JP6716242B2 - 差温センサ - Google Patents

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Description

本発明は、差温センサに関する。より詳細には、本発明は、ゼーベック効果熱電センサである。さらに本発明は、複数のそのようなセンサを備える差温測定装置に関する。
図１に示されているように、高熱源Ｓｃと冷熱源Ｓｆとの間の現況技術の公知の差温センサ１は、
− 好ましくはシリコンをベースとする材料で作成された基板（図示されず）と、
− 基板上に配置され、断熱材料１０２により分離された熱電層の組立体であって、熱電対１００、１０１の少なくとも１つの第１の接点１０を組立体の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対１００、１０１の少なくとも１つの第２の接点１１を組立体の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体と、
− 各第１の接点１０および各第２の接点１１にそれぞれ熱を伝えるように配置された少なくとも１つの第１の接続パッドおよび少なくとも１つの第２の接続パッド（図示されず）と
を備える。
「高熱」および「冷熱」という用語は、相対的な意味で理解されるものであり、すなわち、「高熱」源の温度は、「冷熱」源の温度よりも高い。
接続パッドは、高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆに熱的に接続されることが意図されている。
熱電層の組立体は、Ｎ個の熱電対１００、１０１、すなわち、第１の熱電材料１００に基づくＮ個の層と、第２の熱電材料１０１で作成されたＮ個の層とを備える。各第１の接点１０と、各第２の接点１１とは、導電性材料で形成される。
センサ１により生成される出力電圧Ｖは、以下の式
Ｖ＝Ｎ×（Ｓ２−Ｓ１）×（Ｔｃ−Ｔｆ）
により提供されるが、ここで、
− Ｎは、熱電対１００、１０１の数であり、
− Ｓ１およびＳ２は、それぞれ第１の熱電材料１００および第２の熱電材料１０１のゼーベック係数であり、
− （Ｔｃ−Ｔｆ）は、組立体の高熱側と冷熱側との間に適用される温度勾配である。
そのような現況技術のセンサ１は、チップを形成し、薄層技術の範疇に入り、よって巨視的なゼーベック効果熱電センサとは異なる。
「チップ」とは、好ましくはシリコンで作成され、基本構成要素を備えるウェーハを意味する。
したがってそのような現況技術のセンサ１は、小型化が望まれる多様な用途で使用される。非限定的な例として、超小型電子技術、携帯電話、スマート・ホーム、スマート・ビルディング、スマート・グリッド、またはある種の工業プロセスを挙げることができる。
さらに、基板に対して直角な流れの温度を測定することができる非統合型の平面センサが、従来技術において公知であり、詳細には、文献ＷＯ２００７０３４０４８、ＦＲ２９５５７０８、ＷＯ８４０２０３７、およびＦＲ２５９８８０３より公知である。
現在、電子機能を実現するために、そのようなセンサ１を回路内の他の基本構成要素に統合する作業は、回路製造の技術プロセス中に実行される。この解決策は、隣接する基本構成要素の影響を考慮する必要がある方法ステップの実行に複雑さと複数の制約とをもたらすため、満足のいくものではない。
さらに、そのようなセンサ１を集積回路パッケージ等のパッケージに直接統合すると、膨大な熱損失を生じさせ、それが組立体の高熱側と冷熱側との間に適用される温度勾配に影響を与え、よってセンサ１の適切な動作を妨げる。
ＷＯ２００７０３４０４８ ＦＲ２９５５７０８ ＷＯ８４０２０３７ ＦＲ２５９８８０３
本発明は、上述された欠点のすべてまたは一部を克服することを目指しており、この目的のために、基板と、基板上に配置された熱電層の組立体であって、熱電対の少なくとも１つの第１の接点を組立体の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対の少なくとも１つの第２の接点を組立体の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体と、各第１の接点および各第２の接点にそれぞれ熱を伝達するように配置された少なくとも１つの第１の接続パッドおよび少なくとも１つの第２の接続パッドとを備える、高熱源と冷熱源との間の差温センサであって、
− 基板を支持するように配置され、少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピンおよび少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピンを備える、断熱性の支持部材と、
− 支持部材を前記または各第１の接続パッドおよび前記または各第２の接続パッドにそれぞれ電気的に接続するように配置された第１の金属接続手段および第２の金属接続手段と、
− 熱電層の組立体と支持部材とを包囲する外部パッケージであって、高熱源および冷熱源にそれぞれ接続されることを意図されている第１の面および反対の第２の面と、第１の面を各第１のコネクタ・ピンに接続する第１のビア（ｖｉａ）と、第２の面を各第２のコネクタ・ピンに接続する第２のビアとを備える外部パッケージと
を備え、支持部材が、各第１のコネクタ・ピンから第１の金属接続手段に熱を伝達し且つ第２の金属接続手段から各第２のコネクタ・ピンに熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備える点で顕著である、センサに関する。
よって、本発明に係るそのようなセンサは、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段により、支持部材に直接統合される。支持部材の金属コネクタ・ピンは、
− 電子基板等への支持部材の電気的な接続と、
− 高熱源および冷熱源と支持部材との間の、第１のビアおよび第２のビアを介した良好な熱伝導と
の両方を提供することを可能にする。
第１の接続手段および第２の接続手段の金属的な性質は、
− 接続パッドへの支持部材の電気的な接続と、
− 支持部材と接続パッドとの間の良好な熱伝導と
の両方を提供することを可能にする。
「断熱性」とは、支持部材が、約１５０Ｗ／ｍ／Ｋの値よりも小さい熱伝導率を有することを意味する。
「熱伝導性」とは、実体（エンティティ）が、約１５０Ｗ／ｍ／Ｋの値よりも大きい熱伝導率を有することを意味する。
支持部材は、第１の金属接続手段と第２の金属接続手段との間で、支持部材を介して熱橋（ｔｈｅｒｍａｌ ｐａｔｈ）が形成されるのを回避するために、断熱している。よって、高熱源と冷熱源との間の温度勾配は、第１の金属接続手段と第２の金属接続手段との間で伝えられ得る、したがって熱電層の組立体の高熱側と冷熱側との間で第１の接続パッドおよび第２の接続パッドを介して伝えられ得る。
さらに、統合に起因する熱損失は、熱伝達手段と、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段とにより、大幅に軽減される。
さらに、外部パッケージは、高熱源および冷熱源が支持部材のいずれかの側に、基板に対して直角な平面で配置されているときに、統合型のセンサチップを維持しながら、温度を測定することを可能にする。「センサチップ」とは、基板と、熱電層の組立体と、接続パッドとにより形成される構造を意味する。外部パッケージの厚さと、外部パッケージの第１の面および第２の面とは、高熱源と冷熱源とを分離する距離に適合される。外部パッケージの面およびビアは、高熱源および冷熱源から支持部材に熱を伝達する。
外部パッケージの第１の面および第２の面は、熱電伝導材料で被覆されていると有利である。
よって、高熱源および冷熱源とビアとの間の熱伝達が向上させられる。面は、熱伝導性を有するようになされ、ビアは、高熱源および冷熱源と支持部材との間で熱を伝達する。
実施形態によると、センサは、支持部材に配置されて熱電層の組立体を包含する、好ましくは重合体をベースとする材料で作成された包含層を備える。
実施形態によると、センサは、熱電層の組立体を包囲する集積回路パッケージを備え、集積回路パッケージが、支持部材を備え、外部パッケージが、集積回路パッケージを包囲する。
よって、本発明に係るそのようなセンサは、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段により、集積回路パッケージに直接統合される。外部パッケージの厚さと、外部パッケージの第１の面および第２の面とは、高熱源と冷熱源とを分離する距離に適合され、一方で集積回路パッケージの寸法は、固定され得る。さらに、集積回路パッケージは、熱電層の組立体を包含することを可能にする。
集積回路パッケージが、少なくとも１つの電気コネクタ・ピンを備え、外部パッケージが、電気コネクタ・ピンから延在する少なくとも１つの電気トラックを備えると有利である。
よって、そのような電気トラックは、外部パッケージの電気出力を画定することを可能にする。
外部パッケージは、集積回路パッケージを支持するように配置された支持部材を備えると有利である。
よって、外部パッケージの支持部材は、センサの機械的動作を向上させることを可能にする。
実施形態によると、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段は、前記または各第１の接続パッドおよび前記または各第２の接続パッドにそれぞれはんだ付けされて、基板と支持部材とを組み立てるはんだバンプを備える。
よって、そのような金属性のはんだバンプは、優れた熱伝導特性を有する。
代替の実行によると、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段は、前記または各第１の接続パッドおよび前記または各第２の接続パッドにそれぞれ溶接されて、基板と支持部材とを組み立てるボンディング・ワイヤを備える。
実施形態によると、熱伝達手段は、
− 第１の接続手段を前記または各第１の金属コネクタ・ピンに接続する少なくとも１つの第１の金属トラックと、
− 第２の接続手段を前記または各第２の金属コネクタ・ピンに接続する少なくとも１つの第２の金属トラックと
を備える。
よって、そのような金属トラックは、支持部材の中で、
− 組立材の高熱側と冷熱側との間の熱橋を回避し、
− 電気的な接続を提供し、
− 金属コネクタ・ピンと対応する接続手段との間の良好な熱伝導を提供し、
− トラックの良好な機械的動作を維持する
ためのパターンを与えられる。
熱電層の組立体が自由面を有し、センサが、自由面に対向し、自由面から離間して延在し、組立体を高熱側および冷熱側でそれぞれ継続する、第１の熱伝導要素および第２の熱伝導要素を備えると有利である。
よって、そのような熱伝導要素は、熱電層の組立体の高熱側と冷熱側との間の熱伝達を均質化することを可能にする。
センサは、基板と熱電層の組立体との間に挿入された誘電層を備えると有利である。
よって、そのような誘電層は、基板を電気的および熱的に絶縁することを可能にする。
実施形態によると、基板は、シリコンをベースとする材料で作成される。
代替の実行によると、基板は、ガラスや石英などの断熱材料で作成される。
さらに本発明は、
− 本発明に係る複数のセンサと、
− 各センサの支持部材が形成される、第１の印刷回路と、
− 各センサの熱電層の組立体と支持部材とを包囲する外部パッケージを、第１の印刷回路と第２の印刷回路が共に形成するように、第１の印刷回路に対向して配置される、第２の印刷回路と
を備える、差温測定装置に関する。
よって、本発明に係るそのような装置は、異なる媒体の温度を同時に測定することを可能にする。
上記およびその他の特徴および利点が、本発明に係るセンサおよび装置の多様な実施形態についての、添付の図面を用いた以下の非限定的な説明で詳細に説明される。
（既に説明された）現況技術のセンサの概略上面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの部分概略側面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略上面図である。 図３に示された実施形態の部分概略側面図である。 本発明に係るセンサを統合することが可能な集積回路パッケージの概略斜視図である。 図５に示されたパッケージが裏返された状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。 本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。 ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。 ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。 ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。 図１１ａ乃至図１１ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１１ａ乃至図１１ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１１ａ乃至図１１ｃに示された実施形態の概略断面図である。 ビアの多様な実施形態の概略上面図である。 ビアの多様な実施形態の概略上面図である。 ビアの多様な実施形態の概略上面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 図１３ａ乃至図１３ｃに示された実施形態の概略断面図である。 外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。 外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。 外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 図１６ａ乃至図１６ｃに示された位置の概略断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。 本発明に係る装置の断面図である。 図２４に示された装置の部分上面図である。 図２４に示された装置の部分上面図である。
説明を簡単にするため、多様な実施形態について、同一の符号が同一の要素または同じ機能を実行する要素に対して使用される。多様な実施形態について以下に説明される技術的な特性は、個別に考慮されるか、または任意の技術的に可能な組み合わせに応じて考慮される。
図２乃至図２３ｃは、高熱源Ｓｃと冷熱源Ｓｆとの間の差温センサ１であって、
− 基板３（図４に示される）と、
− 基板３上に配置された熱電層の組立体Ｅであって（組立体Ｅおよび基板３は、図２および図７乃至図９において長方形として概略的に示されている）、熱電対１００、１０１の少なくとも１つの第１の接点１０を、組立体Ｅの高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対１００、１０１の少なくとも１つの第２の接点１１を、組立体Ｅの冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体Ｅと、
− 各第１の接点１０および各第２の接点１１にそれぞれ熱を伝達するように配置された、少なくとも１つの第１の接続パッド５０および少なくとも１つの第２の接続パッド５１と
を備える、センサ１を示している。
センサ１は、
− 基板３を支持するように配置され、少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピン３０および少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピン３１を備える、断熱性の支持部材２と、
− 支持部材２を、前記または各第１の接続パッド５０および前記または各第２の接続パッド５１にそれぞれ電気的に接続するように配置された、第１の金属接続手段および第２の金属接続手段と、
− 熱電層の組立体Ｅと支持部材２とを包囲する外部パッケージ８であって、
高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆにそれぞれ接続されることを意図されている第１の面８ａおよび反対の第２の面８ｂと、
第１の面を各第１のコネクタ・ピン３０に接続する、好ましくは金属性である、第１のビア８０と、
第２の面を各第２のコネクタ・ピン３１に接続する、好ましくは金属性である、第２のビア８１と
を備える外部パッケージ８と
をさらに備える。
支持部材２は、各第１のコネクタ・ピン３０から第１の金属接続手段に熱を伝達し、且つ第２の金属接続手段から各第２のコネクタ・ピン３１に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備える。
「高熱」および「冷熱」という用語は、相対的なかたちで理解されるものであり、すなわち、「高熱」源の温度は、「冷熱」源の温度よりも高い。
以後、基板３と、熱電層の組立体Ｅと、接続パッド５０、５１とにより形成される構造は、「センサチップ」と呼ばれる。
そのようなセンサ１は、チップ、すなわち、好ましくはシリコンをベースとする材料で作成され、基本構成要素を備える基板形状のウェーハを形成する。
「チップ」とは、好ましくはシリコンをベースとする材料で作成され、基本構成要素を備える、基板形状のウェーハを意味する。
基板３は、平坦であると有利である。基板３は、基板３への熱伝達を制限するために、１００から２００μｍまでの範囲の厚さを有すると有利である。さらに、基板３の厚さにわたり延在する方向は、「第１の方向」と呼ばれる。
熱電層の組立体Ｅは、Ｎ個の熱電対１００、１０１、すなわち、第１の熱電材料１００に基づくＮ個の層と、第２の熱電材料１０１に基づくＮ個の層とを備える。第１の熱電材料１００は、第１の導電型に応じて電気的にドープされていると有利である。第２の熱電材料１０１は、第２の導電型に応じてドープされていると有利である。各第１の接点１０と、各第２の接点１１とは、導電性材料で形成される。熱電層は、断熱材料１０２により分離される。Ｎ個の熱電対１００、１０１と、断熱材料１０２とは、第１の方向に対して垂直な方向に沿って並置される。
図８に示されている実施形態では、センサ１は、支持部材２に配置されて熱電層の組立体Ｅを包含する包含層５を備える。包含層５は、重合体をベースとする材料で作成されるのが好ましい。
実施形態によると、センサ１は、熱電層の組立体Ｅを包囲する集積回路パッケージ６を備え、この集積回路パッケージ６が支持部材２を備える。外部パッケージ８は、集積回路パッケージ６を包囲する。
非限定的な例として、集積回路パッケージ６は、ＳＭＤ（表面実装型装置）型であり得る。パッケージ６は、断熱材料で作成されるのが好ましい。パッケージ６は、０．１から数ｍｍまでの範囲の厚さを有することが好ましい。パッケージ６は、パッケージ６とセンサチップとの間の熱伝達に悪影響を与えるのを避けるために、慣習的にヒート・シンクとして使用されている中央金属面を有さないことが好ましい。
図６に示されているように、パッケージ６は、
− 第１の金属トラック４０に接続され、第１の金属トラック４０が各第１のコネクタ・ピン３０から第１の金属接続手段に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を形成する、第１の金属コネクタ・ピン３０の列と、
− 第２の金属トラック４１に接続され、第２の金属トラック４１が第２の金属接続手段から各第２のコネクタ・ピン３１に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を形成する、第２の金属コネクタ・ピン３１の列と
を備えると有利である。
コネクタ・ピン３０、３１の列は、バーを形成するように連続していてもよい。パッケージ６は、熱伝達手段としては使用されない追加の金属コネクタ・ピン３２の列を備える。追加の金属コネクタ・ピン３２は、単純な電気コネクタとして使用される。センサチップは、各第１の接点１０および各第２の接点１１に電気的に接続される電気接続パッドを備えていてもよい。コネクタ・ピン３２は、それらの電気接続パッドに電気的に接続されていてもよい。熱伝達手段として使用されるコネクタ・ピン３０、３１、および電気コネクタとして使用されるコネクタ・ピン３２に異なるレイアウトを選択することは、当業者の技能の範囲に含まれる。詳細には、想定される用途、高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆの配置、ならびにセンサチップの統合のためのコネクタ要素に応じて、異なるレイアウトが選択される。また、少なくとも１つの金属コネクタ・ピンを、電気コネクタおよび熱伝達手段の両方として使用することも可能である。
実施形態では、第１の金属接続手段は、各第１の接続パッド５０にはんだ付けされたはんだバンプ２０を備える。第２の金属接続手段は、各第２の接続パッド５１にはんだ付けされたはんだバンプ２１を備える。はんだバンプ２０、２１は、基板３と支持部材２とを組み立てることをさらに可能にする。この目的のために、センサ１は、接続パッド５０、５１に電気的に接続されないが、基板３を支持部材２と組み立てることに貢献して機械的動作を向上させる、追加のはんだバンプ２２（図２に示される）を備え得る。はんだバンプ２０、２１、２２は、Ａｕ、ＳｎＡｇＡｕ、ＳｎＡｇＣｕを備える群より選択される材料をベースとしていることが好ましい。はんだバンプ２０、２１、２２は、約８０μｍの厚さに対して、約８０μｍの直径を有すると有利である。そのような寸法は、小型化と、センサ１の機能のための十分な熱伝達表面積とを関連付けることを可能にする。もちろん、はんだバンプ２０、２１、２２の直径および厚さは、たとえば数十から数百マイクロメートルまで、変化し得る。パッケージ６に属する基板３および支持部材２は、金属接続手段がはんだバンプ２０、２１、２２を備える場合、当業者により知られているフリップチップ法により組み立てられると有利である。パッケージ６に属する基板３および支持部材２は、金属接続手段が溶接ボンディング・ワイヤを備える場合、当業者により知られているワイヤ・ボンディング法により組み立てられると有利である。
第１の金属トラック４０は、はんだバンプ２０を第１のコネクタ・ピン３０に接続する。第２の金属トラック４１は、はんだバンプ２１を第２のコネクタ・ピン３１に接続する。
図７の矢印は、センサ１内での熱伝達の方向を示す。金属トラック４０、４１は、支持部材２を通って形成され得る。そのような金属トラック４０、４１は、支持部材２の中で、
− 組立材Ｅの高熱側と冷熱側との間の熱橋を回避し、
− 電気的な接続を提供し、
− コネクタ・ピン３０、３１とはんだバンプ２０、２１との間の良好な熱接続を提供し、
− トラックの良好な機械的動作を維持する
ためのパターンを与えられる。
これを実現するため、非限定的な例として、そのような金属トラック４０、４１は、支持部材２の約１００ｎｍの厚さに対して、約数十ｎｍの厚さを有し得る。
外部パッケージ８の第１の面８ａおよび反対の第２の面８ｂは、熱伝導材料で被覆されるのが好ましく、高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆにそれぞれ接続されることを意図されている。接続は、直接的、すなわち、第１の面８ａおよび第２の面８ｂが、高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆとそれぞれ直接接触するかたちでもよい。接続は、間接的、すなわち面８ａ、８ｂが熱経路を介して熱源Ｓｃ、Ｓｆに接続されるかたちでもよい。外部パッケージ８は、断熱材料で作成されるのが好ましい。面８ａ、８ｂは、好ましくは熱伝導材料をベースとする被覆により、熱伝導性を有するようになされる。被覆の熱伝導材料は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の金属、銀をベースとする合金、または陽極酸化Ａｌ、ＳｉＣ、ＡｌＮを備える群より選択される材料であり得る。被覆の熱伝導材料は、化学蒸着（ＣＶＤ）や物理蒸着（ＰＶＤ）などの多様な手法に応じて、外部パッケージ８に沈着されてもよい。被覆の熱伝導材料は、外部パッケージ８に溶接またははんだ付けされてもよい。外部パッケージ８は、集積回路パッケージ６を支持するように配置された支持部材９を外部パッケージ８の内部に備えていると有利である。集積回路パッケージ６は、外部パッケージ８の支持部材９に、接着、はんだ付け、または溶接により固定されていると有利である。外部パッケージ８の支持部材９は、第２のビア８１を受け入れるために支持部材９に形成されたポートを備える。外部パッケージ８は、第１のビア８０と第２のビア８１との間で、外部パッケージ８の支持部材９を介して熱橋が形成されるのを回避するために、断熱材料で作成されていると有利である。よって、高熱源Ｓｃと冷熱源Ｓｆとの間の温度勾配は、各第１のコネクタ・ピン３０と各第２のコネクタ・ピン３１との間で伝えられ得る、したがって熱電層の組立体Ｅの高熱側と冷熱側との間で伝えられ得る。外部パッケージ８により画定される包囲は、熱伝達をビア８０、８１に集中させるために、真空下で設けられると有利であり得る。
第１のビア８０は冷熱源Ｓｆに近接し得るため、第１のビア８０と、外部パッケージ８の支持部材９とを、適切に幾何学的に構成することが必要である。これを実現するため、以下の式
が立証される必要があり、ここで、
− ｅｓｕｐｐは、外部パッケージ８の支持部材９の厚さであり、
− ｅｖｉａは、第１のビア８０の厚さであり、
− λｓｕｐｐは、外部パッケージ８の支持部材９の熱伝導率であり、
− λｖｉａは、第１のビア８０の熱伝導率であり、
− Ｓｓｕｐｐは、外部パッケージ８の支持部材９の側部熱伝導表面積であり、
− Ｓｖｉａは、第１のビア８０の側部熱伝導表面積である。
「側部」とは、第１の方向、すなわち基板３の厚さにわたり延在する方向、に対して平行な方向を意味する。
非限定的な例として、以下の表は、第１のビア８０と外部パッケージ８の支持部材９とを適切に幾何学的に構成することを可能にするパラメータをまとめたものである。
ビア８０、８１は、熱伝導材料で作成されると有利である。ビア８０、８１は、金属性であると好ましい。ビア８０、８１は、銅または金をベースとする材料で作成されると有利である。
ビア８０、８１は、多様な形状を有し得る。図１１ａ乃至図１１ｃおよび図１３ａ乃至図１３ｃに示されているように、ビア８０、８１は、基板３の平面で、長方形、正方形、または円形の断面を有し得る。
ビア８０、８１は、ワンピースであっても（詳細には、図１１ａおよび図１３ｂに示されている）、複数のウェルで形成されていても（詳細には、図１１ｂ、図１１ｃ、および図１３ｃに示されている）よい。
簡単にするため、図１１ａ乃至図１５ｃでは第１のビア８０のみが示されていることが留意される必要がある。もちろん、説明されている特性は、第２のビア８１にも当てはまる。
実行モードによると、ビア８０、８１は中空ではなく中実であり、すなわち、金属等の熱伝導材料で埋められている。代替の実行によると、ビア８０、８１は中空であり、すなわち、中心で中空化されて、好ましくは金属性である熱伝導円筒壁を形成する。
ビア８０、８１は、コネクタ・ピン３０、３１に直接接続されていても、金属トラックを介して間接的に接続されていてもよい。ビア８０、８１のこれらの多様なアーキテクチャにより、Φ＞＞１となるようにパラメータｅｖｉａおよびＳｖｉａを変更することが可能となる。
集積回路パッケージ６は、熱伝達手段として使用されない少なくとも１つの電気コネクタ・ピン３２を備えると有利である。外部パッケージ８は、電気コネクタ・ピン３２から延在する少なくとも１つの電気トラック９０を備えると有利である。詳細には想定される用途と高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆの配置とに応じて、電気コネクタ・ピン３２に異なるレイアウトを選択することは、当業者の技能の範囲に含まれる。よって、電気コネクタ・ピン３２のレイアウトに応じて電気トラック９０に異なるレイアウトを選択して、外部パッケージ８の電気出力Ｓの異なる位置を画定することは、当業者の技能の範囲に含まれる。前記または各電気トラック９０は、外部パッケージ８の支持部材９に形成されると有利である。
非限定的な例として、図１６ａ乃至１６ｃは、外部パッケージ８の縁の周辺部に配置された、または、外部パッケージ８の２つの対向する縁の実質的に中央に配置された、２つの電気出力Ｓを示す。電気出力Ｓの数は、２に限定されず、１からＮ個までの範囲であってもよく、Ｎは自然数である。電気出力Ｓは、電気コネクタ・ピン３２のレイアウトに応じて、外部パッケージ８の縁に無作為に分散されていると有利である。
図１９ａ乃至図１９ｃおよび図２０ａ乃至図２０ｃに示されているように、外部パッケージの第１の面８ａは、電気トラック９０が外部パッケージ８の支持部材９に形成されるときに、電気出力Ｓのアクセス性を向上させるために、外部パッケージ８の支持部材９に対して窪んでいると有利である。
図２１ａ乃至図２１ｃに示された実施形態では、センサ１は、外部パッケージ８を包囲する追加外部パッケージ８’を備えていると有利である。
追加外部パッケージ８’は、
− 高熱源Ｓｃおよび冷熱源Ｓｆにそれぞれ接続されることを意図されている第１の面８’ａおよび反対の第２の面８’ｂと、
− 第１の面８’ａを外部パッケージ８の第１の面８ａに接続する、外部パッケージ８の第１の面８ａの上で直接延在している第１のビア８０’と、
− 第２の面８’ｂを外部パッケージ８の第２の面８ｂに接続する、外部パッケージ８の第２の面８ｂの上で直接延在している第２のビア８１’と、
− 外部パッケージ８を支持するように配置された支持部材９’と
を備える。
よって、そのような追加外部パッケージ８’は、既に構成された外部パッケージ８を維持しながら、高熱源と冷熱源とを分離する距離にセンサ１を適合させることを可能にする。そのような適合は、詳細には、ビア８０’、８１’の厚さを変更することにより実行される。
図２２ａ乃至図２２ｃに示された実施形態では、外部パッケージ８は、支持部材９を備えていない。
図２３ａ乃至図２３ｃに示された実施形態では、外部パッケージ８の第１の面８ａおよび反対の第２の面８ｂは、センサ１を可能な限り小型化するために、集積回路パッケージ６の上で直接延在している。
図２および図３に示される実施形態では、熱電層の組立体Ｅが自由面ＳＬを有し、自由面ＳＬに対向し、自由面ＳＬから離間して延在し、組立体Ｅを高熱側および冷熱側でそれぞれ継続する、第１の熱伝導要素７ａおよび第２の熱伝導要素７ｂを、差温センサが備える。言い換えると、第１の熱伝導要素７ａおよび第２の熱伝導要素７ｂは、自由面ＳＬの側域の上に、直接接触せずに位置する。第１の熱伝導要素７ａおよび第２の熱伝導要素７ｂは、文献ＷＯ２０１１０１２５８６で記載されているように、任意の熱伝導材料で作成され得る。第１の熱伝導要素７ａおよび第２の熱伝導要素７ｂは、金属性であると有利である。第１の熱伝導要素７ａおよび第２の熱伝導要素７ｂは、金属帯板（ｍｅｔａｌ ｓｔｒｉｐ）の形式で作成されると有利である。
実施形態では、センサ１は、基板３と熱電層の組立体Ｅとの間に挿入された誘電層を備える。基板３がシリコンをベースとする材料で作成されている場合、誘電層は、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４であると有利である。誘電層は、数ｎｍから数百μｍまでの範囲の厚さを有する。
図２４乃至図２６は、
− 複数のセンサ１と、
− 各センサ１の支持部材２（図示されず）が形成される、第１の印刷回路Ｃ１と、
− 各センサ１の熱電層の組立体Ｅと支持部材２とを包囲する外部パッケージ８を第１の印刷回路Ｃ１と共に形成するように、第１の印刷回路Ｃ１に対向して配置される、第２の印刷回路Ｃ２と
を備える差温測定装置を示している。
第１の回路Ｃ１は、外部パッケージ８の第２の面８ｂを形成する外面を備える。第２の回路Ｃ２は、外部パッケージ８の第１の面８ａを形成する外面を備え、第１の面８ａと第２の面８ｂとは、相互に対向している。第１の回路Ｃ１は、第２の面８ｂを各センサ１の支持部材２の各コネクタ・ピン３１に接続する、少なくとも１つのビア８１を備える。第２の回路Ｃ２は、第１の面８ａを、各センサ１の支持部材２の各第１のコネクタ・ピン３０に接続する、少なくとも１つのビア８０を備える。
各センサ１の支持部材２は、表面実装型装置（ＳＭＤ）と同じ方法で、第１の回路Ｃ１にはんだ付けにより形成されると有利である。
各回路Ｃ１、Ｃ２は、ガラス繊維およびエポキシ樹脂の複合物を備える、ＦＲ−４（難燃性（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）４の略語）型の材料８０１で作成されていることが好ましく、各回路Ｃ１、Ｃ２のトラック８００は、銅で作成されていることが好ましい。
第１の回路Ｃ１は、平坦であると有利である。第１の回路Ｃ１は、約１００μｍから５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍの範囲の厚さを有すると有利である。外部パッケージ８の第２の面８ｂを形成する、第１の回路Ｃ１の外面は、銅等で作成された金属面で作成されていると有利である。銅は、錫めっきまたはニッケル−金沈着により表面処理されていると有利である。
第２の回路Ｃ２は、複数の空洞８０２を備え、それぞれの空洞８０２がセンサ１を受け入れるように形成されている。複数の空洞８０２は、フライス加工（ｍｉｌｌｉｎｇ）により得られることが好ましい。第２の回路Ｃ２は、センサ１の厚さよりも５００μｍ大きい厚さを有していると有利である。第２の回路Ｃ２は、約１．６ｍｍの厚さを有していることが好ましい。
第２の回路Ｃ２は、はんだペースト２２０を介して、第１の回路Ｃ１に組み立てられると有利である。はんだペースト２２０は、Ａｕ、ＳｎＡｇＡｕ、ＳｎＡｇＣｕを備える群より選択される材料をベースとしていることが好ましい。はんだペースト２２０は、シルクスクリーン印刷により、第１の回路Ｃ１上に沈着されると有利である。回路Ｃ１およびＣ２は、はんだ付け炉での焼鈍（アニーリング）により固められると有利である。その後、回路Ｃ１と回路Ｃ２との間で存在し得る隙間を埋め、装置の機械的動作を強化するために、いわゆるアンダーフィル重合体が浸潤（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）により適用され得る。
１ 差温センサ
２ 支持部材
３ 基板
６ 集積回路パッケージ
７ａ 第１の熱伝導要素
７ｂ 第２の熱伝導要素
８ 外部パッケージ
８’ 追加外部パッケージ
８ａ、８’ａ 第１の面
８ｂ、８’ｂ 第２の面
９、９’ 支持部材
１０ 第１の接点
１１ 第２の接点
２０、２１ はんだバンプ
２２ 追加のはんだバンプ
３０ 第１の金属コネクタ・ピン
３１ 第２の金属コネクタ・ピン
３２ 電気コネクタ・ピン、追加の金属コネクタ・ピン
４０ 第１の金属トラック
４１ 第２の金属トラック
５０ 第１の接続パッド
５１ 第２の接続パッド
８０、８０’ 第１のビア
８１、８１’ 第２のビア
９０ 電気トラック１００ 第１の熱電材料
１０１ 第２の熱電材料
１０２ 断熱材料
８００ トラック
８０１ 材料
８０２ 空洞
Ｃ１ 第１の印刷回路
Ｃ２ 第２の印刷回路
Ｅ 熱電層の組立体
Ｓ 電気出力
Ｓｃ 高熱源
Ｓｆ 冷熱源
ＳＬ 自由面

Claims (13)

  1. 基板（３）と、前記基板（３）上に配置された熱電層の組立体（Ｅ）であって、熱電対（１００、１０１）の少なくとも１つの第１の接点（１０）を前記組立体（Ｅ）の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対（１００、１０１）の少なくとも１つの第２の接点（１１）を前記組立体（Ｅ）の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体（Ｅ）と、前記少なくとも１つの第１の接点（１０）および前記少なくとも１つの第２の接点（１１）にそれぞれ熱を伝達するように配置された少なくとも１つの第１の接続パッド（５０）および少なくとも１つの第２の接続パッド（５１）とを備える、高熱源（Ｓｃ）と冷熱源（Ｓｆ）との間の差温センサ（１）であって、
    前記基板（３）を支持するように配置され、少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピン（３０）および少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピン（３１）を備える、断熱性の支持部材（２）と、
    前記支持部材（２）を前記少なくとも１つの第１の接続パッド（５０）および前記少なくとも１つの第２の接続パッド（５１）にそれぞれ電気的に接続するように配置された第１の金属接続手段および第２の金属接続手段と、
    熱電層の前記組立体（Ｅ）と前記支持部材（２）とを包囲する外部パッケージ（８）であって、前記高熱源（Ｓｃ）および前記冷熱源（Ｓｆ）にそれぞれ接続されることを意図されている第１の面（８ａ）および反対の第２の面（８ｂ）と、前記第１の面（８ａ）を前記少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピン（３０）に接続する第１のビア（８０）と、前記第２の面（８ｂ）を前記少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピン（３１）に接続する第２のビア（８１）とを備える外部パッケージ（８）と
    を備え、前記支持部材（２）が、前記少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピン（３０）から前記第１の金属接続手段に熱を伝達し且つ前記第２の金属接続手段から前記少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピン（３１）に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備えることを特徴とする、センサ（１）。
  2. 前記外部パッケージ（８）の前記第１の面（８ａ）および前記第２の面（８ｂ）が、熱伝導材料で被覆されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
  3. 前記支持部材（２）に配置されて熱電層の前記組立体（Ｅ）を包含する、好ましくは重合体をベースとする材料で作成された包含層（５）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ（１）。
  4. 熱電層の前記組立体（Ｅ）を包囲する集積回路パッケージ（６）を備え、前記集積回路パッケージ（６）が、前記支持部材（２）を備え、前記外部パッケージ（８）が、前記集積回路パッケージ（６）を包囲することを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ（１）。
  5. 前記集積回路パッケージ（６）が、少なくとも１つの電気コネクタ・ピン（３２）を備え、前記外部パッケージ（８）が、前記少なくとも１つの電気コネクタ・ピン（３２）から延在する少なくとも１つの電気トラック（９０）を備えることを特徴とする、請求項４に記載のセンサ（１）。
  6. 前記外部パッケージ（８）が、前記集積回路パッケージ（６）を支持するように配置された支持部材（９）を備えることを特徴とする、請求項４または５に記載のセンサ（１）。
  7. 前記第１の金属接続手段および前記第２の金属接続手段が、前記少なくとも１つの第１の接続パッド（５０）および前記少なくとも１つの第２の接続パッド（５１）にそれぞれはんだ付けされて前記基板（３）と前記支持部材（２）とを組み立てるはんだバンプ（２０、２１）を備えることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のセンサ（１）。
  8. 前記第１の金属接続手段および前記第２の金属接続手段が、前記少なくとも１つの第１の接続パッド（５０）および前記少なくとも１つの第２の接続パッド（５１）にそれぞれ溶接されて前記基板（３）と前記支持部材（２）とを組み立てるボンディング・ワイヤを備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載のセンサ（１）。
  9. 前記熱伝達手段が、
    前記第１の金属接続手段を前記少なくとも１つの第１の金属コネクタ・ピン（３０）に接続する少なくとも１つの第１の金属トラック（４０）と、
    前記第２の金属接続手段を前記少なくとも１つの第２の金属コネクタ・ピン（３１）に接続する少なくとも１つの第２の金属トラック（４１）と
    を備えることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載のセンサ（１）。
  10. 熱電層の前記組立体（Ｅ）が自由面（ＳＬ）を有し、前記センサ（１）が、前記自由面（ＳＬ）に対向し、前記自由面（ＳＬ）から離間して延在し、前記組立体（Ｅ）を前記高熱側および前記冷熱側でそれぞれ継続する、第１の熱伝導要素（７ａ）および第２の熱伝導要素（７ｂ）を備えることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載のセンサ（１）。
  11. 前記基板（３）と熱電層の前記組立体（Ｅ）との間に挿入された誘電層を備えることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサ（１）。
  12. 前記基板（３）が、ガラスや石英などの断熱材料で作成されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサ（１）。
  13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の複数のセンサ（１）と、
    各センサ（１）の前記支持部材（２）が形成される、第１の印刷回路（Ｃ１）と、
    各センサ（１）の熱電層の前記組立体（Ｅ）と前記支持部材（２）とを包囲する前記外部パッケージ（８）を前記第１の印刷回路（Ｃ１）と前記第２の印刷回路（Ｃ２）が共に形成するように、前記第１の印刷回路（Ｃ１）に対向して配置される、第２の印刷回路（Ｃ２）と
    を備える、差温測定装置。
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