JPH09203668A - 熱抵抗測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 本発明は、集積回路等の半導体デバイスの熱
抵抗を測定するための装置及び方法に係わり、特に、測
定すべき半導体デバイス内のシリコンチップ等に代え
て、極めて安定した抵抗温度係数を有する抵抗発熱体を
使用し、この抵抗発熱体を加熱すると共に、温度検出装
置を兼ねさせることにより、集積回路等の半導体デバイ
スの熱抵抗を測定するものである。 ［構成］ 本発明は、測定すべきデバイス内の発熱源で
ある切片に代える抵抗発熱体と、測定すべきデバイスの
材質と同様であり、抵抗発熱体を封止するための外囲器
とからなる被測定物を用意し、電力供給手段が抵抗発熱
体に電力を供給し、供給電力計測手段が供給された電力
を計測し、抵抗発熱体の抵抗値を算出し、既知なる抵抗
温度係数と基準温度と基準温度における初期抵抗から、
抵抗発熱体の温度を演算し、求めるべき任意の界面の温
度と抵抗発熱体の温度とから熱抵抗を算出することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積回路等の半導体デ
バイスの熱抵抗を測定するための装置及び方法に係わ
り、特に、測定すべき半導体デバイス内のシリコンチッ
プ等に代えて、極めて安定した抵抗温度係数を有する抵
抗発熱体を使用し、この抵抗発熱体を加熱すると共に、
温度検出装置を兼ねさせることにより、集積回路等の半
導体デバイスの熱抵抗を測定する装置及び方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】主に集積回路においては、外囲器に封入
すべき実際の集積回路素子の基体部（チップ）、或い
は、熱抵抗測定用チップを用い、このチップに収容する
トランジスタ又は抵抗を発熱源とし、密接して配置され
たＰＮ接合のダイオード又はダイオードブリッジを使用
することにより、ＰＮ接合の順方向電圧降下の温度依存
性を利用し、発熱源の温度を推定する方法が一般に用い
られていた。

【０００３】この方法は、ＰＮ接合を含む外囲器全体を
一定温度に保ち、ＰＮ接合に発熱が生じない低電流領域
内で、（即ち、外囲器表面温度とＰＮ接合温度が等しい
状態で）一定電流をＰＮ接合に通電し、順方向電圧降下
を測定して、ＰＮ接合温度（外囲器表面温度）と順方向
電位降下の相関性を求めるものである。

【０００４】次にＰＮ接合が発熱した状態で、（即ち、
一定電力損失を与えた状態で）順方向電圧降下と外囲器
表面温度とを測定し、上述の様な方法で求めた順方向電
圧降下とＰＮ接合温度の相関関係より、接合温度を算出
する。この接合温度から外囲器表面温度を減算し、電力
損失で除すことにより、接合温度から外囲器表面温度測
定点までの熱抵抗を求めていた。

【０００５】また集積回路が大規模化し、携行小型機器
に応用が急速に拡大し、近年では、音響機器、映像機器
の様なパーソナルユースのものから、携帯電話や携行型
コンピュータ、自動車用ナビゲーションシステム等の業
務分野にも用途が広がっている。更に製造物責任法が施
行されたことに伴い、小型携行機器等は、製造企業の製
品企画で想定した環境とは、全く予想外の不特定な保
存、使用環境に置かれる場合も考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の熱抵抗の測定方法では、電力損失に伴う発熱源の接
合温度を直接測定することなく、ＰＮ接合の温度依存性
を利用した間接的測定を行うために、冗長性を測定工程
を踏襲している。

【０００７】また従来の熱抵抗の測定方法は、１つの外
囲器に１つの素子チップを封入した場合には、冗長性を
伴うとしても、最も現実的実用性が高いと思われる。し
かしながら、数個のチップを封入する昨今のマルチチッ
プ・モデュールやＩＣカード等の様な外囲器には好まし
くないという問題点があった。

【０００８】そして上述の様に、小型携行機器等の製造
企業は、全く予想外の不特定な保存、使用環境における
使用に対しても、その責任の境界を立証する試験結果要
求されているが、この様な状況に対する有効な熱抵抗の
測定方法は、全く提案されていないというのが現状であ
った。

【０００９】即ち、通常の使用における保存温度や使用
温度を越えた環境下における動態を認識しなければなら
ない。即ち、実際に封止すべき素子の熱的性能限界を越
えた熱暴走領域の熱抵抗の測定矢、外囲器の熱的経時変
化や熱履歴特性を試験する必要性が生じてきたのであ
る。この様な要求に対して、従来の熱抵抗の測定方法は
適切なものとは言えないという深刻な問題点が逢った。

【００１０】また、これらの性能限界を越えた試験を生
産ロット毎に検証するためには、簡易的自動計測が実現
できる必要があり、従来の冗長性の高い熱抵抗の測定方
法は、簡易自動計測に適当でないという問題点があっ
た。

【００１１】従って、従来法と同様な結果とデータの整
合性を保ちつつ、簡便で、一義的測定方法の出現が強く
望まれている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
案出されたもので、デバイスの熱抵抗を計測するための
熱抵抗測定装置であって、測定すべき前記デバイス内の
発熱源である切片に代える抵抗発熱体と、測定すべき前
記デバイスの材質と同様であり、前記抵抗発熱体を封止
するための外囲器とからなる被測定物に対して、電力を
供給するための電力供給手段と、この電力供給手段から
抵抗発熱体に供給された電力を計測するための供給電力
計測手段とからなり、前記抵抗発熱体は、加熱素子であ
ると共に、温度検出装置を兼ねていることにより、デバ
イスの熱抵抗を計測することを特徴としている。

【００１３】また本発明の熱抵抗を計測する熱抵抗測定
方法は、デバイスの熱抵抗を計測するための熱抵抗測定
方法であって、測定すべき前記デバイス内の発熱源であ
る切片に代える抵抗発熱体と、測定すべき前記デバイス
の材質と同様であり、前記抵抗発熱体を封止するための
外囲器とからなる被測定物を用意し、電力供給手段が該
抵抗発熱体に電力を供給し、供給電力計測手段が供給さ
れた電力を計測し、前記抵抗発熱体の抵抗値を算出し、
既知なる抵抗温度係数と基準温度と基準温度における初
期抵抗から、前記抵抗発熱体の温度を演算し、求めるべ
き任意の界面の温度と前記抵抗発熱体の温度とから熱抵
抗を算出することを特徴としている。

【００１４】更に本発明の被測定物は、測定すべきデバ
イス内の発熱源である切片に代える抵抗発熱体と、測定
すべき前記デバイスの材質と同様であり、前記抵抗発熱
体を封止するための外囲器とからなっており、前記抵抗
発熱体は、加熱素子であると共に、温度検出装置を兼ね
ていることを特徴としている。

【００１５】

【作用】以上の様に構成された本発明は、抵抗発熱体を
測定すべきデバイス内の発熱源である切片と置換し、測
定すべきデバイスの材質と同様であり抵抗発熱体を封止
するための外囲器により被測定物を形成し、電力供給手
段が被測定物に対して、電力を供給し、供給電力計測手
段が、電力供給手段から抵抗発熱体に供給された電力を
計測し、抵抗発熱体は、加熱素子であると共に、温度検
出装置を兼ねている。

【００１６】また本発明の熱抵抗を計測する熱抵抗測定
方法は、測定すべきデバイス内の発熱源である切片に代
える抵抗発熱体と、測定すべきデバイスの材質と同様で
あり、抵抗発熱体を封止するための外囲器とからなる被
測定物を用意し、電力供給手段が抵抗発熱体に電力を供
給し、供給電力計測手段が供給された電力を計測し、抵
抗発熱体の抵抗値を算出し、既知なる抵抗温度係数と基
準温度と基準温度における初期抵抗から、抵抗発熱体の
温度を演算し、求めるべき任意の界面の温度と抵抗発熱
体の温度とから熱抵抗を算出することができる。

【００１７】更に本発明の被測定物は、抵抗発熱体が、
測定すべきデバイス内の発熱源である切片と置換し、測
定すべきデバイスの材質と同様な外囲器が、抵抗発熱体
を封止し、抵抗発熱体が、加熱素子と温度検出装置とを
兼ねている。

【００１８】

【実施例】

【００１９】本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００２０】第１図は、本実施例の発熱素子１０００を
示すもので、発熱素子１０００は、セラミック基板１１
０と、抵抗発熱体１２０と、表面保護膜１３０とから構
成されている。

【００２１】本実施例のセラミック基板１１０は、アル
ミナセラミック基板から構成されており、表面には、抵
抗発熱体１２０が形成されている。

【００２２】セラミック基板１１０は、熱膨張係数が極
めて低く、熱伝導率が良好な特性を有し、シリコン単結
晶からなる集積回路外囲器の熱抵抗測定の場合には、シ
リコン単結晶と同等な熱膨張率と熱伝導率を有する材料
が好適である。これらの材料の中でも、各種セラミック
材料が実用的にも適しており、特に、アルミナセラミッ
クが最適である。なおシリコン単結晶は、切片に該当す
るものである。

【００２３】本実施例の抵抗発熱体１２０は、セラミッ
ク基板１１０上に、白金抵抗ペーストをスクリーン印刷
した厚膜白金測温抵抗から構成されている。

【００２４】抵抗発熱体１２０は、被測定物の外囲器に
収容し、外囲器の外部から電力の供給を受けて電力損失
の発熱を起こすと共に、抵抗体の抵抗変化から発熱温度
を測定するためのものである。

【００２５】この抵抗発熱体１２０は、安定で、且つ、
やや大きめの抵抗温度係数を有することが好ましく、常
温から１５０℃までの範囲で、安定性、且つ、直線性に
優れ、小さい熱膨張率と良好な熱伝導率を有する材料が
好適である。そして抵抗発熱体１２０は、外因加熱及び
自己加熱の繰り返しに対して良好な抵抗温度特性の再現
性を維持することができ、経時変化が少なく、５ワット
前後までの自己電力損失を許容可能な材料の必要があ
る。

【００２６】抵抗発熱体１２０は、本実施例では白金測
温材料が採用されているが、金属抵抗材や、発熱材、セ
ラミック材や酸化金属材等各種の既存材料を使用するこ
ともできる。白金測温材料は、抵抗温度係数の安定性、
測温精度、生産の容易性、品質のばらつき、経時安定性
等の面から優れており、抵抗発熱体１２０に採用してい
る。

【００２７】次に、セラミック基板１１０上に、厚膜白
金測温抵抗からなる抵抗発熱体１２０を形成する方法と
しては、ＰＶＤ装置による薄膜を形成する方法や、鍍金
や印刷による厚膜を形成する方法、金属箔を接着した後
に化学的又は物理的に食刻する方法等がある。更に、金
属板等を化学的又は物理的に食刻したり、機械的打ち抜
き等を行って作成した抵抗発熱体１２０を、セラミック
基板１１０上に接着する方法も考えられる。

【００２８】なお、数ワット程度の抵抗発熱体１２０で
あれば、白金抵抗測温用の厚膜ペーストをスクリーン印
刷することにより、パターンの形状と厚さの調整を行う
ことができる。そしてパターンの形状は、無誘導型に形
成することが望ましい。

【００２９】本実施例では、白金抵抗測温用の厚膜ペー
ストを印刷後、１２０℃前後で乾燥し、バインダー分解
を大気雰囲気中４００℃前後の昇温過程で実施し、７６
０℃前後の大気雰囲気中で低温焼成している。

【００３０】更に本実施例では表面保護のために、オー
バーコート融着ガラス等からなる表面保護膜１３０を同
時焼成又は後工程焼成しているが、必ずしも使用する必
要性はない。

【００３１】また抵抗発熱体１２０の基準温度における
定格抵抗値を特に正確に調整する場合には、低シート抵
抗電極パッドが必要であるが、定格抵抗値の無調整化す
る場合には、抵抗パッドに直接半田付け、或いは、ワイ
ヤーボンデングを行うことができる。定格抵抗値の精密
な調整を行う場合には、低抵抗電極材の銀パラデュウム
等の電極ペーストをスクリーン印刷し、焼成を行えばよ
い。

【００３２】そしてセラミック基板１１０と抵抗発熱体
１２０との密着性を高めるために、セラミック基板１１
０の表面粗さと平坦度が重要となり、特に、抵抗発熱体
１２０が薄い膜の場合には、平滑性を向上させるために
グレーズ被覆を施す必要がある。

【００３３】なお、白金抵抗測温用の抵抗発熱体１２０
は、安定な抵抗温度係数を維持することができ、且つ、
均一な抵抗温度特性を得ることができるので、基準温度
における初期抵抗が如何なる値であっても、初期抵抗値
が既知であれば、発熱温度時の抵抗値の差分と抵抗温度
係数とにより、発熱温度を算出することができる。従っ
て、必要に応じて初期抵抗値を正確に調整すれば、発熱
温度時の増加抵抗値から発熱温度を変換して求めること
ができる。この場合には、初期抵抗値のトリミングは充
分な精度で行う必要があり、トリミングは、レーザート
リミング装置又はエアブレイシブ装置を使用すれば、高
精度の抵抗調整を行うことができる。

【００３４】本実施例ではスクリーニングにより、２５
℃から１００℃において、３８５０ｐｐｍ／℃という安
定で、且つ、ばらつきがなく、±１％の範囲の抵抗温度
係数を備えた抵抗発熱体１２０を得ることができる。そ
して熱抵抗の測定精度に応じて、選別を行えば、より一
層優れた測定精度を実現できる。

【００３５】抵抗発熱体１２０は、加熱素子であると共
に、温度検出装置を兼ねている。

【００３６】次に本発明の熱抵抗の測定方法を図２に基
づいて説明する。

【００３７】まず、熱測定対象となる集積回路等の半導
体デバイスの外囲器２１０に発熱素子１０００を入れ、
本来封止すべき集積回路等の半導体デバイスの封止工程
と同様な手順で封止し、被測定物２０００とする。

【００３８】ここで、熱抵抗測定手段３０００を説明す
ると、熱抵抗測定手段３０００は、熱電対３１０と、温
度計３２０と、電圧電流計３３０と、定電力制御器３４
０と、ＧＰＩＢアダプター３５０と、マイクロコンピュ
ータ３６０とから構成されている。なお、電圧電流計３
３０は供給電力計測手段に該当し、定電力制御器３４０
は電力供給手段に該当するものである。

【００３９】被測定物２０００の求めるべき熱抵抗の位
置に、熱電対３１０を固着する。本実施例では、熱電対
３１０に熱擾乱の極めて少ない微細な直径を有するＴ型
熱電対が採用されている。

【００４０】なお、被測定物２０００の求めるべき熱抵
抗の位置は、外囲器２１０の表面であってもよく、更
に、任意の界面の位置であってもよい。

【００４１】そして、被測定物２０００の外囲器２１０
の基準温度における基準抵抗値を測定する。通常の基準
温度は、２５℃である。

【００４２】更に、定電力制御器３４０から電圧電流計
３３０を介して、所望の電力が、被測定物２０００内の
抵抗発熱体１２０に供給される。そして被測定物２００
０の外囲器２１０の発熱温度が、外周雰囲気と熱平衡に
達した時、電圧電流計３３０により供給電力を測定す
る。この供給電力の測定と同時に、熱電対３１０により
被測定物２０００の外囲器２１０の温度を測定する。

【００４３】以上の様に計測されたデータを使用して、
基準温度と、基準抵抗値、発熱平衡時における抵抗値
（電圧電流計３３０の電圧値を電流値で除算する）、及
び、既知である抵抗温度係数から、抵抗発熱体１２０の
発熱温度を演算することができる。

【００４４】即ち、基準温度、基準抵抗値、発熱平衡時
における抵抗値と抵抗温度係数の相関性より、抵抗発熱
体１２０の発熱温度を求めることができる。

【００４５】そして、上述の様に演算された抵抗発熱体
１２０の発熱温度、被測定物２０００の外囲器２１０の
温度、電力損失値（電圧電流計３３０の電圧値と電流値
とを乗算する）から、被測定物２０００内の抵抗発熱体
１２０から外囲器２１０までの熱抵抗を演算することが
できる。

【００４６】即ち、抵抗発熱体１２０の発熱温度から、
求めるべき界面の温度（本実施例では外囲器２１０の温
度）を減算し、その値を電力損失で除算すれば、求める
べき抵抗発熱体１２０から求めるべき界面（本実施例で
は外囲器２１０）までの熱抵抗を求めることができる。

【００４７】なお、ＧＰＩＢアダプター３５０とマイク
ロコンピュータ３６０とを備える事により、自動制御、
自動計測ができるシステムにすることができる。

【００４８】そして本発明は、熱抵抗以外の熱特性の測
定である、例えば、熱衝撃や熱破壊特性の測定等の熱特
性統合試験等にも応用することができる。

【００４９】

【効果】以上の様に構成された本発明は、デバイスの熱
抵抗を計測するための熱抵抗測定装置であって、測定す
べき前記デバイス内の発熱源である切片に代える抵抗発
熱体と、測定すべき前記デバイスの材質と同様であり、
前記抵抗発熱体を封止するための外囲器とからなる被測
定物に対して、電力を供給するための電力供給手段と、
この電力供給手段から抵抗発熱体に供給された電力を計
測するための供給電力計測手段とからなり、前記抵抗発
熱体は、加熱素子であると共に、温度検出装置を兼ねて
いるので、測定方法が簡便化するという効果がある。

【００５０】そして本発明は、マルチ・チップ・モデュ
ールや、ピー・シー・カードの様な多数個の電気的素子
を内蔵している外囲器の熱抵抗の測定にも適用でき、汎
用性の高い熱抵抗測定が可能であるという効果がある。

【００５１】更に本発明は、実際に外囲器に収納すべき
電気的素子の最大定格を越える電力損失領域や、異常発
熱領域、及び異常加熱領域の熱抵抗を安定に測定するこ
とができるという卓越した効果がある。そして測定が簡
素化されるので、自動計測も容易となり、生産ロット毎
の外囲器の熱抵抗の測定ができるという効果がある。

【００５２】そして本発明は、集積回路の応用製品の軽
薄短小化に伴い、携行可能機器への応用が主体となりつ
つあり、その使用環境、保存環境は多岐に渡り、経験則
のみの熱設計では不十分となっている。更に、消費者保
護の台頭や製造物責任法の施行に対応して、集積回路等
の電気的素子の製造企業や、その外囲器の材料を供給す
る企業、その素子を応用した応用機器を製造する企業
は、今後、正確で共通性のある熱関連特性を明示する責
任が生じている。この様な点からも、本発明のデバイス
の熱抵抗測定装置及び方法は、極めて有用で効果的なも
のであると言える。

【００５３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の発熱素子１０００を説明する
図である。

【図２】本発明の実施例の熱抵抗測定手段３０００の構
成を説明する図である。

【符号の説明】

１０００ 発熱素子 １１０ セラミック基板 １２０ 抵抗発熱体 １３０ 表面保護膜 ２０００ 被測定物 ２１０ 外囲器 ３０００ 熱抵抗測定手段 ３１０ 熱電対 ３２０ 温度計 ３３０ 電圧電流計 ３４０ 定電力制御器 ３５０ ＧＰＩＢアダプター ３６０ マイクロコンピュータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 デバイスの熱抵抗を計測するための熱抵
   抗測定装置であって、測定すべき前記デバイス内の発熱
   源である切片に代える抵抗発熱体と、測定すべき前記デ
   バイスの材質と同様であり、前記抵抗発熱体を封止する
   ための外囲器とからなる被測定物に対して、電力を供給
   するための電力供給手段と、この電力供給手段から抵抗
   発熱体に供給された電力を計測するための供給電力計測
   手段とからなり、前記抵抗発熱体は、加熱素子であると
   共に、温度検出装置を兼ねていることにより、デバイス
   の熱抵抗を計測する熱抵抗測定装置。
2. 【請求項２】 デバイスの熱抵抗を計測するための熱抵
   抗測定方法であって、測定すべき前記デバイス内の発熱
   源である切片に代える抵抗発熱体と、測定すべき前記デ
   バイスの材質と同様であり、前記抵抗発熱体を封止する
   ための外囲器とからなる被測定物を用意し、電力供給手
   段が該抵抗発熱体に電力を供給し、供給電力計測手段が
   供給された電力を計測し、前記抵抗発熱体の抵抗値を算
   出し、既知なる抵抗温度係数と基準温度と基準温度にお
   ける初期抵抗から、前記抵抗発熱体の温度を演算し、求
   めるべき任意の界面の温度と前記抵抗発熱体の温度とか
   ら熱抵抗を算出するデバイスの熱抵抗を計測する熱抵抗
   測定方法。
3. 【請求項３】 測定すべきデバイス内の発熱源である切
   片に代える抵抗発熱体と、測定すべき前記デバイスの材
   質と同様であり、前記抵抗発熱体を封止するための外囲
   器とからなっており、前記抵抗発熱体は、加熱素子であ
   ると共に、温度検出装置を兼ねている被測定物。