JP2010091422A - 熱抵抗評価用素子及び評価法 - Google Patents

Abstract

【課題】
解決すべき課題は、発熱量をある上限までの範囲で任意に決められ、外界には全く影響を与えずに、簡単且つ正確に熱抵抗を評価できるようにすることである。
【解決手段】
調査対象の素子外装と同一の材料、形状、寸法の外装の中に、発熱体と測温体とを別チップとして含めたものを評価用素子とする。調査対象の素子を使用する際と同様に、本評価用素子を調査対象の箇所に取り付け、発熱体チップに通電して発熱させ、測温体チップの情報、例えば抵抗値の変化、を読み取り、事前に調べておいた抵抗値と温度との関係から温度を知る。この温度上昇を発熱体に加えた電力で除して熱抵抗を知る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザなど小型外装中に比較的消費電力が大きく、しかもその動作が温度に敏感な素子を使用する装置、或は当該素子を評価する装置又はエージングする装置の熱設計或はその評価に係わるものである。

半導体素子は全て、ｐｎ接合、ＭＯＳ或はＭＩＳ接合の温度でその特性が決まる。中でも半導体レーザでは、その発振に必要な閾値電流密度は接合温度と共に上がる。接合に於ける発熱は、チップ内を伝わり外装を介して外界に放散されているが、その間の熱抵抗と発熱量で温度上昇が決まる。従って、ある程度以上の温度では、温度が上がると要求される閾値が上がり、そこまで電流を増すと接合温度が更に上がって閾値が更に高くなり、遂には発振できなくなる。

この熱抵抗は、接合から外装までと外装から外界までの二つに分けて考えられる。前者（接合から外装まで）の熱抵抗は、半導体レーザの特性と直接係わる材料や寸法と外装内の配置や組立法で決まり、半導体レーザ素子供給側の責任、後者（外装から外界までの熱抵抗）は、素子を使う機器・装置側の責任と言う暗黙の了解がある。従って、素子の評価やエージング装置を設計するに当たっても、この間の事情を踏まえて、熱設計を行なう必要がある。

外装から外界への熱抵抗は、１００℃／Ｗ程度であっても、従来の低出力素子では、消費電力も５０ｍＷ程度なので、チップの温度上昇は５℃程度で、仮令熱抵抗の評価値が多少違っていても、さほど問題にはならなかった。従って、熱抵抗評価法も従来は比較的簡単で、例えば外装に熱電対を半田付けして温度を測ったり、半導体レーザの閾値や動作電流の上昇から換算したりするなど、簡便或は間接的手法で十分であった。

この従来法の内、熱電対をつける方法では、温度測定の為に付けた熱電対が放熱フィンの様に働いて外界へ熱を放散し、温度上昇を低く見積もらせることになると推測される。殊に、熱電対を構成する導線の太さが太い程、熔接時の接点の大きさが大きい程、測定結果の精度に疑問が多くなる。また、外装に余分な物を付ける事になり、周辺の配置や雰囲気制御などの状況によっては、この方法の採用自体が不可能な場合もあった。

半導体レーザの閾値や動作電流の上昇分から接合温度を求め、接合から外装までの熱抵抗を別途推測して差引く方法は、事前に素子毎の温度特性を測定しておかねばなければならず手間が掛かる上、これ等の閾値や動作電流は動作を繰り返す毎に変化（劣化）するのが普通で信頼性に乏しい。その上、閾値は多くの場合素子の材料と構造とである値以下には出来ないし、閾値を大きく超える電流を流すと素子を急激に劣化させたり破壊したりするので、消費電力を任意には設定できない。更に、接合から外装までの熱抵抗を見積もる際には、ナノ秒からミリ秒の時間領域に於ける接合温度の変化から推定せざるを得ないが、ナノ秒からミリ秒領域での測定には、高周波・高速アナログ信号の処理に経験をもつ技術者が高価で特殊な装置を用いて行なう必要があり、簡単とは言い難い。また、この接合から外装までの熱抵抗を差引いて得られる外装の熱抵抗値の精度は、上記推定の精度に強く依存するので、手間が掛かる割には信頼性に欠け、極限られた範囲にしか使われない。

近年、半導体レーザ業界では、短波長化・高出力化が進む流れにある一方、使われる機器・装置の小型化が求められる結果、素子外装にも小型化が求められる。補足すれば、発振波長の短波長化は、バンドギャップの広い半導体材料を用いることを意味し、これは接合の順方向電圧の増大を意味する。従って、同じ光子数を旧来品と同じ効率で出力するとすれば、従来と同じ電流を流すことになるので、効率が同じでも素子に加えるべき電力（電圧ｘ電流-光出力）は増加する。短波長化それ自身が素子の消費電力の増大を招来するのに、その上に高出力化を求めれば、更に多くの電流を流すことになって、半導体レーザへの入力電力は増大する。この結果、素子側もそれを使う機器・装置側も素子周辺の熱設計が重要性を飛躍的に増してきている。実用性を加味して言換えれば、簡単且つ正確に熱抵抗値を評価できる様にすることが必須になってきた。

解決すべき課題は、発熱量をほぼ任意に設定でき、周囲状況には全く左右されず、また影響を与えずに、簡単且つ正確に熱抵抗を評価できるようにすることである。

採用しようとする素子の外装の中に、単純に発熱体と測温体とを包含させる。素子から出ている端子を介して通電して発熱させ、その温度を別の端子を介して内部の測温体の情報を読み取る事を基本構成とする。

本発明による熱抵抗評価素子を用いれば、通常の半導体レーザを使うと同じ要領で所定
の場所に素子を設定し、電極を接続して電流を流すことで発熱させ、別の端子から温度情報を読み取れば、簡単に外装内の温度が分り、それを発熱体に与えた電力で割り算することによって容易に熱抵抗を求めることが出来る。

以下、本発明に係る実施形態を、半導体レーザの外装とその放熱状況を調べる場合を例に、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第一の実施例を示す。同図（ａ）は、熱特性評価用素子（１）の外見図である。図中（１１）はステムと呼ばれる部分であり、（１２）は金属製キャップで、上記ステム（１１）とは熔接で気密封止されている。また、半導体レーザで用いるキャップ（１２）の頂部には、ガラス窓が付いている。

同図（ｂ）は、キャップ（１２）を外した状態を示す図である。発熱体としてのチップ抵抗（１３）と測温体としてのサーミスタ（１４）が金−錫半田で金属板部（１１５）に半田付けされている。チップ抵抗（１３）は、熱伝導性に優れた窒化アルミ（ＡｌＮ）絶縁性基板上に金属皮膜を付け、その両端部に電極を形成してあり、一方の電極からは端子（１１３）に、他端の電極からは端子（１１４）に金線を用いて接続されている。ここで用いたサーミスタ（１４）の一方の電極はチップの下面に、他電極は上面に出ているので、チップを半田付けする際に、下面の電極は必然的にアース端子である端子（１１１）に接続されており、他電極は端子（１１２）に金線を用いて接続されている。これ等端子（１１１）〜（１１４）の内（１１１）は、ステム（１１）の金属板部（１１５）に繋がっている以外、（１１２）〜（１１４）は電気的に絶縁しつつ気密を保つべく金属板部（１１５）を貫通している。

例えば、周囲温度５０℃の時、この素子外装を単独で空中に立てて使った時の熱抵抗と、素子を金属板に押さえつけて熱を金属板に逃がした場合の熱抵抗とを比較する場合を例に、この素子の使い方を説明する。先ず素子単独の場合、素子をソケットに挿し、端子（１１３）と端子（１１４）との間に例えば１００ｍＡの直流電流を流す。両端の電圧が２．０００Ｖであれば、チップ抵抗（１３）に０．２００Ｗの電力を供給し発熱させていることになる。この時、端子（１１１）と端子（１１２）の間に０．５ｍＡの定電流を流し、その両端子間の電圧を測ると１．２５９０Ｖであったとする。このときの抵抗値は、電圧を電流で割って、２５５８．０Ωを得る。別途事前に、温度対抵抗値のデータを採っておけば、このデータを参照することで、この抵抗が５８．８１℃であることが分る。換言すれば、０．２Ｗの電力消費で８．８１℃温度が上昇したことになり、熱抵抗は４４．１℃／Ｗと計算される。他方、素子（１）の金属板部（１１５）をアルミニウム板に押し付けて同様の測定を行なうと、端子電圧は１．５１５Ｖで、これを換算すると３０３０Ω、５４．１３℃となる。０．２Ｗの電力消費で４．１３℃温度が上昇したことになり、熱抵抗は２０．６℃／Ｗに下がったと評価される。

図２は、第二の実施例を示す。同図（ａ）に見る如く、外見的には図１とほぼ同じであるが、端子の数が３本である点が図１の例と異なる。また、同図（ｂ）には、内部のチップ配置と接続の概要を、キャップ（１２）を外して示している。一見して分るように、サーミスタを垂直なコラム（２３）に取り付けてある。この構造は、半導体レーザチップを垂直に立てて半田付けするためで、半導体レーザ用外装では極一般的である。また、端子数が３本と少ないが、１本の端子を２チップで共用している。

この端子と素子の接続関係を図３に示す。この図は何れも素子を下側から見た図である。同図（ａ）には、先の第一の実施例に示した物と同じで、サーミスタ（１４）の電極はステム（１１）の金属板部（１１５）に繋がった端子（１１１）と絶縁された端子（１１２）とに接続されており、発熱体のチップ抵抗（１４）の電極は、絶縁された端子（１１３）と絶縁された端子（１１４）とに接続されている。これに対して、第二の実施例の接続を示す同図（ｂ）では、先の絶縁された端子（１１３）に相当する端子が無い。そこで、チップ抵抗（１３）の一方の電極は端子（２１１）に接続してある。即ち、サーミスタチップと端子（２１１）を共用していることになる。これ以外の端子（２１２）と端子（２１４）は、サーミスタ（１４）とチップ抵抗（１３）の電極が繋がっている。

第一の実施例に比べて第二の実施例の方が、一般に使われているステム（１１）をそのまま使える利点を有する。

この第二の実施例に於いても、素子の使い方は変らず、第一の実施例で示したと同様の測定を行なうことができる。しかし、大電流を流す端子と、抵抗値の僅かな変化を読み取らねばならない端子を共有すると、共用する領域に僅かな抵抗があるとそこで発生する微小な電圧がサーミスタの抵抗値読み取りに影響を与える。

例えば、温度１２０℃の時のサーミスタの抵抗値はほぼ３８０Ωなので、これに０．５ｍＡ流した場合の端子電圧は１９０ｍＶとなる。一方、チップ抵抗には５００ｍＡ流していたとすれば、ソケットでの残留抵抗や電線の抵抗など合せて１０ｍΩがあったとすれば、この部分で発生する電圧が５ｍＶとなる。チップ抵抗に流す電源の極性とサーミスタの抵抗値を調べる為の定電流電源の極性とが同じであれば、上記サーミスタの端子電圧に上記５ｍＶが加わることとなり、見かけ上１９５ｍＶとなる。一方，極性が逆であれば５ｍＶが減じられることとなり、１８５ｍＶとなる。このサーミスタは、温度が１℃上がると抵抗値が約１０Ω下がる、即ち、０．５ｍＡに対しては５ｍＶ下がることに相当するので、５ｍＶの誤差はほぼ１℃の誤差に相当する。これは多くの場合無視できない。

どの温度帯でも、このような誤差の侵入は、極高い温度でサーミスタの抵抗値が著しく下がっている場合や、サーミスタの自己発熱を避けるため、電流値を低く抑えて抵抗値を測ろうとする場合に起こり、通常はあまり大きな問題とはならない。しかし、状況の適否を毎回判断するのでは作業者に負担が大き過ぎるのと、どんな状況でも誤差は取り除いておきたいと言う観点からは、測定法に工夫しておくのが良い。特に、使用者にこのような知識を期待できない場合には必須の処置である。

測定法の工夫としては、サーミスタの抵抗値を測定する際に、抵抗値測定用定電流源の極性を変えて測定し、得られた２つの値を加えて２で割る（平均する）ことが上げられる。こうすれば、素子内及びソケット近傍での抵抗で発生する微小電圧は相殺される。

勿論、サーミスタの抵抗値測定用の定電流源の極性は一定で、チップ抵抗に流す電流の極性を変えて測定し、平均しても結果は同じで、誤差を相殺できる。

チップ抵抗に流す電流を交流にして、サーミスタに流す電流を直流として、サーミスタの端子電圧を測る際にローパスフィルタを介して測定することも考えられるし、逆にチップ抵抗には直流を流し、サーミスタの抵抗値測定回路に交流を使うことも考えられる。この場合には、抵抗値測定にコンデンサーを用いて直流を除くことで目的を達成できる。

更に、測定精度を上げる為、サーミスタ抵抗値測定回路に交流の位相同期検波（ロックイン）方式を採用すれば、チップ抵抗に流す電流を直流は勿論、交流にしてもサーミスタの抵抗測定用の周波数と同じにさえしなければ交流を用いることも可能になる。

測温体として、ここまでサーミスタチップを用いた例を示してきたが、白金抵抗多など温度に依って抵抗値が変る物であればそれでも構わない。

発熱体として、チップ抵抗を用いてきたが、外装の大きさや扱う電力量などによってはこれに限らず、整流用ダイオードやパワートランジスタであっても良い。

以上の説明では、外装としてチップ周辺を完全に覆う構造のパッケージを想定したが、図１或は図２に於けるキャップ（１２）或は（２２）が無い状態であっても、ステム（１１）或は（２１）が共通であれば外装として扱う。

さらに、電極端子がリード線状のステムでなく、セラミック基板などの板状形状であっても、発熱体チップと測温体チップが共に共通の基板上にあれば、キャップなどのシールが施されているか否かといった上部構造の有無を問わず外装とみなす。

半導体レーザを筆頭とするその特性や寿命がその動作温度に敏感な素子の特性評価、検査、選別装置やエージング装置などの熱抵抗評価に使われる。また、これ等素子を使うモジュールや機器の設計に際し、その熱的条件適当かどうかを評価するに用いられるであろう。

本発明による熱抵抗評価素子とその評価法を用いることに依り、半導体素子の開発、生産部門で当該素子の開発と半ば独立して、その熱的設計を進めることが出来るようになる。

例えば、ブルーレーディスク用の高出力青色半導体レーザが使えるようになる前に、その検査装置やエージング装置、或はＤＶＤなどのディスク装置の設計を進められるようになる効果を持つ。

本発明の第一の実施例を示す素子外見及び素子の内部を示す図 本発明の第二の実施例を示す素子外見及び素子の内部を示す図 素子の下面から見た端子とチップの接続図

符号の説明

１ ：本発明の第一の実施例による素子
１１：ステム
１２：キャップ
１３：チップ抵抗
１４：サーミスタチップ
２ ：本発明の第二の実施例による素子
２１：ステム
２２： キャップ
２３：コラム
１１１：端子
１１２：端子
１１３：端子
１１４：端子
１１５：（ステムの）金属板部
２１１：端子
２１２：端子
２１４：端子
２１５：（ステムの）金属板部

Claims (3)

1. 少なくとも発熱体と測温体とを同一外装内に備えた熱抵抗評価用素子に於いて、測温体が温度敏感性抵抗体であることを特徴とする熱抵抗評価用素子
   
2. 上記請求項１記載の熱抵抗評価用素子であって、発熱体の一方の電極と測温体の一方の電極とが外装の１つの端子を共用することを特徴とする熱抵抗評価用素子
   
3. 上記請求項２記載の熱抵抗評価用素子を用いて熱抵抗を評価するに際し、上記発熱体に通電して発熱させ、上記測温体に電流を流してその端子電圧から抵抗値を読む第一の測定と、上記発熱体或は上記測温体に流す電流のいずれか一方の極性を反転して後上記第一の測定同様に測定する第二の測定と、上記第一の測定と上記第二の測定とで得た上記測温体の２つの抵抗値を算術平均する演算過程とを含む熱特性評価法
   

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