JP6047474B2 - 環境試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、通電によって発熱する試料体を加熱しながら環境試験する環境試験装置に関するものである。

従来、パワー半導体などの電子部品の信頼性を確認する高温逆バイアス試験、パワー半導体などの電子部品の製造におけるスクリーニング（初期不良を除くこと）を目的としたバーンイン試験などが知られている。例えば高温逆バイアス試験は、パワー半導体に所定の電圧（例えば定格電圧の８０％の電圧）を印加し、パワー半導体を通常使用時よりも高温の雰囲気に曝すことによってパワー半導体の信頼性を評価する試験である。この試験では、パワー半導体に電圧が印加されて通電されると、パワー半導体が発熱する。

このように自己発熱を伴う試料体の温度を一定に制御する方法としては、例えば恒温槽内に配置された試料体に放熱フィンを設けることが考えられる。また、他の方法としては、例えば試料体に送風するファンを設けて、このファンのオン、オフによって試料体の温度を制御することが考えられる。

従来のシリコンパワー半導体は、信頼性評価試験などの試験においてリーク電流が少ないため、試料体の自己発熱量も少なかったが、近年注目されている半導体であるシリコンカーバイドパワー半導体は、前記試験においてリーク電流が多く、例えば定格電圧の８０％の電圧を印加する高温逆バイアス試験における試料体の自己発熱量は、数Ｗ〜１０Ｗ程度にも達することがある。その一方で、前記試験においては、試料体の試験温度と試料体の実際の温度との偏差は１〜２℃未満に抑える必要がある。

特許文献１は、検査対象（ＤＵＴ）毎にヒータを設け、ヒータのオン、オフによって自己発熱するＤＵＴの温度調節を行うバーンイン装置を開示している。

特開２００５−１５６１７２号公報

特許文献１のような従来の試験装置では、試料体の熱と、試料体を加熱するヒータの熱とが恒温槽の槽内に放散される。そして、上記のような自己発熱量の大きい試料体の試験を行う場合、試料体を加熱するヒータの熱量及び試料体の発熱量の総熱量が恒温槽の許容発熱負荷を超過して試料体の温度を試験温度に調節できない場合がある。具体的には次の通りである。

すなわち、試料体の温度を試験温度に調節するときには、前記総熱量が大きいほど恒温槽の槽内温度の槽内目標値を低く設定する必要があるが、通常の試験装置の恒温槽は、槽内の空気を加熱することができる一方で、冷却能力（冷凍能力）には限界があるので、恒温槽の槽内温度を低くすることにも限界がある。したがって、前記総熱量が恒温槽の許容発熱負荷の範囲内であれば、試料体の温度を試験温度に調節することができるが、前記総熱量が恒温槽の許容発熱負荷を超えると、試料体の温度を試験温度に調節することができない。

本発明の目的は、発熱量の大きい試料体であっても試料体の温度を試験温度に調節することができる環境試験装置を提供することである。

（１）本発明の環境試験装置は、通電によって発熱する試料体を加熱しながら環境試験する装置である。前記環境試験装置は、槽内温度の調節が可能な恒温槽と、前記恒温槽内に配置され、前記試料体を加熱する加熱面を有するヒータブロックと、前記加熱面を除いて前記ヒータブロックを覆い、前記ヒータブロックを前記恒温槽内の空気に対して断熱する断熱部材と、前記試料体に通電した状態で前記試料体の温度（Ｔｊ）が試験温度（Ｔｊ０）に近づくように前記ヒータブロックの温度（Ｔｈ）をヒータ目標値（Ｔｈ０）に調節するとともに、前記槽内温度（Ｔａ）を前記試験温度（Ｔｊ０）よりも小さい槽内目標値（Ｔａ０）に調節する制御を行う温度制御部を含む制御手段とを備えており、前記制御手段は、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記ヒータブロックと前記試料体との間の第１熱抵抗に基づいて前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を算出し、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記試料体と前記恒温槽内の空気との間の第２熱抵抗に基づいて前記槽内目標値（Ｔａ０）を算出する目標値算出部を含む。

この構成では、次の理由から、恒温槽が有する許容発熱負荷に対して、試料体の発熱量が占有できる範囲を従来に比べて大きくすることができる。これにより、この構成では、従来に比べて、発熱量の大きな試料体の環境試験が可能になる。

すなわち、従来の環境試験装置では、ヒータと恒温槽内の空気とは断熱されていないので、恒温槽内の空気には、試料体から熱が放散されるだけでなく、ヒータからも熱が放散される。したがって、恒温槽が有する許容発熱負荷に対して、試料体の発熱量が占有できる範囲は、許容発熱負荷からヒータの発熱量を引いた範囲となる。

これに対して、本発明では、ヒータブロックは、加熱面によって試料体を加熱する一方で、加熱面を除いてヒータブロックが断熱部材によって覆われて恒温槽内の空気に対して断熱されている。すなわち、ヒータブロックの出力は、恒温槽内の空気に対して直接放熱されるのではなく、加熱面を介して試料体に放熱され、この試料体を介して恒温槽内の空気に放熱される。したがって、恒温槽が有する許容発熱負荷に対して試料体の発熱量が占有できる範囲を従来に比べて大きくすることができる。これにより、この構成では、従来に比べて、発熱量の大きな試料体の環境試験が可能になる。

上述したようにヒータブロックの出力は、恒温槽内の空気に対して直接放熱されるのではなく、加熱面を介して試料体に放熱され、この試料体を介して恒温槽内の空気に放熱される。この場合、試料体が試験温度（Ｔｊ０）に近づくように試料体を加熱する役割は、主にヒータブロックが担い、恒温槽は、試料体からの恒温槽内の空気への放熱が安定して行われるようにする役割を担う。したがって、槽内温度（Ｔａ）は、試験温度（Ｔｊ０）よりも小さい槽内目標値（Ｔａ０）に調節される。そして、槽内温度（Ｔａ）が槽内目標値（Ｔａ０）に調節されることによって、試料体から安定して放熱が行われるので、試料体の温度調節の精度をより高めることができる。

また、この構成では、上記のような温度制御部を備えているので、前記恒温槽内において複数の試料体を同時に試験する場合であっても、温度制御部は、各試料体の温度（Ｔｊ）が試験温度（Ｔｊ０）に近づくように、各試料体に対応するヒータブロックの温度（Ｔｈ）を各試料体に対応するヒータ目標値（Ｔｈ０）に調節するとともに、前記槽内温度（Ｔａ）を前記試験温度（Ｔｊ０）よりも小さい槽内目標値（Ｔａ０）に調節することによって、発熱量の異なる複数の試料体を同時に試験することができ、複数の試料体の温度（Ｔｊ）をすべて同じ試験温度（Ｔｊ０）で試験することができる。

上述したようにヒータブロックは、断熱部材によって覆われて恒温槽内の空気に対して断熱されているので、この構成では、例えば、後述する図６に示されるような等価熱抵抗モデルが近似的に成り立つ。したがって、目標値算出部は、ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、試験温度（Ｔｊ０）、及び第１熱抵抗に基づいてヒータ目標値（Ｔｈ０）を算出し、ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、試験温度（Ｔｊ０）、及び第２熱抵抗に基づいて槽内目標値（Ｔａ０）を算出することができる。

（２）前記環境試験装置において、前記制御手段は、前記試料体の温度（Ｔｊ）と前記試験温度（Ｔｊ０）との偏差が小さくなるように、前記偏差に基づいて前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を設定変更するヒータ目標値変更部を含んでいるのが好ましい。

この構成では、ヒータ目標値変更部が前記偏差に基づいてヒータ目標値（Ｔｈ０）を設定変更するので、試料体の温度（Ｔｊ）を試験温度（Ｔｊ０）に精度よく近づけることができる。

（３）前記環境試験装置において、前記制御手段は、前記第１熱抵抗及び前記第２熱抵抗を算出する熱抵抗算出部を含んでいるのが好ましく、この場合において、前記熱抵抗算出部は、前記試料体に通電していない状態で、前記ヒータブロックの温度（Ｔｈ）を暫定的なヒータ暫定値（Ｔｈ１）に調節するとともに、前記槽内温度（Ｔａ）を暫定的な槽内暫定値（Ｔａ１）に調節し、温度平衡に達した後の前記試料体の温度（Ｔｊ）、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、及び前記ヒータ暫定値（Ｔｈ１）に基づいて前記第１熱抵抗を算出し、温度平衡に達した後の前記試料体の温度（Ｔｊ）、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、及び前記槽内暫定値（Ｔａ１）に基づいて前記第２熱抵抗を算出する。

上述したようにヒータブロックは、断熱部材によって覆われて恒温槽内の空気に対して断熱されているので、この構成では、例えば、後述する図６に示されるような等価熱抵抗モデルが近似的に成り立つ。したがって、このような熱抵抗モデルに基づいて、熱抵抗算出部は、上述のように第１熱抵抗及び第２熱抵抗を算出することができる。そして、算出された第１熱抵抗及び第２熱抵抗を用いて、槽内目標値（Ｔａ０）などを算出することができる。すなわち、この構成では、放熱系の熱抵抗を自動測定して試験条件を求めることができる。

（４）前記環境試験装置において、前記制御手段は、前記試料体の発熱量（Ｐｓ）が増加して前記発熱量（Ｐｓ）と前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）との関係が所定の条件を満たすと、前記ヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）をより大きな値に設定変更し、設定変更された前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）から前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を再算出し、設定変更された前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記第２熱抵抗に基づいて前記槽内目標値（Ｔａ０）を再算出し、再算出された値に前記槽内目標値（Ｔａ０）を再設定する槽内目標値変更部を含んでいるのが好ましい。

この場合には、恒温槽の槽内温度を調節するための発熱量を最小にした状態で試験を行うことができるとともに、恒温槽の許容発熱負荷限界まで試験を自動継続することができる。具体的には次の通りである。すなわち、試料体の中で最も発熱する試料体の発熱量が例えば１０Ｗとすると、ヒータブロックのヒータ最大電力（ヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０））を１０Ｗ＋αとして槽内温度の設定が行われる。試験時間の経過とともに試料体の発熱量が増えてくると、ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）を上昇させて試料体の温度（Ｔｊ）の制御温度幅を確保し、その一方で槽内温度の槽内目標値（Ｔａ０）を低くする。このように試料体の発熱量（Ｐｓ）の増加に応じてヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）をより大きな値に設定変更することにより、ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）をできるだけ小さく抑えることができる。これにより、ヒータの出力電力を最小値としながら、恒温槽の許容発熱負荷限界まで試験を行うことができる。

（５）前記環境試験装置は、前記試料体の熱を放散するための放熱板を備えているのが好ましい。放熱板は、試料体と恒温槽内の空気との間の熱抵抗を低くするために設けられる。この熱抵抗が低くなると、恒温槽の槽内温度（Ｔａ）の槽内目標値（Ｔａ０）は高く設定される。これにより、恒温槽の許容発熱負荷は大きくなり、試料体の発熱量をより多く許容できることになる。

以上説明したように、本発明によれば、発熱量の大きい試料体であっても試料体の温度を試験温度に調節することができる環境試験装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る環境試験装置を示す正面図である。 前記実施形態に係る環境試験装置の試料配置台及びこれに支持された試料体を示す平面図である。 前記実施形態に係る環境試験装置の概略の構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る環境試験装置におけるヒータブロック、試料体、断熱部材及び放熱板を示す断面図である。 前記実施形態に係る環境試験装置における制御ブロック図である。 前記実施形態に係る環境試験装置における等価熱抵抗モデルを示す図である。 前記実施形態に係る環境試験装置における等価熱抵抗モデルを示す図である。 前記実施形態に係る環境試験装置における等価熱抵抗モデルを示す図である。 （Ａ），（Ｃ）は、本実施形態に係る環境試験装置を用いて環境試験を行ったときの試料体の温度と試験温度（目標値）との関係を示すグラフであり、（Ｂ），（Ｄ）は、従来の環境試験装置を用いて環境試験を行ったときの試料体の温度と試験温度（目標値）との関係を示すグラフである。

＜環境試験装置の構造＞
以下、本発明の実施形態に係る環境試験装置１ついて図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る環境試験装置１を示す正面図である。環境試験装置１は、通電によって発熱する試料体５を加熱しながら環境試験するための装置である。環境試験装置１は、パワー半導体などの電子部品の信頼性を確認する高温逆バイアス試験、バーンイン試験などの信頼性評価試験を行うことができる。

環境試験装置１では、試料体に通電しながら試料体５を通常の使用温度よりも高い温度の空気中に曝して試料体５に温度ストレスを与えることによって試料体５の促進劣化試験を行う。また、環境試験装置１では、試料体５に対して、所定の電圧（例えば試料体５の定格電圧、定格電圧の８０％の電圧など）を印加することもできる。

通電によって発熱する試料体としては、シリコンパワー半導体、シリコンカーバイドパワー半導体などを用いた電子部品が挙げられる。特に、シリコンカーバイドパワー半導体は、高温逆バイアス試験においてリーク電流が大きくなるが、本実施形態の環境試験装置１を用いることにより、発熱する試料体の温度と試験温度との偏差を小さくすることができ、これにより、信頼性試験の精度を高めることができる。具体的には、試料体５としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、Ｃ−ＭＯＳ ＦＥＴ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、システムＬＳＩ（System Large Scale Integration）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのように通電時の発熱量が大きなものが例示できる。

図２は、環境試験装置の試料配置台４及びこれに支持された試料体５を示す平面図である。図３は、本実施形態に係る環境試験装置の概略の構成を示すブロック図である。図１〜図３に示すように、環境試験装置１は、恒温槽２と、恒温槽２内に設けられた複数の試料配置台４と、各試料配置台４の上面に設けられた複数のヒータブロック６と、各ヒータブロック６の一部を覆う断熱部材７と、環境試験装置１を制御する制御手段１０とを備える。恒温槽２は、例えば直方体形状を呈しており、図略の操作パネルなどが設けられている。

恒温槽２は、複数の試料配置台４を収容する収容空間３を形成する箱体である。恒温槽２は、収容空間３を囲む断熱壁を有する。恒温槽２は、槽内の空気の温度を所定の温度に調節することができる。恒温槽２は、槽内温度を調節するための温度調節機構を備える。この温度調節機構は、図３に示すように、恒温槽２内の空気（収容空間３内の空気）の温度を検知する温度センサ３１、恒温槽２内の空気を加熱するヒータ３２、恒温槽２内の空気の流れを形成するファン３３などを含む。恒温槽２は、恒温槽２内の空気を冷却する冷却機構（冷凍機）を備えていない。なお、恒温槽２は、冷却機構（冷凍機）を備えていてもよい。

恒温槽２内には、図４に示すように試料体５の温度を検知する温度センサ５１が設けられている。この温度センサ５１は、試料体５内に予め設けられていてもよく、試料体５の表面に取り付けられるものであってもよい。温度センサ５１が試料体５内に設けられている場合には、この温度センサ５１によって検知される温度は、試料体（半導体デバイス）の接合部温度（ジャンクション温度）である。また、温度センサ５１が試料体５の表面に取り付けられている場合には、予めジャンクション温度と試料体５の表面温度との温度差（ΔＴ℃）を、別途計測された熱抵抗に基づいて求めておく。この温度差と温度センサ５１によって検知される温度とに基づいて、ジャンクション温度を求めることができる。恒温槽２は、湿度調整機能を備えた恒温恒湿槽としてもよい。

図２に示すように、各試料配置台４は、複数の試料体５を支持することができる。環境試験装置１は、これらの試料体５に対して、通電するための図略の電圧印加ユニットを備える。複数の試料配置台４は上下方向に配列されている。

図１及び図４に示すように、本実施形態では、試料配置台４の上面には、断熱部材７、ヒータブロック６、試料体５及び放熱板８がこの順に配置されている。放熱板８は、必須のものではなく、省略することができる。

ヒータブロック（ヒータプレート）６は、上下方向の厚みが水平方向の寸法よりも小さい扁平形状を呈しており、平面視で矩形状を有するプレート状の部品である。ただし、ヒータブロック６の形状は、矩形状に限られず、また、プレート状に限られない。ヒータブロック６は、試料体５が配置される加熱面（上面）６ａと、この加熱面６ａの反対側の下面６ｂと、加熱面６ａ及び下面６ｂの周縁同士を接続している側面６ｃとを有する。本実施形態では、加熱面６ａは平面であるがこれに限られない。加熱面６ａに対向する試料体５の被加熱面（下面）５ｂは、加熱面６ａに接している。これにより、試料体５は、ヒータブロック６によって加熱される。

図４に示すように、ヒータブロック６は、温度センサ６１と、ヒータ６２と、これらを支持するブロック本体６３とを含む。本実施形態では、温度センサ６１及びヒータ６２はブロック本体６３に収容されているが、これに限られない。温度センサ６１は、例えばブロック本体６３の表面（外面）に設けられていてもよい。

断熱部材７は、ヒータブロック６を恒温槽２内の空気に対して断熱するために、ヒータブロック６の一部を覆っている。すなわち、断熱部材７は、ヒータブロック６の加熱面６ａを除いてヒータブロック６を覆っている。本実施形態では、断熱部材７は、ヒータブロック６における加熱面６ａを除く部分を覆っており、具体的には、下面６ｂと側面６ｃを覆っている。断熱部材７は、ヒータブロック６の下面６ｂに対向する底部７１と、ヒータブロック６の側面６ｃに対向する側部７２とを有する。

断熱部材７の材料としては、種々の断熱材料を用いることができ、特に限定されるものではないが、例えば発泡樹脂やグラスウールなどを用いることができる。発泡樹脂の原料となる合成樹脂としては、例えばポリウレタン、ポリスチレン、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）などを例示できる。

放熱板８は、試料体５の上面（放熱面）５ａに接する対向面（下面）８ｂと、その反対側の放熱面（上面）８ａとを有する。本実施形態では、放熱板８は、平板形状を呈しているが、これに限られない。放熱板８は、例えば放熱面８ａに図略の複数のフィンなどが設けられていてもよい。放熱板８は、金属などの熱伝導性に優れる材質により形成されている。放熱板８としては、例えばアルミニウム、銅などの金属板、シリコンゴムシートなどの樹脂板などが例示できる。試料体５で生じた熱は、放熱板８に伝達され、この放熱板８から恒温槽２内の空気に放熱される。ただし、上述したように放熱板８は省略可能である。

図５は、本実施形態に係る環境試験装置１における制御ブロック図である。なお、以下では、温度センサ３１によって検知される恒温槽２内の空気の温度を温度Ｔａとし、恒温槽２内の空気の温度Ｔａの目標値を槽内目標値Ｔａ０とする。また、温度センサ５１によって検知される試料体５の温度を温度Ｔｊとし、試料体５の温度の目標値を試験温度Ｔｊ０とする。また、温度センサ６１によって検知されるヒータブロック６の温度を温度Ｔｈとし、ヒータブロック６の温度の目標値をヒータ目標値Ｔｈ０とする。また、ヒータブロック６のヒータ出力を加熱電力Ｐとし、加熱電力Ｐの目標値を設定値Ｐ０とする。

図５に示すように、制御手段１０は、図略の中央演算処理装置、メモリなどを有する。制御手段１０の機能には、温度制御部１１、熱抵抗算出部１２、目標値算出部１３、ヒータ目標値変更部１４、槽内目標値変更部１５、記憶部１６などが含まれている。制御手段１０は、ヒータブロック６の温度Ｔｈを検知する温度センサ６１、槽内温度Ｔａを検知する温度センサ３１、及び試料体５の温度を検知する温度センサ５１からの温度データを受けて、これらの温度データに基づいてヒータブロック６の温度、恒温槽２内の温度などを調節する制御を行う。

温度制御部１１は、前記試料体５に通電した状態で試料体５の温度Ｔｊが試験温度Ｔｊ０に近づくように、ヒータブロック６の温度Ｔｈをヒータ目標値Ｔｈ０に調節するとともに、槽内温度Ｔａを試験温度Ｔｊ０よりも小さい槽内目標値Ｔａ０に調節する制御を行う。

熱抵抗算出部１２は、後述する第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）を算出する。

目標値算出部１３は、ヒータブロック６の出力の設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を算出し、ヒータブロック６のヒータ出力の設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて槽内目標値Ｔａ０を算出する。

ヒータ目標値変更部１４は、試料体５の温度Ｔｊと試験温度Ｔｊ０との偏差を小さくするために、前記偏差に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を設定変更する。

槽内目標値変更部１５は、試料体５の発熱量が増加してこの発熱量とヒータブロック６のヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０との関係が所定の条件を満たすと、ヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０をより大きな値に設定変更し、設定変更されたヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて槽内目標値Ｔａ０を算出する。

記憶部１６は、試験温度Ｔｊ０、ヒータ目標値Ｔｈ０、槽内目標値Ｔａ０、ヒータ出力の設定値Ｐ０などを記憶する。

なお、本実施形態では、図３に示すように、制御手段１０は、ヒータブロック６の温度を調節する温度調節器１０Ａと、これ以外の制御を行うコントローラ１０Ｂとを備えているが、これに限られない。例えば、制御手段１０は、温度調節器１０Ａとコントローラ１０Ｂとが一体に形成されたものであってもよい。

＜環境試験装置の動作＞
次に、本実施形態に係る環境試験装置１の動作について説明する。環境試験装置１による環境試験は、下記の試料体配置ステップ、熱抵抗測定ステップ、初期目標値算出ステップ、及び本試験ステップを含む環境試験方法を実行する。

（試料体配置ステップ）
試料配置ステップでは、例えば図１及び図２に示すように複数の試料体５が試料配置台４上の所定の位置に配置される。具体的には、図４に示すように各試料体５は、ヒータブロック６の加熱面６ａ上に搭載される。各試料体５の放熱面５ａ側には、必要に応じて放熱板８が配置される。試料体５を配置した試料配置台４は、恒温槽２内の所定の位置に配置される。その後、恒温槽２の図略の扉が閉じられる。

（熱抵抗測定ステップ）
次に、熱抵抗測定ステップが行われる。図６は、本実施形態に係る環境試験装置１における等価熱抵抗モデルを示す図である。本実施形態では、ヒータブロック６は、加熱面６ａを除く部分が断熱部材７によって覆われており、恒温槽２内の空気に対して断熱されている。すなわち、ヒータブロック６の熱の大半は、恒温槽２内の空気に直接放散されず、試料体５に伝わる。したがって、本実施形態では、図６に示すような熱抵抗モデルが近似的に成り立つ。

そして、本実施形態では、熱抵抗測定ステップにおいて、熱抵抗算出部１２は、ヒータブロック６と試料体５との間の第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）と、試料体５と恒温槽２内の空気との間の第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）とを、例えば次のように算出する。

熱抵抗算出部１２は、試料体５に電圧を印加せず通電していない状態で、ヒータブロック６の温度Ｔｈを暫定的なヒータ暫定値Ｔｈ１に調節するとともに、槽内温度Ｔａを暫定的な槽内暫定値Ｔａ１に調節する。槽内暫定値Ｔａ１は、ヒータ暫定値Ｔｈ１よりも小さい値に設定される。槽内暫定値Ｔａ１及びヒータ暫定値Ｔｈ１の値は、試験温度Ｔｊ０の近傍に設定されるのが好ましい。これにより、実際の試験温度Ｔｊ０に近い温度域における熱抵抗を得ることができ、また、熱抵抗測定ステップ以降のステップにおける恒温槽２及びヒータブロック６の予熱も兼ねることができる。具体的に、ヒータ暫定値Ｔｈ１は、例えば試験温度Ｔｊ０に設定され、槽内暫定値Ｔａ１は、ヒータ暫定値Ｔｈ１よりも数度〜十数度低い値（例えばヒータ暫定値Ｔｈ１よりも約１０℃低い値）に設定されることができるが、これに限られない。

そして、温度制御部１１は、槽内の温度Ｔａを槽内暫定値Ｔａ１に調節し、ヒータブロック６の温度Ｔｈをヒータ暫定値Ｔｈ１に調節する制御を行い、これらの系は温度平衡に達する。温度平衡に達した後の熱抵抗モデルは、例えば図７によって示される。

熱抵抗算出部１２は、温度平衡に達した後のヒータ出力Ｐと、温度平衡に達した後の試料体５の温度Ｔｊと、槽内暫定値Ｔａ１と、ヒータ暫定値Ｔｈ１とから、第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）と第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）を下式に基づいて算出する。

すなわち、温度平衡に達した後の関係式は、次の通りである。

Ｔｊ＝Ｔｈ１−Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）×Ｐ ・・・（１）
Ｔａ１＝Ｔｊ―Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）×Ｐ ・・・（２）
これらの式（１），（２）より各熱抵抗が次のように求められる。

第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）＝（Ｔｈ１−Ｔｊ）／Ｐ ・・・（３）
第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）＝（Ｔｊ−Ｔａ１）／Ｐ ・・・（４）

（初期目標値算出ステップ）
次に、目標値算出部１３は、後述する本試験を開始するときのヒータ目標値Ｔｈ（初期ヒータ目標値Ｔｈ０）及び本試験を開始するときの槽内目標値Ｔａ０（初期槽内目標値Ｔａ０）を次式に基づいて算出する。

すなわち、本試験を開始するときのヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０（初期設定値Ｐ０）と、試験温度Ｔｊ０とが予め設定され、これらの設定値Ｐ０及び試験温度Ｔｊ０を下式（５），（６）に代入することによって初期槽内目標値Ｔａ０及び初期ヒータ目標値Ｔｈ０を算出する。

Ｔｈ０＝Ｔｊ０＋Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）×Ｐ０ ・・・（５）
Ｔａ０＝Ｔｊ０−Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）×Ｐ０ ・・・（６）
すなわち、初期ヒータ目標値Ｔｈ０は、初期設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）に基づいて算出される。初期槽内目標値Ｔａ０は、初期設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて算出される。

（本試験ステップ）
次に、制御手段１０は、試料体５に通電しながら試料体５を通常の使用温度よりも高い温度（試験温度Ｔｊ０）の空気中に曝して試料体５に温度ストレスを与える本試験を実行する。具体的には次の通りである。

まず、温度制御部１１は、試料体５に電圧を印加して通電した状態で試料体５の温度を試験温度Ｔｊ０に近づけるために、ヒータブロック６の温度をヒータ目標値Ｔｈ０（初期ヒータ目標値Ｔｈ０）に調節するとともに、槽内温度を試験温度Ｔｊ０よりも小さい槽内目標値Ｔａ０（初期槽内目標値Ｔａ０）に調節する制御を行う。

この本試験ステップでは、試料体５に通電されているので、試料体５自体が発熱する。このときの発熱量Ｐｓを考慮に入れた熱抵抗モデルは、例えば図８によって示される。ヒータブロック６の温度Ｔｈは、ヒータ目標値Ｔｈ０に調節されるので、ヒータ出力Ｐは、図８に示すように初期設定値Ｐ０よりも小さい値（Ｐ０−Ｐｓ）となる。値Ｐｓは、試料体５の発熱量である。

図８に示す熱抵抗モデルでは、試料体５の温度Ｔｊは、下式（７）のようになり、試料体５が発熱していないときに比べて、[Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）×Ｐｓ]だけ高くなる。

Ｔｊ＝Ｔｈ０−Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）×（Ｐ０−Ｐｓ） ・・・（７）
したがって、制御手段１０は、本試験における実際の制御では、試験温度Ｔｊ０と試料体５の温度Ｔｊとの差を監視して、これらに温度偏差がある場合には、この偏差をヒータブロック６の温度Ｔｈの設定値Ｔｈ０に反映し、その結果として試料体５の温度Ｔｊが試験温度Ｔｊ０に一致又は近似するように制御する。

具体的には、ヒータ目標値変更部１４は、試験温度Ｔｊ０に対して試料体５の温度Ｔｊが高い場合には、ヒータブロック６の温度Ｔｈの設定値Ｔｈ０をより小さい値に再設定し、試験温度Ｔｊ０に対して試料体５の温度Ｔｊが低い場合には、ヒータブロック６の温度Ｔｈの設定値Ｔｈ０をより大きい値に再設定する。再設定前と再設定後の設定値の差は、予め定められた一定値であってもよく、前記偏差に応じて大きさが変わる値であってもよい。

また、制御手段１０のコントローラ１０Ｂは、ヒータブロック６の出力Ｐ（加熱量）をモニタしている。本試験中に試料体５の発熱量Ｐｓが増加し、この発熱量Ｐｓとヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０との関係が所定の条件を満たすと、槽内目標値変更部１５は、槽内目標値Ｔａ０を例えば次のように再設定する制御を行う。

すなわち、試料体５の発熱量Ｐｓがヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０（ヒータの最大出力Ｐ０）に対して予め定められた所定の範囲内に近づいた場合、槽内目標値変更部１５は、ヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０（ヒータの最大出力Ｐ０）をより大きな値に再設定する。そして、この設定変更された設定値（Ｐ０）からヒータブロック６の温度Ｔｈの設定値Ｔｈ０が再算出される。また、槽内目標値変更部１５は、上述した式（６）に基づいて、槽内目標値Ｔａ０を算出し、その値を槽内目標値Ｔａ０に再設定する。

Ｔａ０＝Ｔｊ０−Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）×Ｐ０ ・・・（６）
そして、予め定められた本試験の試験時間が経過するなどの試験終了のタイミングに到達すると、制御手段１０は、試料体５への通電、ヒータブロック６のヒータ６２への通電、恒温槽２のヒータ３２への通電などを停止するように各部位を制御する。

なお、上述した各ステップにおいては、恒温槽２のファン３３を適宜運転するのが好ましく、これによって恒温槽２内の空気が均一化される。

＜試験結果＞
図９（Ａ），（Ｃ）は、本実施形態に係る環境試験装置１を用いて環境試験を行ったときの試料体の温度と試験温度（目標値）との関係を示すグラフである。図９（Ｂ），（Ｄ）は、従来の環境試験装置を用いて環境試験を行ったときの試料体の温度と試験温度（目標値）との関係を示すグラフである。

図９（Ａ），（Ｂ）は、互いに同じ試料体５を用いたときの試験結果である。図９（Ｃ），（Ｄ）は、互いに同じ試料体５を用いたときの試験結果である。図９（Ｃ），（Ｄ）に示す試験では、図９（Ａ），（Ｂ）における試料体５よりも発熱量Ｐｓが大きい試料体５を用いた。また、図９（Ａ），（Ｃ）に示す試験結果は、図３−５に示す構成を備える環境試験装置１を用いて、上述した試料体配置ステップ、熱抵抗測定ステップ、初期目標値算出ステップ、本試験ステップを含む制御をしたときの試験結果である。また、図９（Ｂ）、（Ｄ）に示す試験結果は、ヒータブロックが断熱部材によって覆われていない環境試験装置を用いたときの試験結果である。

図９（Ａ）−（Ｄ）に示される何れの試験においても、試験温度Ｔｊ０は１５０℃に設定されている。

図９（Ａ）−（Ｄ）に示すように、本実施形態に係る環境試験装置１では、従来の環境試験装置に比べて、試料体５の温度Ｔｊと試験温度Ｔｊ０との偏差が非常に小さく抑えられていることがわかる。

＜実施形態のまとめ＞
以上説明したように、本実施形態では、恒温槽２が有する許容発熱負荷に対して、試料体５の発熱量が占有できる範囲を従来に比べて大きくすることができる。これにより、この構成では、従来に比べて、発熱量の大きな試料体５の環境試験が可能になる。

すなわち、従来の環境試験装置では、ヒータと恒温槽内の空気とは断熱されていないので、恒温槽内の空気には、試料体から熱が放散されるとともに、ヒータからも熱が放散される。したがって、恒温槽が有する許容発熱負荷に対して、試料体の発熱量が占有できる範囲は、許容発熱負荷からヒータの発熱量を引いた範囲となる。

これに対して、本実施形態では、ヒータブロック６は、加熱面６ａによって試料体５を加熱する一方で、加熱面６ａを除いてヒータブロック６が断熱部材７によって覆われて恒温槽２内の空気に対して断熱されている。すなわち、ヒータブロック６の出力は、恒温槽２内の空気に対して直接放熱されるのではなく、加熱面６ａを介して試料体５に放熱され、この試料体５を介して恒温槽２内の空気に放熱される。したがって、恒温槽２が有する許容発熱負荷に対して試料体５の発熱量が占有できる範囲を従来に比べて大きくすることができる。これにより、この構成では、従来に比べて、発熱量の大きな試料体５の環境試験が可能になる。

本実施形態では、環境試験装置１は、試料体５に通電した状態で試料体５の温度Ｔｊが試験温度Ｔｊ０に近づくように、ヒータブロック６の温度Ｔｈをヒータ目標値Ｔｈ０に調節するとともに、槽内温度Ｔａを試験温度Ｔｊ０よりも小さい槽内目標値Ｔａ０に調節する制御を行う温度制御部１１を含む制御手段１０を備えている。

上述したようにヒータブロック６の出力は、恒温槽２内の空気に対して直接放熱されるのではなく、ヒータブロック６の加熱面６ａを介して試料体５に放熱され、この試料体５を介して恒温槽２内の空気に放熱される。この場合、試料体５が試験温度Ｔｊ０に近づくように試料体５を加熱する役割は、主にヒータブロック６が担い、恒温槽２は、試料体５からの恒温槽２内の空気への放熱が安定して行われるようにする役割を担う。したがって、槽内温度Ｔａは、試験温度Ｔｊ０よりも小さい槽内目標値Ｔａ０に調節される。そして、槽内温度Ｔａが槽内目標値Ｔａ０に調節されることによって、試料体５から安定して放熱が行われるので、試料体５の温度調節の精度をより高めることができる。

また、環境試験装置１は、上記のような温度制御部１１を備えているので、恒温槽２内において複数の試料体５を同時に試験する場合であっても、温度制御部１１は、各試料体５の温度Ｔｊが試験温度Ｔｊ０に近づくように、各試料体５に対応するヒータブロック６の温度Ｔｈを各試料体５に対応するヒータ目標値Ｔｈ０に調節するとともに、槽内温度Ｔａを試験温度Ｔｊ０よりも小さい槽内目標値Ｔａ０に調節することによって、発熱量の異なる複数の試料体５を同時に試験することができ、複数の試料体５の温度Ｔｊをすべて同じ試験温度Ｔｊ０で試験することができる。

本実施形態では、制御手段１０は、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、試験温度Ｔｊ０、及び第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を算出し、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて槽内目標値Ｔａ０を算出する目標値算出部を含んでいる。上述したようにヒータブロック６は、加熱面６ａを除く部分が断熱部材７によって覆われて恒温槽２内の空気に対して断熱されているので、本実施形態の環境試験装置１では図６に示されるような等価熱抵抗モデルが近似的に成り立つ。したがって、目標値算出部１３は、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、試験温度Ｔｊ０、及び第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を算出し、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて槽内目標値Ｔａ０を算出することができる。

本実施形態では、制御手段１０は、試料体５の温度と試験温度Ｔｊ０との偏差を小さくするために、前記偏差に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を設定変更するヒータ目標値変更部１４を含んでいる。この構成では、ヒータ目標値変更部１４が前記偏差に基づいてヒータ目標値Ｔｈ０を設定変更するので、試料体５の温度を試験温度に精度よく近づけることができる。

本実施形態では、制御手段１０は、第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）を算出する熱抵抗算出部１２を含んでいる。この場合において、熱抵抗算出部１２は、試料体５に通電していない状態で、ヒータブロック６の温度Ｔｈを暫定的なヒータ暫定値Ｔｈ１に調節するとともに、槽内温度Ｔａを暫定的な槽内暫定値Ｔａ１に調節し、温度平衡に達した後の試料体５の温度Ｔｊ、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、及びヒータ暫定値Ｔｈ１に基づいて第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）を算出し、温度平衡に達した後の試料体５の温度Ｔｊ、ヒータブロック６のヒータ出力Ｐ、及び槽内暫定値Ｔａ１に基づいて第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）を算出する。上述したようにヒータブロック６は、加熱面６ａを除く部分が断熱部材７によって覆われて恒温槽２内の空気に対して断熱されているので、本実施形態の環境試験装置１では、図６に示されるような等価熱抵抗モデルが近似的に成り立つ。したがって、このような熱抵抗モデルに基づいて、熱抵抗算出部１２は、上述のように第１熱抵抗Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ）及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）を算出することができる。

本実施形態では、制御手段１０は、試料体５の発熱量Ｐｓが増加して発熱量Ｐｓとヒータブロック６のヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０との関係が所定の条件を満たすと、ヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０をより大きな値に設定変更し、設定変更された前記ヒータブロック６のヒータ出力Ｐの設定値Ｐ０、試験温度Ｔｊ０、及び第２熱抵抗Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ）に基づいて槽内目標値Ｔａ０を算出し、算出された値に槽内目標値Ｔａ０を再設定する槽内目標値変更部を含んでいる。この場合には、常に最小電力で試験を行うことができるとともに、恒温槽２の許容発熱負荷限界まで試験を自動継続することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

前記実施形態では、例えば図６に示すような熱抵抗モデルに基づいて第１熱抵抗及び第２熱抵抗を、環境試験において算出するように構成されているが、これに限られない。これらの第１熱抵抗及び第２熱抵抗としては、環境試験前に予め算出されて記憶された値が用いられてもよい。

１ 環境試験装置
２ 恒温槽
４ 試料配置台
５ 試料体
５ａ 放熱面
６ ヒータブロック
６ａ 加熱面
７ 断熱部材
８ 放熱板
１０ 制御手段
１０Ａ 温度調節器
１０Ｂ コントローラ
１１ 温度制御部
１２ 熱抵抗算出部
１３ 目標値算出部
１４ ヒータ目標値変更部
１５ 槽内目標値変更部
１６ 記憶部
３１ 温度センサ
３２ ヒータ
３３ ファン
５１ 温度センサ
６１ 温度センサ
６２ ヒータ
Ｐ ヒータ出力（加熱電力）
Ｐ０ ヒータ出力の初期設定値
Ｐｓ 試料体の発熱量
Ｒｔｈ（ｈ−Ｔｊ） ヒータブロックと試料体との間の熱抵抗
Ｒｔｈ（Ｔｊ−Ｔａ） 試料体と恒温槽内の空気との間の熱抵抗
Ｔａ 槽内温度
Ｔａ０ 槽内目標値（初期槽内目標値）
Ｔａ１ 槽内暫定値
Ｔｈ ヒータブロックの温度
Ｔｈ０ ヒータ目標値（初期ヒータ目標値）
Ｔｈ１ ヒータ暫定値
Ｔｊ 試料体の温度
Ｔｊ０ 試験温度

Claims (5)

1. 通電によって発熱する試料体を加熱しながら環境試験する環境試験装置であって、
   槽内温度の調節が可能な恒温槽と、
   前記恒温槽内に配置され、前記試料体を加熱する加熱面を有するヒータブロックと、
   前記加熱面を除いて前記ヒータブロックを覆い、前記ヒータブロックを前記恒温槽内の空気に対して断熱する断熱部材と、
   前記試料体に通電した状態で前記試料体の温度（Ｔｊ）が試験温度（Ｔｊ０）に近づくように前記ヒータブロックの温度（Ｔｈ）をヒータ目標値（Ｔｈ０）に調節するとともに、前記槽内温度（Ｔａ）を前記試験温度（Ｔｊ０）よりも小さい槽内目標値（Ｔａ０）に調節する制御を行う温度制御部を含む制御手段と
   を備えており、
   前記制御手段は、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記ヒータブロックと前記試料体との間の第１熱抵抗に基づいて前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を算出し、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記試料体と前記恒温槽内の空気との間の第２熱抵抗に基づいて前記槽内目標値（Ｔａ０）を算出する目標値算出部を含む、
   環境試験装置。
2. 前記制御手段は、前記試料体の温度（Ｔｊ）と前記試験温度（Ｔｊ０）との偏差が小さくなるように、前記偏差に基づいて前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を設定変更するヒータ目標値変更部を含む、請求項１に記載の環境試験装置。
3. 前記制御手段は、前記第１熱抵抗及び前記第２熱抵抗を算出する熱抵抗算出部を含み、
   前記熱抵抗算出部は、前記試料体に通電していない状態で、前記ヒータブロックの温度（Ｔｈ）を暫定的なヒータ暫定値（Ｔｈ１）に調節するとともに、前記槽内温度（Ｔａ）を暫定的な槽内暫定値（Ｔａ１）に調節し、温度平衡に達した後の前記試料体の温度（Ｔｊ）、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、及び前記ヒータ暫定値（Ｔｈ１）に基づいて前記第１熱抵抗を算出し、温度平衡に達した後の前記試料体の温度（Ｔｊ）、前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）、及び前記槽内暫定値（Ｔａ１）に基づいて前記第２熱抵抗を算出する、請求項１又は２に記載の環境試験装置。
4. 前記制御手段は、前記試料体の発熱量（Ｐｓ）が増加して前記発熱量（Ｐｓ）と前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）との関係が所定の条件を満たすと、前記ヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）をより大きな値に設定変更し、設定変更された前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）から前記ヒータ目標値（Ｔｈ０）を再算出し、設定変更された前記ヒータブロックのヒータ出力（Ｐ）の設定値（Ｐ０）、前記試験温度（Ｔｊ０）、及び前記第２熱抵抗に基づいて前記槽内目標値（Ｔａ０）を再算出し、再算出された値に前記槽内目標値（Ｔａ０）を再設定する槽内目標値変更部を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の環境試験装置。
5. 前記試料体の熱を放散するための放熱板を備える、請求項１〜４の何れか１項に記載の環境試験装置。
   

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