JP3327277B2

JP3327277B2 - 表面温度センサヘッド

Info

Publication number: JP3327277B2
Application number: JP34456999A
Authority: JP
Inventors: 伸好田遠
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2002-09-24
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: US20010002918A1; JP2001159568A; US6464393B2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体レ−ザダイオード（Ｌ
Ｄ）は光通信におけるキーデバイスである。半導体レ−
ザ（ＬＤ）は小さいチップに高密度の電流が流れるので
局所的に強く発熱する。発熱によって温度が上昇する。
温度上昇により性能が劣化したり信頼性が低下したりす
る。或いは、発振波長が変動したり、寿命が制限された
りする。そこでＬＤの高効率化のために熱解析が活発に
行われている。

【０００２】また、最近注目を集めている光波長多重化
技術への応用展開では、ＬＤなどのより厳格な温度制御
が要求される。温度変動によって発振波長が変動するか
らである。発振波長が変わると波長分波器の性能、受光
素子の感度も変化するから波長変動が起こらないように
しなければならない。そのために、小さいＬＤの温度分
布をより正確に測定できるよう熱解析技術の向上が強く
要求される。

【０００３】一方ＬＳＩなどの半導体集積デバイスは、
高速化・大容量化の傾向が顕著である。しかし高速化・
大容量化に伴う発熱量の増加が律速となっている。ＬＳ
Ｉの分野でも熱解析技術の進歩が要求される。

【０００４】また、ＬＳＩの検査・選別時には、電気的
測定と温度測定を同時にかつ高速で行い得る検査・選別
技術が必要である。

【０００５】本発明はこれらの要望に応えようとするも
のである。本発明は、ＬＤ、ＬＳＩ等の熱解析、検査に
使用される表面温度センサヘッドを提供する。本発明は
そのため非破壊で複数の微小領域の温度測定を行い広く
温度分布を求めることができる温度プローバのセンサヘ
ッドを提供する。

【０００６】

【従来の技術】熱解析の分野では様々の手段で対象の空
間的な温度分布を細かく調べるようになっている。その
ためには温度センサが必要である。様々な温度センサが
ある。熱電対、サーミスタ、輻射温度計等である。それ
らの異なるセンサを用いる多くの温度測定方法がある。

【０００７】熱電対は、異種の金属線を接続した場合接
続点の温度差に比例した電圧が発生することを利用する
センサである。熱起電力を使用するから熱電対を使う場
合は、サンプルに熱伝導の良いペーストや鑞材で熱電対
の先端を固定して温度分布を測定している。熱電対先端
（接続点）が対象に密に接触していなければならないの
で鑞材などで先端を対象物表面に固定する。先端を固定
する必要があるから使用の態様が制限されるということ
もある。

【０００８】温度によって電気抵抗が変化することを利
用したセンサもある。プラチナ測温抵抗体やセラミック
のチップサーミスタをサンプルに鑞付けして、抵抗値変
化から測温する方法も用いられる。これもセンサ部分は
対象に密着する必要がある。だからセンサ部分を対象物
表面にしっかりと鑞付けする。

【０００９】さらに、微小輻射温度計により温度分布を
求め画像に表示する手法も用いられている。加熱された
物体表面からの輻射はレイリー・ジーンスの法則に従
い、波長のピークは絶対温度の逆数に比例する。また単
位面積当たりの全輻射エネルギーはステファン・ボルツ
マン法則によって絶対温度の４乗に比例する。このよう
なことから対象物表面からの赤外輻射の波長分布や強度
から表面の温度や温度分布を求めることができる。輻射
温度計は非接触の温度計である。非接触であるから対象
温度を離隔した地点から測定できる。輻射を検出する方
向を変える事によって容易に空間分布を求めることもで
きる。

【００１０】本発明ははＬＤやＬＳＩなど小さい素子の
温度分布を精密に求めようとするものである。同じよう
な目的を持った先行技術を概観しよう。

【００１１】特開平４−１９１６２６号「表面温度
測定センサ」はシース熱電対と銅円板を用いて高精度の
温度測定を行おうと試みる。先端を銅円板に差し込んだ
シース熱電対を対象物表面に穿った穴にはめ込み固定し
て温度測定をする。対象物というのは熱交換器、蒸気タ
ービン、反応容器などである。シース熱電対であるのは
対象が金属であり絶縁の必要があるからである。銅円板
を熱電対先端に付けるのは対象物表面温度を正確迅速に
知るためである。熱伝導率が高く熱容量の大きい銅円板
と対象物は短時間で熱平衡になる。熱電対は銅円板にピ
ッチリ差し込んであるから銅温度を測定する。熱電対先
端と対象に押し付けただけでは空隙が残り熱伝導も悪い
し平衡でもないから正確な温度測定ができない。銅円板
によってノイズをカットし対象物温度を正確に測定でき
る。

【００１２】ＬＳＩの検査などでは、ＬＳＩを駆動し、
ＬＳＩの温度制御を行いつつ計測しなければならない。
そのためＬＳＩの電極の全てに同時に接触できる多数の
探針を持ったプローブカード形状のプローバを接触させ
て電気特性を測定する必要がある。温度制御のためにヒ
−タと温度センサの組み合わせが必要である。温度測定
のため一般的にはＬＳＩを汚したり汚損させないよう
に、ＬＳＩのウエハ−を乗せる台に熱電対を付ける構造
が取られている。熱電対でＬＳＩの温度を監視して適当
な温度に維持しつつ電流、電圧、信号を電極から印加し
て出力電流などをモニタする。

【００１３】特開平４−３５９４４５号「温度試験
用プロービング装置」では、半導体ウエハを所定温度に
保持してプローブの針をウエハに接触させ電気的測定を
行う場合の改良に関する。プローブの針がウエハに接触
すると折角精密に温度制御してもウエハ温度分布が乱れ
てしまう。いくら細い針でも僅かな熱伝導を惹起しウエ
ハ温度に擾乱を与えるからである。プローブ針の接触に
よる温度変化を小さくするように、プローブにもウエハ
と同一温度になるような温度制御を施している。プロー
ブの中にペルチエ素子と温度センサを設ける。ペルチエ
素子に順逆に電流を流すことによって加熱冷却両方を行
う。この場合も温度センサとしては熱電対を使用してい
る。プローブの中に熱電対の先端を埋め込んである。埋
め込むのは熱抵抗を下げて正確に温度を検出するためで
ある。

【００１４】特開平７−７４２１８号「ＩＣのテス
ト方法およびそのプローブカード」では、ＩＣウエハ検
査に使われるプローブカードの改良を提案している。Ｉ
Ｃウエハ検査というのはウエハに同等のＩＣを作製した
段階でチップに切り出さずＩＣチップ単位毎の電気的性
能を検査するものである。ＩＣチップ検査であるがウエ
ハの段階で実行するからＩＣウエハ検査ともいう。電極
に接触させるための多数のプローブ針がカードから直下
に向けて垂下されている。プローブ針はＩＣの電極に接
触して電気的な検査をするのである。これは電気的性質
を調べる針以外に温度モニタ用のプローブをカードに立
てるという構造を提案している。この手法では、温度モ
ニタ用のプローブを複数本（四隅）用意することによ
り、ＩＣチップの表面温度分布を短時間で容易に測定で
きる。ウエハはステージにおいてヒ−タで所定の温度に
加熱されて電気的性質が測定されるのであるが、ステー
ジの温度とウエハ温度が必ずしも同一でないこともあ
る。そこでプローブ針を増やしてウエハの表面温度をモ
ニタするものである。温度モニタ用プローブ針も熱電対
である。

【００１５】特開平１１−１２５５６６号「表面温
度測定センサ及び温度測定プローブ」では低熱伝導体の
管に熱電対を通し高熱伝導率の金属半球に熱電対先端を
埋め込んだ構造の表面温度センサヘッドを提案する。表
面温度センサヘッドの半球を被測定物に接触させて表面
温度を測定する温度プローバも合わせて提案している。

【００１６】図２によってこの表面温度センサヘッド３
を説明する。熱電対１は、熱伝導率の低い管２の内部に
挿通される。熱電対１の先端には半球状の高熱伝導率の
接触子１９が取り付けてある。半球の中心に穴２０が穿
孔してあり、ここへ熱電対１の先端が差し込まれ固定さ
れる。接触子１９と熱電対先端は一体となる。半球状接
触子１９は１００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導率を持つ材
料である。接触子１９例えば銅製である。接触子１９は
半球状であって底面は平坦である。平坦底面が対象表面
に接触できる。微小温度分布を検出できるために底面の
直径は０．５ｍｍ〜１ｍｍとしている。極極小さい接触
子である。断熱材１８を介し半球接触子１９を管２の下
端で押さえる。これがプローブヘッドの部分である。

【００１７】金属半球を熱電対先端に付けるのは、熱電
対先端の温度を対象物温度に等しくさせるためである。
そのために金属は熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の高熱
伝導率のものとする。しかし、ここで金属半球は対象物
表面に接触させるだけである。、などと違って対象
物に接着剤などで永久固着するのでない。金属半球の作
用で永久固着しなくても熱電対先端が対象物温度に速や
かに等しくなるからである。この表面温度センサヘッド
（プローブ）は自由に移動できる。プローブを動かして
表面温度分布を詳しく測定できる。空間的な分解能は先
端に付けた金属の大きさによって制限される。だから金
属半球は小さい方が分解能の点からは好都合である。し
かし、あまりに小さいと対象物と安定な熱平衡状態を作
らずノイズに弱くなる。低熱伝導の管を用いるのは、金
属半球から管を通じて熱が移動することによってプロー
ブから対象物の温度に擾乱を与えるのを避けるためであ
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】対象物の温度分布を求
めるための方法がいくつもあるが、それぞれなお難点が
ある。まず熱電対以外の測定方法について問題点を述べ
る。

【００１９】輻射分布温度計は、サンプルから輻射され
る赤外線を、顕微鏡とＣＣＤセンサにより拡大表示する
装置である。画像処理から被測定物（サンプル）の温度
分布をモニターに表示することができる。ところが、サ
ンプルが金属やガラスなどの複合体である場合は、各々
の材料が持つ赤外線に対する輻射率が異なる事と、金属
表面からの乱反射された赤外線が外乱を引き起こすた
め、サンプルにはカーボンなどを塗布する必要があっ
た。このためサンプルを非破壊で温度測定できないとい
う問題があった。

【００２０】また、高さの異なるデバイス、例えばセラ
ミックパッケージに実装されたＩＣの表面とパッケージ
の底の温度分布を調べようとする場合、ＩＣ表面とセラ
ミック表面に高低差があり、顕微鏡の焦点を同時に両者
に合わすことができない。ために温度分布の空間分解能
を確保できないという難点があった。

【００２１】チップサーミスタやプラチナ測温抵抗体で
は、微小チップに抵抗値測定用の極細線を接続した構造
であるので、微小領域の温度測定には不向きであった。
また逆に微小領域温度測定を行うためには、メタライズ
配線を施したサブマウントを介してサンプルにこれらの
センサを鑞付けする必要がある。ために非破壊検査が困
難であった。さらにセンサ間の抵抗値にばらつきが大き
く、複数点の温度測定に向かない。また強度にも欠ける
のでメンテナンス面でも不都合があった。

【００２２】次に熱電対測定について問題を説明する。
熱電対による温度測定は、二本の異なる材質の金属を接
触させ、接触部の熱起電力を測定する方法である。温度
センシング部は二本の異なる材質の金属線の先端の接触
部である。この接触点はサンプルの表面温度と同一にす
るために、通常は熱伝導性のペーストか鑞材に接触させ
ている。このためにサンプルを汚すし、非破壊で接触さ
せることは困難である。

【００２３】特開平４−１９１６２６号は熱電対の接
触点とサンプルの熱伝導性を良くするために、Ｃｕの板
を熱電対の先端に付けることを提案している。このセン
サは複数の微小部分の温度分布測定には不適である。Ｃ
ｕ板材のような一種のヒートシンクを使用する場合次の
ような問題がある。

【００２４】熱電対の先端の接触点とサンプルを同一温
度にさせるためには密着性を高くする必要がある。その
ためには熱電対の先端には、大きなヒートシンクを付け
る方が良い。ところがヒートシンクが大きいとそれ自体
が大きい熱抵抗を持つようになる。それにヒートシンク
が大きいと微小部分の温度分布測定には不向きになる。
ヒートシンクが大きいと、サンプルからヒートシンクを
介しての熱のリークが生じ、非接触時の熱平衡状態を大
きく乱してしまう。これらのために精度の高い測定は困
難である。

【００２５】これらの観点からはヒートシンクであるＣ
ｕ板は小さい方が良いということになる。微小部分の温
度分布測定だから小さいＣｕ板は好適な筈である。しか
し小さいＣｕ板を熱電対先端に固定するのは難しい。熱
電対先端に小さいＣｕ板をたとえ固定できたとしても熱
電対が簡単に剥がれてしまう。或いは熱電対が切れてし
まう。そのような難点があった。

【００２６】特開平７−７４２１８号では、温度セン
サとして、熱電対による温度プローバを使用することが
提案されている。しかしこれは温度プローバの先端部分
の構造については述べるところがない。

【００２７】特開平４−３５９４４５号は温度制御用
のモニタとして熱電対を使用している。一点の温度をモ
ニタするにはこれで十分である。しかし複数点での測定
が必要な温度分布測定には向かない。

【００２８】特開平１１−１２５５６６号では半円球
状の表面温度センサヘッドを使用している。巧みなセン
サである。ここで半球を作るためには、Ｃｕボールを穴
開けしたり、ボールを切削して半球にする等難しい加工
が必要である。特に直径０．８ｍｍ未満のＣｕボールの
微細加工は困難であった。Ｃｕ半球ヘッドが大きいの
で、複雑な表面形状の対象物の温度分布を調べることは
困難である。そうでなくても面内温度分布を微細な部分
まで詳細に調べる事が難しい。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の表面温度センサ
ヘッドは、高熱伝導板材２枚によって熱電対先端を鑞材
と共に挟み込んだ構造である。つまり高熱伝導率板＋鑞
材・熱電対＋高熱伝導率板の３層よりなるセンサヘッド
である。鑞材は板２枚と熱電対先端を結合する作用があ
る。板材は高い熱伝導率とともに相当の熱容量をもたら
し速やかに対象物と安定な平衡状態にいたる。板材は速
やかに平衡に達する必要があるから高熱伝導率である事
が必要である。細い熱電対先端を被測定物に接触させて
も熱容量が低くて不安定である。板材があるので迅速に
安定な平衡に到達する。鑞材と板材を含めた熱伝導率は
高い方が良い。その方が応答性が良いし精度も高い。

【００３０】熱容量は大きすぎると平衡に到達するのに
時間が掛かるので良くない。板材の寸法が温度測定の空
間分解能を制限するから板材はあまり大きすぎない方が
良い。高熱伝導率の板材というのは、ここで１００Ｗ／
ｍＫ以上の熱伝導率を持つということである。１００Ｗ
／ｍＫ以上の熱伝導率を持つ物質として銅、銅合金、Ｍ
ｏ、Ｍｇ、銀、Ａｌ、Ａｌ合金、金などがある。これら
から適したものを選ぶことができる。

【００３１】従来例として述べたと似ている。しかし
は半球状金属を作って穴を開け、そこへ熱電対先端を
通したものである。本発明はそれに似ているが半球状銅
でなく、２枚の板で熱電対の先端を挟んだだけである。
板は簡単に切れるし折曲げることもできる。鑞材を使え
ば熱電対先端を銅板で挟んだ状態を固定することができ
る。２枚の板の組み合わせだからの銅半球に比べ製作
容易だという利点がある。またのように小さい半球に
穴を開ける必要もない。

【００３２】図３はヘッド部３の横断平面図である。図
４は同じヘッド部の縦断面図である。円形の金属板２２
よりなる第１層の上に熱電対１の先端部交差接合部２６
が置かれている。交差接合部２６が熱起電力を発生する
部分である。熱電対先端部は鑞材２５によって金属板２
２にしっかりと固定される。鑞材２５と熱電対先端交差
部２６を含む部分が第２層２３である。第３層２４は金
属板で、鑞材２５と熱電対先端交差部接合部２６を上か
ら押さえている。つまり上下に金属板２２、２４があり
中間に熱電対・鑞材が挟まれた三層構造である。金属板
は高い熱伝導率を持つことが必要である。鑞材２５は熱
電対先端部２６と上下２枚の金属板２２、２４の３者を
互いに接着するためのものである。図４の構造は上下が
円形金属板であり、これは容易に加工できる。

【００３３】本発明のセンサヘッド構造は上から順に、第３層２４…金属板第２層２３…鑞材２５＋熱電対交差接合部２６第１層２２…金属板よりなると言える。

【００３４】本発明のヘッドは、図２（従来例）のもの
と比べ、穴２０を穿孔する必要がない。微小な穴加工は
難しいがそれが不要である。また半球状に金属を加工す
るのも不要である。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の表面温度センサヘッドは
単独のセンサとして利用することができる。またＸＹＺ
ステージと組み合わせて温度プローバとすることもでき
る。両方について説明する。

【００３６】本発明の表面温度センサヘッド（図３、図
４）は単独で、粘着テープによって被測定物に張り付け
る事により、セラミックパッケージに実装したＩＣなど
の非破壊の熱解析、検査に使用できる。粘着テープによ
って張り付けるから動かすことはできないが一定点の表
面温度を時系列的に測定することができる。また検査が
済むと簡単に剥すこともできる。

【００３７】本発明の表面温度センサヘッドは複数の微
小領域の温度測定から温度分布を容易に求めることがで
きる。複数の表面温度センサヘッドを用いて同時多点観
測できるし、一つの表面温度センサヘッドを対象の表面
であちこちに移動させて多点温度測定ができる。粘着テ
ープなどで仮止めするだけだから測定点の変更は容易で
ある。

【００３８】もしも破壊検査が許されるのであれば本発
明の表面温度センサヘッドを熱硬化性樹脂によって被測
定物に接着することもできる。これだと永久に接着する
ことになるが実際にはこのような永久定点観測というの
が最も必要性の高いものである。

【００３９】熱電対を挟んでいるこの板は直径０．８ｍ
ｍ未満に加工可能である。また第１層、第３層として金
属板を複数枚積層することもできる。積層して厚みを持
たせると金属自体を疑似半球状へ加工することも可能で
ある。或いは断熱材を半球状に加工してヘッドにはめ込
むこともできる。そうすると、先端を細くした管の内部
に熱電対線を貫通させて、先端部に断熱材を挟んで表面
温度センサヘッドを取り付けると温度プローバとして使
用できる。

【００４０】図１は温度プローバに組み込んだ本発明の
全体図である。温度プローバにおいて、表面温度センサ
ヘッド３はＸＹＺステージによって三次元方向に移動可
能になっている。昇降可能なプローバ台４の上にマグネ
ットベース５が水平移動自在に設けられる。マグネット
ベース５の上にＸＹＺステージ６が取り付けられてい
る。ＸＹＺステージ６はｘ、ｙ、ｚの三方向に飛行移動
できる。ステージ６には調整螺子７、８が設けられる。
ＸＹＺステージの先端に外向きに彎曲した細いアーム９
が固定される。螺子１０、１１がアーム９の上端部を押
さえる。アーム９の下端１３は水平方向に曲がってい
る。アーム９の先端にはバネ１４を介して固定部材１５
が取り付けられている。固定部材１５には外向き斜め穴
１６が穿ってある。斜め穴１６に先述の管２が差し込ま
れる。管２は螺子１７によって固定されている。熱電対
１は先端が三層構造の接触子３（図３、図４）で固定さ
れ管２に挿通されている。

【００４１】図１０にヘッド部の詳細を示す。三層構造
のヘッド３は半球状の断熱材１８に埋め込まれる。管２
の下端部分が半球状断熱材１８を押さえている。三層構
造ヘッド３は第１層２２、第３層２４の金属板が同じ大
きさであっても良いが、第１層の方が大きくなっていて
も良い。第２層２３は鑞材２５しか見えていないが内奥
に熱電対交差接合部２６が存在する。第１層の金属板２
２が対象物２１の表面に接触し表面と熱平衡に達し温度
を精密に測定できる。

【００４２】熱電対の後ろの部分はほぼ自由になってい
る。プローブが前後左右上下に変位するのを許すためで
ある。熱電対の一部が輪１２によってアーム９の途中に
止められている。水平のバネ１４は弾性変形して、接触
子３が対象物に当たった時の衝撃を緩めることができ
る。管２が接触子３を押さえるので迅速に対象物表面と
熱平衡に到達して温度測定可能になる。プローブは移動
できるから対象表面の任意の部位に当ててその温度を測
定できる。複数箇所の温度を迅速に測定して温度分布を
求めることができる。

【００４３】熱電対の上下を挟む熱伝導率の高い板２
２、２４は、被測定物との接触熱抵抗を低減する効果が
ある。であるから確実に被測定物の表面温度をプローブ
することができる。

【００４４】このプローブヘッドを実現するために、熱
伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の板を使用する。本発明で
用いる板は熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上である。熱電対
は２０Ｗ／ｍＫ以下であるから、両側の板は熱電対より
熱伝導率が高く対象の温度をより正確に測定することが
できる。

【００４５】また板材はφ０．８ｍｍ未満に加工可能で
あり自由な形状に選ぶことができるため、熱電対のサン
ドイッチ構造を鑞材を用いて作製することができる。先
端を細めた管の半球状の保持部と表面温度センサヘッド
の間は断熱材を介して保持している。反対側で熱電対線
にテンションを掛けて固定しているため、管と表面温度
センサヘッドは固着させずに保持することができる。

【００４６】管２と表面温度センサヘッド３の間に断熱
材１８を挟むと熱リークによる温度の不安定要因を解除
することができる。断熱材１８は例えばテフロン樹脂な
どを用いる。管２と表面温度センサヘッド３は断熱材１
８に固着されず幾分の自由度があるので、サンプルとヒ
ートシンクの接触面は平面同士を水平に密着させること
ができる。このプローブヘッドをアームに固着して、Ｘ
ＹＺステージに接続すれば、温度プローバとして複数本
を同時に、また自由自在にサンプルに接触させることが
できる。

【００４７】

【実施例】熱伝導率、熱抵抗の単位系についてここで説
明する。熱伝導率の単位はｃａｌ／ｓｅｃｃｍ℃であ
る。これは１ｃｍ角の立方体の対面に１℃の温度差があ
る時に１秒間に一方の面から他方の面に流れる熱量が幾
らかということである。面積がｃｍ^２で長さがｃｍであ
るから分母にｃｍが残る。ところがｃａｌは国際単位で
ないから以後使用できない。１ｃａｌ＝４．２Ｊ（ジュ
ール）である。１Ｊ／ｓｅｃ＝１Ｗ、ｃｍ＝０．０１ｍ
である。摂氏温度℃と絶対温度Ｋは同じ刻みである。だ
から、１ｃａｌ／ｓｅｃｃｍ℃＝４．２Ｗ／ｃｍＫ＝４
２０Ｗ／ｍＫである。Ｗ／ｍＫは１ｍ^３の立方体の対面
に１Ｋの温度差がある時に１秒間に何Ｊの熱が流れるか
ということで熱伝導率を表現している。これは国際単位
系である。ｍはメートルであってミリではない。熱伝導
率はもちろん物質について定義されるものである。

【００４８】熱抵抗であるが、これは本来物体について
定義されるもので熱伝導率をσとすると、断面積をＡ、
長さをＬとしてＬ／σＡである。だから単位はＫ／Ｗで
ある。これは１Ｗの熱流を引き起こすために物体の両端
に何度の温度差がなければならないかということを意味
する。１Ｋ／Ｗというのはその物体の両端に１℃の温度
差を与えると１Ｗ（１秒間に１Ｊ）の熱流が生じるとい
う意味である。１Ｗの熱流を１Ｋの温度差で生じ得ると
いうのはよほどのことである。１Ｗもの熱流を生じるに
は１０^３〜１０^６Ｋの温度差が必要だという事が多い。
例えば１０^３Ｋ／Ｗを単位とすると１０^３＝ｋであるか
ら、ｋＫ／Ｗと書くことができる。これは両端温度が１
０００度あって初めて１Ｗの熱流を流すことができる媒
質を意味する。

【００４９】熱電対は、サンプルからの熱リークを避け
るために、できるだけ熱伝導率の小さい素材で、しかも
細線である必要がある。熱電対は最小直径が１２μｍの
ものまであるが、あまりに細いと作業性が悪いので、こ
こでは直径５０μｍの熱電対を使用した。

【００５０】熱電対として最も普通に使われるものはク
ロメルアルメルと銅コンスタンタンである。これら熱電
対の熱抵抗を計算する。長さ５ｍｍ、直径０．０５ｍｍ
の細線形状で、クロメルアルメルが約２２ｋＫ／Ｗで、
銅コンスタンタンは約４ｋＫ／Ｗであった。

【００５１】セラミックパッケージに実装したＩＣなど
の配線によく使用される金ワイヤは、長さ１ｍｍ直径２
０μｍを２本である。実は金ワイヤはサンプルの中では
熱的に無視できるほど熱抵抗が高く約８ｋＫ／Ｗ程度で
ある。

【００５２】そこで、直径５０μｍ以下で熱抵抗が８ｋ
Ｋ／Ｗよりも大きいクロメルアルメルを熱電対として選
んだ。

【００５３】熱電対を被覆するシースは、サンプルから
の熱リークを抑えることと、使用環境である外気との熱
リークを抑えるために、熱伝導率が低い材質を用いる必
要がある。さらに耐熱性をも考慮してシースとしてテフ
ロン被覆を選んだ。テフロンの熱伝導率は約２Ｗ／ｍＫ
以下である。

【００５４】１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する板
材としては、ＡｌやＣｕがある。ここではＣｕを板材と
して選んでいる。Ｃｕの板材の上に熱電対の線材を交差
しておいて上部の金属板によって挟む構造にした。その
後、Ｃｕの板材の間に鑞材を流し込んで表面温度センサ
ヘッドを作製した。金属板と鑞材・熱電対の組み合わせ
には幾つかの変種がありうる。

【００５５】（実施例１）図３、図４に示したように、
独立の２枚円板を組み合わせたもの。２枚の円板で鑞材
と熱電対をはさみ一体化する。図１０のように上下の円
板の大きさが相違する場合は、独立円板２枚の組み合わ
せによって精密に作製できる。しかし微小な金属板と熱
電対の接合であるから容易でない。

【００５６】（実施例２）あるいは図５、図６のように
円板２枚がつながったような形状であってもよい。円板
２２、２４が継ぎ手部分２８でつながっている。円板２
２の上に熱電対交差部２６と鑞材２５を置いて円板２４
を折り返して挟み込む。或いは円板２４を折り曲げ熱電
対交差部２６を押さえた状態で２枚の金属間に鑞材を流
し込んでも良い。これで金属と熱電対が一体化する。
（１）よりも加工容易である。継ぎ手部分２８はそのま
ま残しても良いし、研磨して除去してもよい。

【００５７】（実施例３）さらに図７、図８のように円
板２２と円板２２に継ぎ手２８、２９でつながる凸形状
部３１と凹形状部３０を組み合わせて継ぎ手部をハーフ
エッチしたＣｕ板を使用することもできる。凹形状部３
０には開口部３２が形成してある。中央円板２２の上に
熱電対交差部２６を置いて、継ぎ手部分から、凸形状部
３１と凹形状部３０を折り曲げる。隙間３３から熱電対
を外部に取り出す。図８のようにしてから隙間３３より
鑞材２５を流し込んで固定する。鑞材２５を円板２２に
付けてから凸形状部３１と凹形状部３０を折り曲げても
良い。これが最も加工性が優れていた。この表面温度セ
ンサヘッドを用いて、φ０．３ｍｍの微小部分の温度プ
ロービングが可能となった。

【００５８】（実施例４）熱電対は熱起電力変化を利用
するから、被測定物が金属であり電圧が掛かっている場
合は熱電対では温度が正確に測定できない。その場合、
熱電対と被測定物の間を電気的に絶縁しなければならな
い。絶縁が必要な場合はヘッドに絶縁体を取り付ければ
良い。これは電気抵抗、熱伝導率が高いものである材料
を用いる。そのため表面温度センサヘッドに絶縁物であ
る例えばＡｌＮチップ２７を高熱伝導率金属２２の底面
に接合する。ＡｌＮチップは片面はＡｌＮ自身とし、反
対側には金コートする。金コートの部分に表面温度セン
サヘッド先端を鑞付けする。

【００５９】図９において、ＡｌＮの寸法は、０．３ｍ
ｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍｍｔである。絶縁チップとし
て、ＡｌＮの代わりに、ダイヤモンドやＡｌＮ／ダイヤ
モンド複合材を用いる事もできる。そうするとダイヤモ
ンドのためにコストは上がるが、熱伝導率が高いから温
度測定の応答性が向上する。温度測定の精度も上がる。

【００６０】ＡｌＮを鑞付けした表面温度センサヘッド
を用いて、図１のような温度プローバを作製した。管は
長さ５０ｍｍ、外径５ｍｍ、内径３ｍｍで、管の先の細
くなっている部分は外径１．２ｍｍ、内径０．５ｍｍで
ある。管の先端は３０度の傾斜角を付けている。断熱材
は発泡ポリエチレン（ＰＥ）を使用した。発泡ポリエチ
レンは熱伝導率が０．０４Ｗ／ｍＫ以下である。この温
度プローバを使用して、０．３ｍｍ□のスポットの温度
測定を行うことができた。

【００６１】同一の表面温度センサヘッドを５個作製し
て同一部分の温度測定を行った。標準偏差は０．０３℃
であった。このことから標準偏差を３倍して温度測定精
度は０．１℃である事が分かった。

【００６２】この表面温度センサヘッドは、このままプ
ローブカードに装着して、ＬＳＩ等の検査に使用でき
る。さらにアームにアクリルビスで取り付けて、ＸＹＺ
ステージに取り付ける事により、電気的なマイクロプロ
ーバと同等に取り扱う事ができた。電圧が掛かっている
部分に表面温度センサヘッドをそのまま使用すると素子
の電圧が低下したり、温度測定に異常値が出たりして温
度測定できなかったが、絶縁体例えばＡｌＮチップを使
用することによって、電気的測定と温度分布測定を同時
に精度良く行うことができた。

【００６３】

【発明の効果】微小なヘッド部分は板材を重ねて熱電対
先端を押さえる構造となっており製造容易である。金属
塊を半球状に加工したり微細穴穿孔の必要がない。複数
のφ０．８ｍｍ以下の微小領域を同時に高精度で測定可
能な接触型の表面温度センサヘッドを提供することがで
きる。さらに工夫によって０．３ｍｍφの微小領域をも
温度測定できる。この表面温度センサヘッドを使用する
ことにより、短時間高精度のＬＤやＬＳＩの検査が可能
になる。高分解能、高精度の熱解析装置を提供すること
ができる。この表面温度センサヘッドを用いた温度プロ
ーバは、通常のマイクロプローバと同等に扱える。かつ
従来よりも微小な部分のプロービングを行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面温度センサヘッドを用いた温度プ
ローバの概略構成図。

【図２】本発明者の先願である特開平１１−１２５５６
６号によって提案されている表面温度センサヘッドの断
面図。

【図３】２枚の独立の円板を含む本発明の第１の実施例
にかかる表面温度センサヘッドの横断平面図。

【図４】本発明の第１の実施例にかかる表面温度センサ
ヘッドの縦断面図。

【図５】二つの円板部を有する銅板を折り曲げて作製す
る本発明の第２の実施例にかかる表面温度センサヘッド
の製作過程において折り曲げる直前の状態を示す平面
図。

【図６】本発明の第２の実施例にかかる表面温度センサ
ヘッドの平面図。

【図７】円板部とこれにつながる凸形状部、凹形状部を
有する銅板を折り曲げて作製する本発明の第３の実施例
にかかる表面温度センサヘッドの製作過程において銅板
を折り曲げる前の状態を示す平面図。

【図８】本発明の第３の実施例にかかる表面温度センサ
ヘッドの平面図。

【図９】絶縁体であるＡｌＮチップを底部に付けた本発
明の第４の実施例にかかる表面温度センサヘッドの斜視
図。

【図１０】本発明の表面温度センサヘッドを用いて図１
の温度プローバを作製した場合の表面温度センサヘッド
部分の拡大断面図。

【符号の説明】

１熱電対２管３表面温度センサヘッド（接触子）４プローバ台５マグネットベース６ＸＹＺステージ７調整螺子８調整螺子９アーム１０止め螺子１１止め螺子１２輪１３アーム下端１４バネ１５固定部材１６斜め穴１７螺子１８断熱材１９接触子２０穴２１対象物２２第１層金属板２３第２層２４第３層金属板２５鑞材２６熱電対交差接合部２７ＡｌＮチップ２８継ぎ手部２９継ぎ手部３０凹形状部３１凸形状部３２開口部３３隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−191626（ＪＰ，Ａ) 特開平１−145537（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−71924（ＪＰ，Ａ) 特開平11−125566（ＪＰ，Ａ) 特開平４−359445（ＪＰ，Ａ) 特開平７−74218（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−61623（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−112125（ＪＰ，Ｕ) 実開昭64−46638（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 7/02 G01K 1/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物に直接的にまたは他の物質を介
して間接的に接触させる温度センサヘッドであって、被
測定物に近い側から、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の
金属板材で構成される第１層と、第１層の上にある熱電
対の先端交差部と鑞材を含む第２層と、第２層の上にあ
る金属板材の第３層で構成されたことを特徴とする表面
温度センサヘッド。
【請求項２】第１層の板材と第３層の板材は連続した
１枚の銅板であって、銅板を折り曲げて熱電対を挟み鑞
材で固定した構造を有することを特徴とする請求項１に
記載の表面温度センサヘッド。
【請求項３】第１層と第３層の金属板材は１枚の連続
した銅板であって、銅板は、ハーフエッチ部を境にし
て、円形状の中心部とその一部に接する凸形状部と、反
対側に接する凹形状部で構成されることを特徴とする請
求項１または２に記載の表面温度センサヘッド。
【請求項４】第１層部分にダイヤモンド叉はＡｌＮま
たはこの複合基板を接合したことを特徴とする請求項１
〜３のいずれかに記載の表面温度センサヘッド。