JP2015059867A

JP2015059867A - 熱衝撃試験装置

Info

Publication number: JP2015059867A
Application number: JP2013194434A
Authority: JP
Inventors: 重徳臼井; Shigenori Usui
Original assignee: Risoh Kesoku Kk Ltd
Current assignee: Risoh Kesoku Kk Ltd
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: JP6234756B2

Abstract

【課題】試験室の環境の低温環境または高温環境に、電子部品やその材料の被試験体を速やかに同化させ、さらに、被試験体を、より低い温度の低温環境やより高い温度の高温環境に曝す。【解決手段】熱衝撃試験装置が、熱交換のためのヒートシンクと、ヒートシンクの上面に接して積層して配置された複数のサーモモジュール単体からなるサーモモジュール組立体と、サーモモジュール組立体の最上部のサーモモジュール単体の上面に接して配置された試験槽と、各サーモモジュール単体に電力を供給するための電源と、電源から各サーモモジュール単体に供給する電力の大きさ、タイミング、時間を制御するための制御部とを備え、積層して配置された複数のサーモモジュール単体の中の少なくとも一部のサーモモジュール単体において熱電素子の接続のために高温ハンダを用いている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品やその材料の被試験体に低温環境と高温環境とを交互に与えて熱衝撃試験を行うための熱衝撃試験装置に関する。

ＬＥＤ素子、有機ＥＬ表示部、ＩＣチップ等の電子部品やその材料は様々な温度の環境や急激な温度変化の環境で使用されることが多いため、低温環境や高温環境において、また、低温環境と高温環境との間での急激な温度変化のある環境において耐久性が要求されている。

このため、電子部品やその材料を有する新製品の開発に当たっては、電子部品やその材料をさまざまな低温環境や高温環境に曝したり、低温環境と高温環境との間での急激な温度変化の環境に曝したりする熱衝撃試験が行われている。

従来、熱衝撃試験を行う熱試験装置として、試験室の容量に対して充分大きな熱交換性能を有する冷却コイル及び加熱ヒータと、試験室内の空気を吸込口と吹出口及び冷却コイルと加熱ヒータを通して強制的に循環させるファンと、これらを覆って空気の循環路を形成するカバーとを設け、装置筐体内のカバーによって仕切られた循環路と反対側の空間に、冷却コイルに冷媒を循環させる冷凍機を収納し、ファンの回転と冷凍機及び加熱ヒータの動作を制御して試験室内の温度を急速に上昇または降下させる制御手段を備えた急速昇降温型冷熱試験装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−１３６４４２号公報

しかし、特許文献１のような試験装置では、加熱の際に加熱ヒータおよび強制的な循環ファンを用い、また、冷却の際には冷却機および強制的な循環ファンを用いているため、試験室の環境の低温環境または高温環境に、電子部品やその材料の被試験体を速やかに同化させることは困難である。

また、より低い温度の低温環境やより高い温度の高温環境を得ることが望まれている。

この課題を解消する観点から、本発明は、試験室の環境の低温環境または高温環境に、電子部品やその材料の被試験体を速やかに同化させること、さらに、被試験体を、より低い温度の低温環境やより高い温度の高温環境に曝すことが可能な熱衝撃試験装置を提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み、本発明の熱衝撃試験装置は、熱交換のためのヒートシンクと、前記ヒートシンクの上面に接して積層して配置された複数のサーモモジュール単体からなるサーモモジュール組立体と、前記サーモモジュール組立体の最上部のサーモモジュール単体の上面に接して配置された試験槽と、各サーモモジュール単体に電力を供給するための電源と、前記電源から各サーモモジュール単体に供給する電力の大きさ、タイミング、時間を制御するための制御部とを備え、前記積層して配置された複数のサーモモジュール単体の中の少なくとも一部のサーモモジュール単体において熱電素子の接続のために高温ハンダを用いていることを特徴とする。

この熱衝撃試験装置によると、試験室の環境の低温環境または高温環境に、電子部品やその材料の被試験体を速やかに同化させることができ、さらに、被試験体を、より低い温度の低温環境やより高い温度の高温環境に曝すことができる。

この熱衝撃試験装置において、前記高温ハンダを用いたサーモモジュール単体は、前記積層して配置された複数のサーモモジュール単体において摂氏２００度を越える温度に曝されるサーモモジュール単体として用いられてもよい。

この熱衝撃試験装置において、前記ヒートシンクは、空冷や水冷を行うファンやポンプを備えてもよい。

本発明によると、試験室の環境の低温環境または高温環境に、電子部品やその材料の被試験体を速やかに同化させること、さらに、被試験体を、より低い温度の低温環境やより高い温度の高温環境に曝すことが可能な熱衝撃試験装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る熱衝撃試験装置の構成を簡略化して示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る熱衝撃試験装置のサーモモジュール組立体の構成を簡略化して示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱衝撃試験装置１について図１および図２を参照しながら説明する。なお、図面上、装置の構成の理解を容易にする観点から、装置の構成部分の寸法を適宜拡大または縮小している。

熱衝撃試験装置１は、試験槽１０と、試験槽１０の蓋部５と、サーモモジュール組立体２０と、ヒートシンク３０と、図示しない電源および制御部とを備える。また、試験槽１０を簡略化して試験槽１０の底部だけのような単なるプレートのみとしてもよい。

試験槽１０は、内部に配置される試験対象の電子部品Ｄに低温環境および高温環境を与える試験空間を有する。試験槽１０は、幅（Ｗ１）、奥行き（ｄ１）および高さ（ｈ１）が、それぞれ、４０ｍｍ、４０ｍｍおよび３０ｍｍの寸法を有する直方体形状に形成されていて、上部が開放されている。

試験槽１０の開放されている上部は、蓋部５で覆うことができる。

また、試験槽１０は、底部を形成する伝熱プレートと底部の各辺から上方に延在する側壁を形成する伝熱プレートとによって、上部が開放された箱形状に構成されている。この箱状の内部空間が試験空間１５になる。伝熱プレートは伝熱効率が高い材質の部材、例えば、アルミニウム板や銅板から形成されている。

図１に示すように、底部および側壁の伝熱プレートで囲まれた試験槽１０の底部の伝熱プレートの上に試験対象の電子部品Ｄが直接に置かれる。ただし、治具を底部の伝熱プレートの上に配置し、その治具の上に電子部品Ｄを配置して、電子部品Ｄを試験空間１５内に浮かせるようにしてもよい。

試験槽１０の開放された上部は蓋部５によって覆われ、これにより試験槽１０内からの熱の放出または試験槽１０への熱の流入を防ぐことができる。蓋部５を断熱材で覆ってもよい。

試験槽１０の底部の伝熱プレートの下側には、サーモモジュール組立体２０が配置されている。サーモモジュール組立体２０は、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎを重ねて構成されている。各サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎの構造は同じである。

最上部に重ねられているサーモモジュール単体の上面が試験槽１０の底部の伝熱プレートの下面に接していて、サーモモジュール組立体２０の熱が効率よく試験槽１０の底部および側壁の伝熱プレートに伝達される。

最上部に重ねられているサーモモジュール単体の上面と試験槽１０の底部の伝熱プレートの下面との接触をよくする観点から、それらの間に、例えば、シリコングリースを塗布してもよい。

サーモモジュール単体２０−１は、例えば、図２に詳しく示すように、セラミックプレート２２とセラミックプレート２４を重ね合わせたものである。

セラミックプレート２２とセラミックプレート２４との間には、ｐ型半導体素子とｎ型半導体素子とが交互に接続された多数のペルチェ素子が配置されている。また、隣り合うペルチェ素子が、セラミックプレート２２およびセラミックプレート２４のそれぞれに焼き付けにより取り付けられた金属プレートにハンダで接続されている。本実施の形態では、このハンダとして、溶融温度が、例えば、摂氏３００度を越える高温ハンダを用いている。

これにより、サーモモジュール単体２０−１は、摂氏３００度を越える高温に曝されても機能することができるようになる。なお、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎのように積み重ねた場合に、高温に曝されることのないサーモモジュール単体においては、高温ハンダを用いる必要はない。

その熱電素子の一方及び他方の端部にある熱電素子の各基本素子２８には、熱電素子に電流を供給するためのリード線Ｌ１，Ｌ２が接続されている。リード線Ｌ１，Ｌ２には、図示しない制御部によって電源から所定の電流および電圧が、所定時間、所定のタイミングで供給される。供給される電流の向きに応じて、セラミックプレート２２，２４には発熱および吸熱が生じる。

リード線Ｌ１，Ｌを経由して電流が各サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎに供給されると、サーモモジュール組立体２０を構成する一方の面に配置されたサーモモジュール単体がその時点での温度を基準温度としてそれに対する温度差を生じさせるように発熱し、それに接したサーモモジュール単体が環境温度にその温度差を加えた温度を基準温度としてそれにそのサーモモジュール単体が生じさせる温度差を加える。このようにして、最上段のサーモモジュール単体は、基準温度にサーモモジュール組立体によって発生可能な温度差を加えた温度を発生する。

制御部は、試験プログラムの内容に応じて、電源からサーモモジュール単体に供給する電力の大きさ、タイミング、時間等を制御する。

例えば、サーモモジュール単体２０−１に所定の電流および電圧を供給すると、発熱の場合には、サーモモジュール単体２０−１に、例えば、摂氏約７２度の発熱を発生させることができる。このため、サーモモジュール単体２０−１を例えば４枚重ねると、サーモモジュール単体２０−１から２０−４からなるサーモモジュール組立体２０によって、７２×４＝２８８（度）の温度差を生じさせて発熱を得ることができる。

このように、試験対象の電子部品Ｄに対する低温及び高温環境を得るためには、サーモモジュール単体２０−１を必要な枚数重ね合わせたサーモモジュール組立体を用いる。

なお、サーモモジュール単体２０−１の幅、奥行き及び高さｈ２は、それぞれ、例えば、４０ｍｍ、４０ｍｍおよび４ｍｍである。また、サーモモジュール組立体２０を構成する複数のサーモモジュール単体の隣り合う接触面の間には、より密着性を高めて伝熱効率を高める観点から、例えば、シリコングリースが塗布される。

また、サーモモジュール組立体２０の最も下側にあるサーモモジュール単体２０−ｎの下面には、熱交換のためのヒートシンク３０の上面が接している。ヒートシンク３０では、図示しないファンやポンプを用いて空冷や水冷を行ってもよい。

また、サーモモジュール組立体２０の最も下側にあるサーモモジュール単体２０−ｎの下面と、ヒートシンク３０の上面との密着性を高めるために、それらの間に、例えば、シリコングリースを塗布してもよい。

なお、図２では省略しているが、熱衝撃試験装置１の全周囲は、所定の厚さの伝熱部材で覆われている。

以下に、熱衝撃試験装置１の使用方法の一例を説明する。

まず、試験対象の電子部品Ｄの試験環境に応じた低温環境および高温環境を作り出すことのできるサーモモジュール組立体２０を有する熱衝撃試験装置１を用意する。上記の通り、低温環境および高温環境の温度変化の大きさは、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎの重ね合わせた枚数によって決定される。

このため、摂氏３００度近い高温環境により試験を行う場合には、サーモモジュール単体２０−１から２０−４を重ね合わせたサーモモジュール組立体２０を備える熱衝撃試験装置１を用いる。

次に、試験槽１０の底部の伝熱プレートの上に試験対象の電子部品Ｄを配置して、試験槽１０の開口部に蓋部５を被せる。これにより、伝熱プレートから直接的に電子部品Ｄに低温または高温が供給されるようになる。

次に、図示しない制御部に、試験対象の電子部品Ｄの試験環境に応じた低温環境および高温環境を作り出すための試験プログラムを設定する。この試験プログラムが実行されると、試験プログラムの内容に応じて、電源から、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎの各々のリード線Ｌ１，Ｌ２に所定の電圧・電流が供給される。

これにより、各サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎが、所定の発熱および吸熱を行い、これらの熱エネルギーが試験槽１０の底部の伝熱プレートを経由してその上に置かれた試験対象の電子部品Ｄに伝えられる。

このようにして、熱衝撃試験では、制御部に設定された試験プログラムの内容に応じて、試験対象の電子部品Ｄが、例えば、摂氏２５０度や３００度の高温環境に３０分曝された後に、摂氏−４０度の低温環境に１時間曝されるという工程を数千回、またはそれ以上の回数行うことができる。

この実施の形態では、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎのペルチェ素子の接続のために高温ハンダを用いている。ただし、高温ハンダはその接続の際に酸化し易い傾向があるため、サーモモジュール組立体２０を構成するサーモモジュール単体２０−１から２０−ｎのすべてにおいて高温ハンダを用いる必要はなく、それらの中で、摂氏２００度を越える温度に曝される可能性のあるサーモモジュール単体のみについて高温ハンダを用いたものを使用すればよい。

この実施の形態によると、試験対象の電子部品Ｄには、試験槽１０の伝熱プレートから直接に、サーモモジュール組立体２０で発生した熱が供給される。このため、熱を効率よく利用することができる。

また、この実施の形態によると、試験対象の電子部品Ｄには、試験槽１０の伝熱プレートから直接に、サーモモジュール組立体２０で発生した熱が供給される。このため、従来の気相装置のように比熱の小さな空気によって比熱の大きな個体でできた部品・材料を加熱冷却するのと異なり、比熱の近い金属体である伝熱プレートによって試料を加熱・冷却するので、試料の内部まで、早く効率よく加熱または冷却することができる。

また、この実施の形態によると、従来の熱衝撃試験装置で用いられていたコンプレッサなどの大型機械を不要とし、従来の高温空気ためや低温空気ためを不要とし、さらに、従来の機械部分、可動部分を除いたことにより、寿命や故障平均時間の長期化および小型化を図ることができた。

また、従来の熱衝撃試験装置では、摂氏１２０度や２００度の試験温度が上限であったのを本実施の形態では、試験温度の上限を摂氏２５０度や３００度まで高めることができたため、摂氏２００度を越える熱解析試験を簡単に行えるようになった。

［他の実施の形態］
上記の実施の形態では、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎを垂直方向に重ねてサーモモジュール組立体２０を構成した。これに対し、サーモモジュール単体２０−１から２０−ｎを水平方向に並べてサーモモジュール組立体２０を構成してサーモモジュール組立体２０の面積を大きくし、これとともに、面積の大きな底部の伝熱プレートの試験槽１０を用いるようにしてもよい。これにより、試験室を広くすることができる。

また、上記の実施の形態では、試験槽１０を上部が蓋部５で閉じられた箱形状に形成したものを用いたが、試験槽１０は、平坦な伝熱プレートと、その周囲に配置される側壁の伝熱プレートとから構成されてもよい。

この実施形態の場合、異なる側壁の高さの伝熱プレートを複数種類用意し、試験対象の電子部品Ｄの高さの相違に応じてそれらを使い分けることによって、試験槽１０内の試験空間の高さを適切な大きさに設定することができる。

１熱衝撃試験装置
５蓋部
１０試験槽
２０サーモモジュール組立体
２０−１から２０−ｎサーモモジュール単体
２２、２４セラミックプレート
２８基本素子
３０ヒートシンク

Claims

熱交換のためのヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上面に接して積層して配置された複数のサーモモジュール単体からなるサーモモジュール組立体と、
前記サーモモジュール組立体の最上部のサーモモジュール単体の上面に接して配置された試験槽と、
各サーモモジュール単体に電力を供給するための電源と、
前記電源から各サーモモジュール単体に供給する電力の大きさ、タイミング、時間を制御するための制御部とを備え、
前記積層して配置された複数のサーモモジュール単体の中の少なくとも一部のサーモモジュール単体において熱電素子の接続のために高温ハンダを用いていることを特徴とする熱衝撃試験装置。
前記高温ハンダを用いたサーモモジュール単体は、前記積層して配置された複数のサーモモジュール単体において摂氏２００度を越える温度に曝されるサーモモジュール単体として用いられることを特徴とする請求項１に記載の熱衝撃試験装置。
前記ヒートシンクは、空冷や水冷を行うファンやポンプを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱衝撃試験装置。