JP2014139586A - 熱衝撃試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速かつ高精度の温度調節を実現可能な、半導体素子等の電気電子部品に対してさまざまな温度環境の下で熱衝撃に対する物性変化等を調べるための熱衝撃試験装置を提供する。
【解決手段】第一の蓄熱体が収容され、周囲にペルチェ素子冷却式の冷却器が設置されている低温室と、第二の蓄熱体が収容され、周囲に電気加熱式の加熱器が設置されている高温室と、低温室と高温室の間に設けられている中温室と、試料を載せた状態で中温室を経て低温室または高温室に交互に繰り返し移動される可動台と、低温室および中温室にドライエアを供給する乾燥器とを備え、低温室は、乾燥器からのドライエアによって内部が乾燥され、中温室は、乾燥器からのドライエアによって内部温度が常温に保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ素子等の新材料を使用したパワーモジュールを製作する際等に用いられる熱衝撃試験装置に関する。

従来、半導体素子等の電気電子部品に対してさまざまな温度環境の下で熱衝撃に対する物性変化等を調べるために、熱衝撃試験装置が用いられている。

熱衝撃試験装置の代表例としては、低温空気と高温空気を大量に調製し、試験室にこれら空気を交互に導入することにより所望の温度環境を形成する、いわゆる気相式熱衝撃試験装置がある。

また、特許文献１には、いわゆる接触式熱衝撃試験装置の例として、プレート温調方式の環境試験装置が開示されている。このような接触式熱衝撃試験装置は、試料を載せた冷却プレートや加熱プレートによる直接接触の方式にて試料の温度を調節するので、気相式熱衝撃試験装置に比べて温度調節に要する時間が短くて済み、また、試験室を小容量に形成することが可能である。

特開２００７−１９８９６６号公報

接触式熱衝撃試験装置において、より高精度の温度調節を行うためには、高温室と低温室を区画する必要がある。しかしながら、複数の区画された室間を試料が移動することになると、上述のような接触式熱衝撃試験装置における利点が奪われて、温度調節に長い時間を要したり、装置全体が大型化したりする恐れがある。

そこで本発明の課題は、迅速かつ高精度の温度調節を実現可能な熱衝撃試験装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱衝撃試験装置は、第一の蓄熱体が収容された低温室と、第二の蓄熱体が収容された高温室と、前記低温室と前記高温室の間に設けられ第三の蓄熱体が収容された中温室と、試料を載せた状態で前記低温室および前記高温室に繰り返し導入される可動台とを備え、前記可動台は、前記低温室の内部で第一の蓄熱体に熱を奪われた後に前記中温室に導入されて第三の蓄熱体から熱を与えられ、前記高温室の内部で第二の蓄熱体から熱を与えられた後に前記中温室に導入されて第三の蓄熱体に熱を奪われることを特徴とするものからなる。

このような本発明の熱衝撃試験装置によれば、試料を載せた可動台が、それぞれ第一および第二の蓄熱体が収容された低温室および高温室内に繰り返し導入され、可動台と蓄熱体との間で熱の授受を行い、さらに可動台と試料の間で熱の伝達を行うので、装置を小型化しても迅速かつ高精度に試料の温度調節を行うことが可能となる。

また、本発明の熱衝撃試験装置においては、さらに第三の蓄熱体が収容された中温室を
備えた熱衝撃試験装置であって、前記可動台は、前記低温室の内部で第一の蓄熱体に熱を
奪われた後に中温室に導入されて第三の蓄熱体から熱を与えられ、前記高温室の内部で第
二の蓄熱体から熱を与えられた後に中温室に導入されて第三の蓄熱体に熱を奪われるよう
に形成される。このような第三の蓄熱体が収容された中温室を備え、試料を載せた可動台
が低温室と高温室の間を移動する際に中温室を経由することにより、試料の温度調節に要
する時間を短縮化することが可能となる。

また、中温室の内部温度が常温に保持されていることが好ましい。中温室の内部温度を常温に保持することにより、中温室には外部から加熱または冷却する機構を設けずに済むので、中温室を設けることによる装置全体の大型化を最小限に抑えることが可能となる。

また、前記第一、第二および第三の蓄熱体は、前記可動台との間の熱伝達に際して自身の温度変動を抑えるために十分な熱容量を有していることが好ましい。すなわち、第一〜第三の蓄熱体は、少なくとも可動台の有する熱容量よりも十分に大きい熱容量を有することが好ましい。

また、本発明の熱衝撃試験装置において、前記可動台が前記蓄熱体上に載置されることにより、前記可動台と前記蓄熱体との間で熱伝達が行われることが好ましい。このように、可動台が蓄熱体上に載置されることで可動台と蓄熱体とが接触し、当該接触面を介して熱伝達が行われ、さらに可動台と試料の間で熱伝達が行われることにより、迅速かつ高精度で温度調節が可能な熱衝撃試験装置の可動部分が簡素な機構にて形成される。

また、本発明の熱衝撃試験装置は、前記可動台を前記蓄熱体の上方で昇降させる昇降手段と、前記可動台を水平方向に移動させる水平移動手段とを備えていることが好ましい。すなわち、可動台を第一〜第三の蓄熱体上に載置させる際には可動台を蓄熱体の上方で下降させ、可動台を例えば低温室から高温室に導入する際には、第一の蓄熱体上に載置された可動台を、当該蓄熱体の上方で上昇させた後に水平方向に移動させて高温室に導入し、今度は第二の蓄熱体の上方で下降させて第二の蓄熱体上に載置させる。このように熱衝撃試験装置を構成することにより、可動台を移動させる機構を非常に簡素な形態にて形成することができるので、装置全体の小型化および低廉化が可能となる。

また、前記水平移動手段が、前記低温室と前記高温室にわたって延びるレールを備えたレール機構と、前記可動台を前記レールに沿って引っ張る引張り機構とからなることが好ましい。レール機構と引張り機構によって水平移動手段が構成されることにより、例えば、レール機構上を移動する可動台をワイヤーで引っ張るとともにレール機構を昇降させるだけで昇降手段と水平移動手段の駆動が実現され、可動台の動作を簡便に制御することができる。

本発明の熱衝撃試験装置は、第一の蓄熱体を冷却する冷却器と、第二の蓄熱体を加熱する加熱器とを備えていることが好ましい。例えば、冷却器としてはペルチェ素子を用いたもの、加熱器としては電熱ヒーターを用いたものが採用可能である。

また、前記第一、第二および第三の蓄熱体が銅からなり、前記可動台がアルミニウムからなることが好ましい。例えば、蓄熱体を厚い銅板で形成し、可動台を薄いアルミニウム板で形成することにより、蓄熱体と可動台との間の熱伝達に際して蓄熱体の温度変動を抑制しつつ、可動台の温度を迅速に変化させることが可能となる。

また、本発明の熱衝撃試験装置は、前記低温室の内部を乾燥させる乾燥器を備えていることが好ましい。このような乾燥器を備えることにより、例えば、乾燥空気を低温室に吹き込むことで、低温室内において結露や凍結が生じることを効果的に防止することができる。

本発明の熱衝撃試験装置は、前記高温室から熱を放出する放熱器を備えていることが好ましい。このような放熱器を設けることにより、高温室内の温度調節が効率的に行われるようになる。また例えば、高温室の周囲にグラスウールや真空断熱材を設けて高温室から熱が逃げにくくするとともに、アルミニウム材からなる放熱板を設け、当該放熱板を伝わって高温室の上方から熱を放出可能に構成することにより、高温室の側面や底面の温度上昇を抑制することが可能となるので、熱衝撃試験装置を操作する人が火傷等を負うことが防止される。

前記可動台の位置を検知する位置検知手段を備えていることが好ましい。本発明の熱衝撃試験装置は、基本的に可動台の移動によって昇温工程や降温工程等の工程間の移行を行うので、可動台の現在位置を正確に検知することにより、工程管理を確実に行うことが可能となる。

本発明に係る熱衝撃試験装置によれば、サイズが小型で、消費エネルギーが少なく、高精度かつ迅速に温度調節を行うことができる熱衝撃試験装置が提供される。

本発明の一実施態様に係る熱衝撃試験装置を示す概略断面図である。 図１の熱衝撃試験装置を用いて実施した昇温−降温の繰返し試験結果を示す特性図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る熱衝撃試験装置を示す概略断面図である。熱衝撃試験機１は、低温室２、中温室３と、高温室４の３つの室を備えている。低温室２の下部には第一の蓄熱体としての銅プレート５が設置されており、低温室２の周囲に設置されたペルチェ素子冷却式の冷却器６により温度調節されている。一方、高温室４の下部には第二の蓄熱体としての銅プレート７が設置されており、高温室４の周囲に設置された電気加熱式の加熱器８により温度調節されている。

試料としての試験片９は、可動台としての台車１０の上面に載せられて、熱衝撃試験に供される。台車１０は、レール２１の軌道上を移動することにより低温室２、中温室３および高温室４の間を移動可能に構成されている。図１は、台車１０が高温室４内で銅プレート７上に載置された状態を示しており、この状態で試験片９は高温条件下に晒されている。この状態から、試験片９が中温室３を経て低温室２に移動すると、台車１０が銅プレート５上に載置されて冷却され、さらに台車１０上の試験片９を冷却することにより、試験片９は低温条件下に晒される。そして再び台車１０が中温室３を経て高温室４に移動し、試験片９が再び高温条件下に晒されることで、熱衝撃試験の１温度サイクルが達成される。以上のような台車１０の動作により、試験片９の温度の迅速な上昇および下降が実現される。

図示されていないが、中温室３の下部にも台車１０が載置される第三の蓄熱体としての銅プレートが設置されており、これが台車１０と接触することにより台車１０の温度が調節される。すなわち、高温室４から台車１０が中温室３内に導入されたときは、台車１０を予備的に冷却し、低温室２内での冷却操作に備える。また、低温室２から台車１０が中温室３内に導入されたときは、台車１０を予備的に加熱し、高温室内での加熱操作に備える。このような中温室３の働きにより、迅速かつ効率的に試験片９への熱衝撃を加えることができる。

中温室３と低温室２の間には、低温側ドア１１が設けられており、台車１０が低温室２と中温室３の間を行き来する際に低温側ドア１１は開放され、それ以外の時は閉止される。低温側ドア１１の内部には、断熱材１３が封入されており、低温室２内の低温を保持している。断熱材１３は、低温室２の周囲壁内部にも封入されている。

低温室側と同様、中温室３と高温室４の間には、高温側ドア１２が設けられており、台車１０が高温室４と中温室３の間を行き来する際に高温側ドア１２は開放され、それ以外の時は閉止される。高温側ドア１２の内部には、断熱材１４が封入されており、高温室４内の高温を保持している。断熱材１４は、高温室４の周囲壁内部にも封入されている。

台車１０は、台車１０に接続されたワイヤー１６がモーター１５の発生する動力で引っ張られることにより、レール２１上を移動する。台車１０は、各室３〜５内において各室のほぼ中心位置に停止する。各室３〜５内には、板状の銅プレート５、７等が設置されており、この銅プレートに台車１０を置くことで、銅プレートと台車１０との間で熱を伝える。そして台車１０を設定温度に調節することで、試験片９の温度を設定温度に調整する。台車１０の材質としては、急激な温度変化に対応できるように、熱容量が小さい材質であることが好ましい。本実施態様においては、コスト面も考慮し、アルミで台車１０を作成した。

本実施態様において、台車１０が水平方向に移動するときは、レール２１全体を持ち上げることで台車１０を銅プレートから引き離す。各室３〜５内に台車１０が停止したら、速やかにレール２１全体を下降させて台車１０を銅プレートと接触させる。このようにして、台車１０と銅プレートの間で熱を効率よく伝えることができる。

低温室２内は凍結しやすいので、低温室２内の湿気を除去しておくことが好ましい。具体的には、低温室２内に乾燥器を設けるか、低温室２内の空気を乾燥器に通しながら循環させることができる。

高温室４および低温室２内の温度を設定温度に保持するために、冷蔵庫などに使われる真空断熱材とグラスウールが、熱衝撃試験装置１の壁内に断熱材として封入されている。例えば高温室４については、グラスウールが、高温室４の壁内に設けられた加熱器８近傍に配置されており、真空断熱材が、熱衝撃試験装置１の外面近傍に設けられた二重壁面構造の内部に配置されている。また、低温室２についてはグラスウールが一様に封入されている。

低温室２および高温室４は、それぞれ、支柱としてのアンカー１７、１８に支持されている。熱衝撃試験装置１の重量は、主に断熱材１３、１４、銅プレート５、７、台車１０の重量からなり、特に銅プレートは重量が大きい。そのため、熱衝撃試験装置１を支えるアンカー１７、１８の軸を太く形成すると、アンカー１７、１８を伝って床や地面に熱が逃げ、エネルギー効率が低下するおそれがある。そこで、強度を維持しつつエネルギー効率の低下が防止されるように、アルミ中空パイプでアンカーを作成することが好ましい。

各室３〜５の温度を計測するために、温度センサーとしての熱電対が、高温室４内に３つ（プレートに２つ、内壁に１つ）、中温室３内に２つ、低温室２内に３つ（プレートに２つ、内壁に１つ）、それぞれ設置されている。

台車１０の位置を検知するために、各室３〜５内に位置検知手段としての光学センサーが設置されている。当該光学センサーは、台車１０が停止すべき設定位置を校正可能に構成されている。

以下に、本実施態様における熱衝撃試験装置１を用いて熱衝撃試験を行う場合の操作手順の例を示す。

〔１．高温晒し〕
（１−１）
高温側ドア１２を開け、高温室４に台車１０を移動させ、高温側ドア１２を閉じて、台車１０の温度の上昇を待つ。

（１−２）
はじめの高温晒しでは、温度設定を、所定温度＋１０℃（任意に設定可能）に設定し、所定時間後に所定温度に設定し直す。

（１−３）
所定温度に達して保持状態になった後は、指定時間経過まで待つ。

（１−４）
この指定時間待ちの間に、低温室２の温度を所定温度−１０℃（任意に設定可能）に設定して、その温度（次ステップ待ち温度）に設定し直す。

（１−５）
指定時間経過後は、高温側ドア１２を開けて、中間室３に台車１０を移動させ、高温側ドア１２を閉める。

〔２．中温晒し（１）〕
（２−１）
中温室３で、台車１０の温度が下がるのを待つ。

（２−２）
乾燥器（ドライエア）の中温室側バルブを全開にして、そのドライエア温度又は＋２０℃（どちらか指定可能）に達するのを待つ。ドライエア温度をパラメータとして記憶できるようにして、その温度設定値を用いる。

（２−３）
所定時間内にその温度±１０℃にならない場合は、エラーとする。

（２−４）
ドライエアの中温室側バルブを閉じて、次に進む。

〔３．低温晒し〕
（３−１）
低温側ドア１１を開け、低温室２に台車１０を移動させ、低温側ドア１１を閉じて、台車１０の温度の下降を待つ。

（３−２）
はじめの低温晒しでは、温度設定を、所定温度−１０℃（任意に設定可能）に設定し、所定時間後に、所定温度に設定し直す。

（３−３）
所定温度に達して、保持状態になった後は、指定時間経過まで待つ。

（３−４）
この指定時間待ちの間に、高温槽の温度を所定温度＋１０℃（任意に設定可能）に設定して、その温度（次ステップ待ち温度）に設定し直す。

（３−５）
指定時間経過後は、低温側ドア１１を開けて、中温室３に台車１０を移動させ、低温側ドア１１を閉める。

〔４．中温晒し（２）〕
（４−１）
中温室３で台車１０の温度が上がるのを待つ。

（４−２）
ドライエアの中温室側バルブを全開にして、そのドライエア温度又は＋２０℃（どちらか指定可能）に達するのを待つ。

（４−３）
所定時間内にその温度±１０℃にならない場合は、エラーとする。

（４−４）
ドライエアのバルブを閉じて、次に進む。

〔５．繰り返し〕
上記〔１．高温晒し〕〜〔４．中温晒し（２）〕を指定回数繰り返し、熱衝撃サイクルを実行する。

図１の熱衝撃試験装置を用いて実施した昇温−降温の繰返し熱衝撃試験の結果を、図２に示す。

図２によれば、３００℃に保持された高温室４内において、試験片９の温度は、室温から３００℃まで約３００秒＝５分で上昇している。また、−４０℃に保持された低温室２内において、試験片９の温度は、室温＋２０℃から−４０℃まで約２５０秒＝４分で下降している。高温側ドア１１を開閉しての台車１０の中温室３から高温室４への移動と、低温側ドア１２を開閉しての台車１０の中温室３から低温室２への移動にかかる時間は、それぞれ約３秒、１温度サイクルに占める時間は３秒×４＝１２秒である。すなわち、５分＋４分＋１２秒＝９分１２秒が合計時間となり、１５分以内に１サイクルの熱衝撃試験が十分実施可能であることがわかった。

本発明に係る熱衝撃試験装置は、高耐熱性が要求される自動車用インバータのモジュール等の性能信頼性を評価するために利用可能である。

１ 熱衝撃試験装置
２ 低温室
３ 中温室
４ 高温室
５、７ 銅プレート
６ 冷却器
８ 加熱器
９ 試験片
１０ 台車
１１ 低温側ドア
１２ 高温側ドア
１３、１４ 断熱材
１５ モーター
１６ ワイヤー
１７、１８ アンカー
２１ レール

上記課題を解決するために、本発明に係る熱衝撃試験装置は、第一の蓄熱体が収容された低温室であって周囲にペルチェ素子冷却式の冷却器が設置されている低温室と、第二の蓄熱体が収容された高温室であって周囲に電気加熱式の加熱器が設置されている高温室と、前記低温室と前記高温室の間に設けられている中温室と、試料を載せた状態で前記中温室を経て前記低温室または前記高温室に交互に繰り返し移動される可動台と、前記低温室および前記中温室に乾燥空気を供給する乾燥器とを備え、前記可動台は、前記低温室の内部で第一の蓄熱体に熱を奪われ、前記高温室の内部で前記第二の蓄熱体から熱を与えられ、前記低温室は、前記乾燥器によって内部が乾燥され、前記中温室は、前記乾燥器からの乾燥空気によって内部温度が常温に保持されていることを特徴とする。

また、本発明の熱衝撃試験装置においては、さらに、前記中温室に第三の蓄熱体が収容されていて、前記可動台は、前記低温室の内部で第一の蓄熱体に熱を奪われた後に中温室に導入されて第三の蓄熱体から熱を与えられ、前記高温室の内部で第二の蓄熱体から熱を与えられた後に中温室に導入されて第三の蓄熱体に熱を奪われるようにしてもよい。このような第三の蓄熱体が収容された中温室を備え、試料を載せた可動台が低温室と高温室の間を移動する際に中温室を経由することにより、試料の温度調節に要する時間を短縮化することが可能となる。

Claims (7)

1. 第一の蓄熱体が収容された低温室と、第二の蓄熱体が収容された高温室と、前記低温室と前記高温室の間に設けられ第三の蓄熱体が収容された中温室と、試料を載せた状態で前記低温室および前記高温室に繰り返し導入される可動台とを備え、前記可動台は、前記低温室の内部で第一の蓄熱体に熱を奪われた後に前記中温室に導入されて第三の蓄熱体から熱を与えられ、前記高温室の内部で第二の蓄熱体から熱を与えられた後に前記中温室に導入されて第三の蓄熱体に熱を奪われることを特徴とする熱衝撃試験装置。
2. 前記中温室の内部温度が常温に保持されている、請求項１に記載の熱衝撃試験装置。
3. 前記第一、第二および第三の蓄熱体は、前記可動台との間の熱伝達に際して自身の温度変動を抑えるために十分な熱容量を有している、請求項１または２に記載の熱衝撃試験装置。
4. 前記第一の蓄熱体を冷却する冷却器と、前記第二の蓄熱体を加熱する加熱器とを備えている、請求項１〜３のいずれかに記載の熱衝撃試験装置。
5. 前記第一、第二および第三の蓄熱体が銅からなり、前記可動台がアルミニウムからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の熱衝撃試験装置。
6. 前記低温室の内部を乾燥させる乾燥器を備えている、請求項１〜５のいずれかに記載の熱衝撃試験装置。
7. 前記高温室から熱を放出する放熱器を備えている、請求項１〜６のいずれかに記載の熱衝撃試験装置。
   

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