収納し、前記電気素子に所定の試験電圧を印加することで当該電気素子に対する負荷試験を実施するときの電気素子の温度測定方法であって、前記実装基板の所定個所の温度を測定すると共に、前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の熱抵抗と前記電気素子に供給される電力とから前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の温度差を求め、この温度差を前記実装基板の所定個所の温度に加算することで前記電気素子の温度を求めることを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１に係る方法において、前記熱抵抗が、前記電気素子に所定の電力を供給したときの当該電気素子の温度と前記実装基板の所定個所の温度とをそれぞれ測定して両者間の温度差を求め、この温度差を前記電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２に係る方法において、前記電気素子に供給される電力が、前記電気素子に印加される電圧と当該電気素子に流れる電流とを乗算することにより求められたものであることを特徴としている。

請求項４の発明は、電圧が印加されると自己発熱する電気素子が実装基板に搭載されてなる被試験体を所定の温度に調節した試験室に収納し、前記電気素子に所定の試験電圧を印加することで当該電気素子に対する負荷試験を実施する負荷試験装置であって、前記試験室を加熱する加熱部と、前記実装基板の所定個所の温度を測定する基板温度測定部と、前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の熱抵抗と前記電気素子に供給される電力とから前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の温度差を求める温度差算出部と、この温度差算出部により求めた温度差を前記基板温度測定部で測定した温度に加算することで前記電気素子の温度を求める素子温度算出部と、この素子温度算出部により求めた温度が前記電気素子の負荷試験を実施する試験温度となるように前記加熱部の動作を制御して前記試験室の温度を調節する室温度調節部とを備えたことを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項４に係るものにおいて、前記熱抵抗が、前記電気素子に所定の電力を供給したときの当該電気素子の温度と前記実装基板の所定個所の温度とをそれぞれ測定して両者間の温度差を求め、この温度差を前記電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであることを特徴としている。

請求項６の発明は、請求項４又は５に係るものにおいて、前記電気素子に印加される電圧を測定する電圧測定回路と、前記電気素子に流れる電流を測定する電流測定回路と、前記電圧測定回路により測定された電圧と前記電流測定回路により測定された電流とを乗算することにより前記電気素子に供給される電力を求める電力算出部とを備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、電気素子と実装基板の所定個所との間の熱抵抗と電気素子に供給される電力とから求めた電気素子と実装基板の所定個所との間の温度差を実装基板の所定個所の温度に加算することで電気素子の温度を求めるようにしているので、電圧が印加されると自己発熱する電気素子が搭載された被試験体であっても、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施することができる。

請求項２の発明によれば、熱抵抗が、電気素子と実装基板の所定個所との間の温度差を電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであるので、実装基板の所定個所の温度から電気素子の正確な温度を求めることができ、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施することができる。

請求項３の発明によれば、電気素子に供給される電力が、電気素子に印加される電圧と電気素子に流れる電流とを乗算することにより求めたものであるので、実装基板の所定個所の温度から電気素子の正確な温度を求めることができ、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施することができる。

請求項４の発明によれば、電気素子と実装基板の所定個所との間の熱抵抗と電気素子に供給される電力とから求めた電気素子と実装基板の所定個所との間の温度差を実装基板の所定個所の温度に加算することで電気素子の温度を求めるようにしているので、電圧が印加されると自己発熱する電気素子を備えた被試験体であっても、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施し得る負荷試験装置を得ることができる。

請求項５の発明によれば、熱抵抗が、電気素子と実装基板の所定個所との間の温度差を電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであるので、実装基板の所定個所の温度から電気素子の正確な温度を求めることができ、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施し得る負荷試験装置を得ることができる。

請求項６の発明によれば、電気素子に供給される電力が、電気素子に印加される電圧と電気素子に流れる電流とを乗算することにより求めたものであるので、実装基板の所定個所の温度から電気素子の正確な温度を求めることができ、所定の温度環境のもとで被試験体の電気素子に対する負荷試験を容易に実施し得る負荷試験装置を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気素子の温度測定方法が適用される負荷試験装置の構成例を概略的に示す図である。すなわち、本発明の一実施形態に係る負荷試験装置１０は、寿命試験やパラメータ試験などの負荷試験を実施する被試験体を収納する試験室１２と、試験室１２の空調を行うもので、試験室１２に対し互いに通風可能な状態に配設された空調室１４と、試験室１２を所定の温度に加熱するもので、空調室１４に配設された加熱部１６と、試験室１２に配設された室内温度センサ１８と、試験室１２と空調室１４との間で空気を循環させることにより試験室１２の温度を均一化させるもので、試験室１２に配設された送風機２０と、加熱部１６及び送風機２０の動作を制御することで試験室１２を所定の温度に維持するもので、試験室１２及び空調室１４の外部に配設された制御部２２とを備えている。

ここで、加熱部１６は、試験室を加熱する電気ヒータなどの加熱ユニットと試験室を冷却する冷媒を用いた冷却ユニットとで構成されたものである。室内温度センサ１８は、サーミスタなどの感温素子により構成されたものである。送風機２０は、ファン付きモータなどにより構成されたものである。制御部２２は、演算処理を実行するＣＰＵ、処理プログラムやデータなどを記憶するＲＯＭ、及び、データを一時的に記憶するＲＡＭを備えたマイクロコンピュータなどで構成されたものである。

この制御部２２には、加熱部１６、室内温度センサ１８、及び、送風機２０がそれぞれ図略のインターフェイス回路を介して接続されると共に、試験室１２の温度や試験時間などの負荷試験を実施する場合の試験条件を設定する試験条件設定部２４、及び、各種算出式を記憶する記憶部２６が図略のインターフェイス回路を介して接続されている。また、この制御部２２には、負荷試験の対象となる被試験体の負荷試験中に得られた各種測定データが入力されるようになっている。

なお、負荷試験装置１０は、上記構成部材のほかに、試験室１２の湿度を調節するための加湿水蒸発部及び除湿機、試験室１２の湿度を検出する室内湿度センサなどを必要に応じて備え、室内湿度センサにより検出された湿度に基づいて制御部２２により加湿水蒸発部及び除湿機の動作を制御することで試験室１２の湿度が制御されるようになっていてもよいが、本発明は試験室１２の温度調整に関連するものであることから、それらの説明を省略している。

図２は、負荷試験装置１０において実施される負荷試験の対象となる被試験体の一構成例を説明するための図である。被試験体３０は、セラミックなどの絶縁材料を用いて構成された回路基板などの実装基板３２と、実装基板３２の上面に搭載された半導体チップなどの電気素子３４と、電気素子３４を覆うように被せられたカバー体３６とから構成されたものである。実装基板３２の下面には、複数の取付端子３８が形成されている。

また、電気素子３４から離間した実装基板３２の所定個所には基板温度センサ４０が配設されており、実装基板３２の所定個所の温度が計測可能となっている。なお、基板温度センサ４０は、サーミスタなどの感温素子で構成されたもので、実装基板３２の表面に密着して設けられたものである。

すなわち、本発明は、図２に示すような構成の電圧が印加されると自己発熱する半導体チップなどの電気素子３４を実装基板３２に搭載して構成した混成集積回路などの被試験体３０における電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間における熱抵抗を予め実験的に求めておき、この求めた熱抵抗を用いて電気素子３４の温度を求めることで電気素子３４の温度を測定するものであり、この電気素子３４の温度が負荷試験を実施する試験温度となるように試験室１２の温度を調整するようにしたものである。

この熱抵抗とは、外部から電圧を印加したときに発熱する電気素子３４と、電気素子３４から離間した実装基板３２の所定個所（基板温度センサ４０を配設した個所）との間における温度差を電気素子３４に供給される電力値で除算して得たものである。すなわち、熱抵抗をＲ（℃／Ｗ）、温度差をΔＴ（℃）、電気素子３４に供給される電力値をＰ（Ｗ）としたとき、熱抵抗Ｒは、Ｒ＝ΔＴ／Ｐの式により求められるものである。これにより、電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間における温度差ΔＴは、ΔＴ＝Ｐ×Ｒの式により求めることができる。実装基板３２の所定個所（基板温度センサ４０を配設した個所）の温度をＴｂ（℃）とし、電気素子３４の温度をＴｅ（℃）としたとき、この電気素子３４の温度Ｔｅは、Ｔｅ＝Ｔｂ＋ΔＴの式により求めることができる。

図３は、本発明に係る負荷試験装置１０に備わる室温度制御部の一構成例を示すブロック図である。すなわち、室温度制御部（室温度制御装置）５０は、図１に示す制御部２２と、電源装置５２により電気素子３４に印加される電圧を測定する電圧測定回路５４と、電気素子３４に試験電圧が印加されたときに電気素子３４に流れる電流を測定する電流測定回路５６と、被試験体３０の実装基板３２の所定個所に設けられた基板温度センサ４０からの出力値に基づいて実装基板３２の所定個所の温度を測定する温度測定回路５８とで構成され、電圧測定回路５４で測定した電圧値、電流測定回路５６で測定した電流値、及び、温度測定回路５８で測定した実装基板３２の所定個所の温度値が制御部２２に入力されるようにしたものである。

この室温度制御部５０を構成する制御部２２には、電力算出部６０、温度差算出部６２、素子温度算出部６４、素子温度判別部６６、及び、室温度調節部６８としての各機能実現部を備えている。ここで、電力算出部６０は、電圧測定回路５４により測定された電圧（電圧値Ｖ）と、電流測定回路５６により測定された電流（電流値Ｉ）とを乗算することで電気素子３４に供給される電力（電力値Ｐ）を算出するものである。この算出式Ｐ＝Ｖ×Ｉは、記憶部２６に記憶されている。

温度差算出部６２は、電力算出部６０で求めた電力（電力値Ｐ）と、電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間における熱抵抗（熱抵抗値Ｒ）とを乗算することで電気素子３４の温度Ｔｅ（℃）と実装基板３２の所定個所の温度Ｔｂ（℃）との温度差ΔＴを算出するものである。この温度差ΔＴは、実装基板３２の所定個所の温度から電気素子３４の温度を求めるための温度補正値となるものであり、その算出式ΔＴ＝Ｐ×Ｒは、記憶部２６に記憶されている。

素子温度算出部６４は、温度測定回路５８により測定した実装基板３２の所定個所の温度Ｔｂに温度差算出部６２で求めた温度差ΔＴを加算することで電気素子３４の温度Ｔｅを算出するものである。この電気素子３４の温度Ｔｅは、構造的に実測不可能な電気素子３４の温度を実測可能な実装基板３２の所定個所の温度から推測するものであり、その算出式Ｔｅ＝Ｔｂ＋ΔＴは、記憶部２６に記憶されている。

素子温度判別部６６は、素子温度算出部６４により求めた電気素子３４の温度Ｔｅが試験条件設定部２４で設定された所定の試験温度Ｔｔとなっているか否かを判別するものである。室温度調節部６８は、素子温度算出部６４により求めた電気素子３４の温度Ｔｅが所定の試験温度となるように、試験室１２の温度を加熱部１６の動作を制御することにより調節するものである。すなわち、素子温度算出部６４により求めた電気素子３４の温度Ｔｅが所定の試験温度（例えば、６０℃）よりも低い場合には、加熱部１６の加熱ユニットの動作を制御して試験室１２の温度を上昇させ、電気素子３４の温度Ｔｅが所定の試験温度（例えば、６０℃）よりも高い場合には、加熱部１６の冷却ユニットの動作を制御して試験室１２の温度を降下させる。

図４は、本発明に係る負荷試験装置１０の動作の一例を説明するためのフローチャートである。最初に、電気素子３４に供給された電力が電力算出部６０により算出される（ステップＳ１）。次いで、電気素子３４の温度Ｔｅと実装基板３２の所定個所の温度Ｔｂとの温度差ΔＴが温度差算出部６２により算出され（ステップＳ３）、引き続き電気素子３４の温度Ｔｅが素子温度算出部６４により算出される（ステップＳ５）。

次いで、電気素子３４の温度Ｔｅが試験条件設定部２４で設定された試験温度Ｔｔ（例えば、６０℃）よりも高いか否か（Ｔｅ＞Ｔｔ）が素子温度判別部６６により判別される（ステップＳ７）。このステップＳ７での判別が否定されると、電気素子３４の温度Ｔｅが試験条件設定部２４で設定された試験温度Ｔｔ（例えば、６０℃）よりも低いか否か（Ｔｅ＜Ｔｔ）が素子温度判別部６６により判別される（ステップＳ９）。このステップＳ９での判別が否定されると、電気素子３４の温度Ｔｅが試験温度Ｔｔに調節されているものとして試験室１２の温度がそのまま維持される。

ステップＳ７での判別が肯定されると、試験室１２の温度が室温度調節部６８により冷却され（ステップＳ１１）、ステップＳ９での判別が肯定されると、試験室１２の温度が室温度調節部６８により加熱され（ステップＳ１３）、いずれの場合もステップＳ７に移行し、それ以降の動作が繰り返し実行される。

以上説明したように、本発明は、実装基板３２の所定個所の温度を測定すると共に、電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間の熱抵抗と電気素子３４に供給される電力とから電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間の温度差を求め、この温度差を実装基板３２の所定個所の温度に加算することで電気素子３４の温度を求めるようにしている。このため、試験電圧を印加したときに自己発熱する電気素子３４が搭載された被試験体３０であっても、その求めた電気素子３４の温度が電気素子３４の負荷試験を実施する試験温度となるように試験室１２の温度を調節することにより、所定の温度環境のもとで被試験体３０の電気素子３４に対する負荷試験を容易に実施することができる。

なお、本発明に係る負荷試験装置の室温度調整方法、室温度制御装置及び負荷試験装置は、上記実施形態のように構成されたものであるが、これに限るものではない。例えば、以下に述べるような種々の変形態様を必要に応じて採用することができる。

（１）上記実施形態では、電気素子３４と実装基板３２の所定個所（温度センサを設置した箇所）との間の熱抵抗Ｒは、電気素子３４と実装基板３２の所定個所との間における温度差を電気素子３４に供給される電力値で除算して得たものであるが、これに限るものではない。例えば、これまでの製品と類似した製品などであれば、予め実験的に求めなくても熱抵抗Ｒの値を経験値として設定することも可能である。なお、熱抵抗Ｒを予め実験的に求める場合でも、すべての被試験体３０について求める必要はなく、サンプリングした所定数の被試験体３０についてのみ求めておくようにすればよい。

（２）上記実施形態では、電気素子３４に供給される電力を電気素子３４に印加される電圧と電気素子３４に流れる電流とを乗算することで求めるようにしているが、これに限るものではない。例えば、電気素子３４に供給される電力を電力計で直接的に測定することも可能である。この場合、電力計で得たデータを制御部２２に入力することで電力算出部６０の機能は不要となる。

（３）上記実施形態では、電気素子３４は半導体チップからなるものであるが、これに限るものではない。例えば、電気素子３４は半導体集積回路などの能動素子、抵抗素子やサーミスタなどの受動素子などであってもよい。要は、電気素子３４は、電圧が印加されて電流が流れることにより自己発熱するものであれば、如何なるものであってもよい。

（４）上記実施形態では、負荷試験装置１０は、加熱部１６が電気ヒータなどを用いた加熱ユニットと、冷却ガスなどを用いた冷却ユニットとにより構成されたものであるが、これに限るものではない。例えば、加熱部１６は、電気ヒータなどを用いた加熱ユニットのみで構成されていてもよい。なお、冷却ユニットを備えている場合には、試験室１２の温度が高くなりすぎたときに冷却ユニットを動作させることにより短時間で所定の温度に調整することが可能となるが、冷却ユニットを備えていない場合でも大きな不都合が生じることはない。

（５）上記実施形態では、被試験体３０の実装基板３２の温度を測定するための基板温度センサ４０は、実装基板３２の表面に密着して設けられたものであるが、これに限るものではない。例えば、この基板温度センサ４０は、実装基板３２の内部に設けるようにしたものであってもよい。なお、基板温度センサ４０を実装基板３２の表面に設けた場合は、負荷試験時における取り付け及び取り外しが容易となる。また、複数の被試験体３０について同時に負荷試験を実施する場合は、代表となる被試験体３０について基板温度センサ４０を設けておけばよい。

（６）上記実施形態では、負荷試験装置１０を用いて負荷試験を実施するにあたり、被試験体３０の電気素子３４に対する負荷試験の試験条件として試験室１２の温度を制御することのみにしか言及していないが、このようなものに限るものではない。例えば、試験室１２の温度と湿度とを被試験体３０に対する負荷試験の試験条件として設定するようにしたものであってもよい。

（７）上記実施形態では、負荷試験装置１０は、空調室１４を設けたものであるが、これに限るものではない。例えば、空調室１４を設けないで、温度調節した空気などの気体や湿度調節した空気などの気体を試験室１２に外部から取り込むようにすることも可能である。

本発明の一実施形態に係る負荷試験装置の構成例を概略的に示す図である。 図１に示す負荷試験装置で実施される負荷試験の対象となる被試験体の構成例を概略的に示す図である。 図１に示す負荷試験装置に適用される室温度制御部の構成例を示すブロック図である。 図１に示す負荷試験装置の動作例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 負荷試験装置
１２ 試験室
１４ 空調室
１６ 加熱部
２２ 制御部
３０ 被試験体
３２ 実装基板
３４ 電気素子
５０ 室温度制御部
５４ 電圧測定回路
５６ 電流測定回路
５８ 温度測定回路
６０ 電力算出部
６２ 温度差算出部
６４ 素子温度算出部
６６ 素子温度判別部
６８ 室温度調節部

Claims (6)

1. 電圧が印加されると自己発熱する電気素子が実装基板に搭載されてなる被試験体を所定の温度に調節した試験室に収納し、前記電気素子に所定の試験電圧を印加することで当該電気素子に対する負荷試験を実施するときの電気素子の温度測定方法であって、前記実装基板の所定個所の温度を測定すると共に、前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の熱抵抗と前記電気素子に供給される電力とから前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の温度差を求め、この温度差を前記実装基板の所定個所の温度に加算することで前記電気素子の温度を求めることを特徴とする電気素子の温度測定方法。
2. 前記熱抵抗は、前記電気素子に所定の電力を供給したときの当該電気素子の温度と前記実装基板の所定個所の温度とをそれぞれ測定して両者間の温度差を求め、この温度差を前記電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであることを特徴とする請求項１記載の電気素子の温度測定方法。
3. 前記電気素子に供給される電力は、前記電気素子に印加される電圧と当該電気素子に流れる電流とを乗算することにより求められたものであることを特徴とする請求項１又は２記載の電気素子の温度測定方法。
4. 電圧が印加されると自己発熱する電気素子が実装基板に搭載されてなる被試験体を所定の温度に調節した試験室に収納し、前記電気素子に所定の試験電圧を印加することで当該電気素子に対する負荷試験を実施する負荷試験装置であって、前記試験室を加熱する加熱部と、前記実装基板の所定個所の温度を測定する基板温度測定部と、前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の熱抵抗と前記電気素子に供給される電力とから前記電気素子と前記実装基板の所定個所との間の温度差を求める温度差算出部と、この温度差算出部により求めた温度差を前記基板温度測定部で測定した温度に加算することで前記電気素子の温度を求める素子温度算出部と、この素子温度算出部により求めた温度が前記電気素子の負荷試験を実施する試験温度となるように前記加熱部の動作を制御して前記試験室の温度を調節する室温度調節部とを備えたことを特徴とする負荷試験装置。
5. 前記熱抵抗は、前記電気素子に所定の電力を供給したときの当該電気素子の温度と前記実装基板の所定個所の温度とをそれぞれ測定して両者間の温度差を求め、この温度差を前記電気素子に供給される電力で除算することにより予め求められたものであることを特徴とする請求項４記載の負荷試験装置。
6. 前記電気素子に印加される電圧を測定する電圧測定回路と、前記電気素子に流れる電流を測定する電流測定回路と、前記電圧測定回路により測定された電圧と前記電流測定回路により測定された電流とを乗算することにより前記電気素子に供給される電力を求める電力算出部とを備えたことを特徴とする請求項４又は５記載の負荷試験装置。

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