JPH11125566A

JPH11125566A - 表面温度測定センサ及び温度測定プローブ

Info

Publication number: JPH11125566A
Application number: JP30928697A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Tato; 伸好田遠
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1999-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物と一時的に接触して速やかに平衡状態
になり対象物の温度を、非破壊で精密に迅速に測定でき
る温度センサを与えること。【解決手段】１００ｍＷ／Ｋ以上の熱伝導率を持ち平
坦な底面をもつ接触子に熱電対の先端を固定し、熱電対
を挿通した細い管で熱電対を押さえ、管によって接触子
を対象物に押さえ付けるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体レーザダイオードは光
通信におけるキーデバイスである。大電流を流して高光
出力を発生させるデバイスであるので発熱が著しい。し
かもチップは極めて小さいから電流密度は極めて高い。
放熱機構はヒートシンク、ペルチエ素子などが用いられ
盛んに放熱できるようになっている。温度上昇によって
素子が劣化するし、温度変動によって発振波長が変動す
るという問題がある。そこでＬＤの高効率化を目指して
ＬＤの熱解析が盛んに行われている。

【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などのより厳密な温度制
御のため、温度分布をより正確に測定できる熱解析技術
の向上が要求される。

【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が、これに伴
う発熱量の増加が律速になっている。ここでも熱解析技
術の向上が強く要請される。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高速で行い得る検
査・選別技術が必要である。

【０００４】本発明の表面温度測定センサ及び温度測定
プローブはこれらの熱解析、検査に使用され、非破壊で
複数の微小領域からの温度測定から温度分布を容易に測
定できる温度センサである。

【０００５】

【従来の技術】熱解析の分野ではさまざまの手段で対象
物の温度分布を調べるようになっている。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
対を固定して温度分布を測定している。また、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
ている。さらに微小輻射温度計によって温度分布を画像
に表示する手法も用いられている。

【０００６】特開平４−１９１６２６号「表面温度測
定センサ」は銅円板に差し込んだシース熱電対を、熱交
換器、蒸気タービン、反応容器などの表面に穿った穴に
固着してこれらの対象物の温度を高精度に測定する。熱
伝導率の高い銅円板に熱電対の先端を差し込み固定し、
対象物に穴を開けて、この穴に銅円板ごと熱電対を固定
する。ＬＳＩの検査では、ＬＳＩの温度制御を行いつ
つ、プローブカード形状のプローバをＬＳＩに接触させ
て電気特性を測定する必要がある。一般的には、ＬＳＩ
を汚したり破損させないようにＬＳＩのウエハを乗せる
台（ステージ）に熱電対を固定する構造が取られてい
る。

【０００７】特開平７−７４２１８号「ＩＣテスト方
法およびそのプローブカード」は検査に使用するプロー
ブカードの下面に、ＩＣの電極に接触するプローブの他
に、チップ温度を測定するためチップ表面に接触するプ
ローブを新たに設けている。ＩＣチップの温度を測定し
てテスト条件を決定して電気的なテストを行うようにし
ている。一般にウエハを搭載したステージの温度Ｔｔ
と、個々のＩＣチップ温度Ｔｃとは一致しないので温度
条件が不明確になる。そこでチップの温度を測定するよ
うにしているのである。温度測定用プローブは先端の尖
った熱電対そのものである。

【０００８】特開平４−３５９４４５号「温度試験用
プロービング装置」は、プローブ自体に温度制御機構を
設け、ウエハを乗せたステージの温度Ｔｓを測定し、プ
ローブの温度ＴｐをＴｓに等しくするようにしている。
これはプローブのウエハへの接触による温度変化を小さ
くするためである。Ｔｓ＝Ｔｐとすることによってウエ
ハの温度変化を押さえている。この場合のステージの温
度センサは熱電対が用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】まずは、熱電対以外の
温度分布測定手段について述べる。［１．輻射分布温度計］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センサによって拡大
表示する装置である。表面温度によって輻射エネルギー
が違うので輻射パワーによって表面温度分布を知る事が
できる。非接触であるから測定箇所を変える事もでき
る。画像処理によって被測定物（サンプル）の温度分布
をモニタに表示させる。顕微鏡を使うので微小な領域の
温度分布を調べることができる。材料が一様な表面を持
つ場合は優れた温度分布測定法である。

【００１０】ところがサンプルが金属やガラスの複合体
である場合は、各々の材料が持つ赤外線の輻射率が異な
ることと、金属表面から乱反射された赤外線が擾乱を引
き起こすためサンプルにカーボンを塗布する必要があっ
た。カーボンが表面に塗布してあると表面状態が同一に
なり、全てがカーボンからの赤外線の輻射になるから黒
体輻射と同じく輻射パワーは温度だけによる。また金属
がカーボンによって覆われるので乱反射が起こらない。
しかしこれは材料にカーボンを塗布するのでその試料は
汚染され以後使えない。破壊検査であって非破壊検査で
はない。

【００１１】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たい場合、ＩＣ表面とセラミック
表面との間に高低差がある。高低差のために顕微鏡の焦
点を観察領域の全体に合わす事ができない。そのために
温度分布測定の空間分解能が低くなる。

【００１２】［２．チップサーミスタ・プラチナ測温抵
抗体］チップサーミスタやプラチナ測温抵抗体は抵抗体
の抵抗が温度によって変化することを利用して対象の温
度を測定する。抵抗体を対象に接触させて熱平衡にさせ
て抵抗の値から温度を知る。これらはチップに抵抗値測
定用の極細線を接続した構造であるために微小領域の温
度分布の測定には向いていない。また逆に、微小領域の
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チップを鑞付けする必要が
ある。鑞付けするので試料の表面が汚れてしまう。ため
に非破壊検査ができない。さらにこれらの抵抗値変化を
温度測定に用いるものは、センサ間での抵抗値のばらつ
きが大きくて、複数点の温度測定には向かないという欠
点がある。さらに強度にも欠けるのでメンテナンスの面
でも不都合があった。

【００１３】［３．熱電対を使った温度測定］熱電対
は、２本の材質の異なる金属線を両端で接触させた時、
温度差があれば熱起電力が発生することを利用して温度
を測定するものである。温度センシング部は二本の材質
の異なる金属線の先端の接触点である。単に押し付けた
だけでは接触不十分で対象温度を正確に反映しない。

【００１４】そこでサンプルの表面温度と先端の温度を
同一にするために、熱電対先端部を熱伝導性のペースト
か鑞剤によってサンプルに固定する。ペーストや鑞剤で
密着させると熱電対先端とサンプル表面が熱平衡になり
正確にサンプル表面の温度を求める事ができる。しかし
これによって表面が汚れるので非破壊検査でない。〜
として先に述べたように熱電対を使ってしかも非破壊
で温度測定する方法がいくつか提案されている。しかし
いずれもいまだ不十分である。いくつかの例について改
良点や不十分な点を指摘する。

【００１５】特開平４−１９１６２６号「表面温度測
定センサ」は、熱電対先端とサンプルの密着性を高める
ために熱電対先端に銅円板を固定しサンプルに穿孔した
穴に固定する。銅は熱伝導が高いのでサンプルと熱電対
が熱平衡になり易い。銅円板は大きい方が平衡状態が安
定する。しかしこれは対象（サンプル）に永久に固定し
てしまうので非破壊検査でない。

【００１６】また微小部分の温度分布を知るには適しな
い。銅板は一様温度になり温度分布測定の分解能が銅円
板の寸法以下にならない。銅円板が大きい熱容量をもつ
ので放熱性も大きくて銅円板の存在によって温度分布が
変わってしまう。観測系が対象の温度分布に影響するの
で測定結果の信頼性が低くなる。また銅板とサンプルの
接触面においては、平面どうしを水平に密着させるのが
望ましい。しかし銅板（ヒートシンク）の保持を強固に
行うとサンプル面とヒートシンクの面に角度のズレが発
生し密着性に欠ける。

【００１７】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」は、温度センサに熱電
対による温度プローブを使用することを提案している。
細いプローブを電極の数＋Ｎ本だけ下面に取り付けたプ
ローブカードをチップに押し付けて、プローブ先端が電
極と、チップに接触するようにする。Ｎ本のプローブに
よってチップの表面に接触させて温度を測定する。プロ
ーブの先端は尖っており電極やチップと一時的に接触す
るだけである。したがってプローブ先端の熱伝導が悪く
温度測定精度が低いという欠点がある。これはステージ
温度を測定しており補助的にチップ温度を測定するので
あるからこれでも十分であるのかもしれない。

【００１８】特開平４−３５９４４５号「温度試験用
プロービング装置」は、プローブカード自体の温度をス
テージ温度に合致させるものである。ステージ温度を測
定するため熱電対を使っているので従来例として挙げて
いる。しかしこれはステージ全体の平均温度をみるもの
であって、対象の温度分布を調べる事はできない。

【００１９】測定精度が高い表面温度の測定装置を提供
する事が本発明の第１の目的である。非破壊で表面温度
を測定する事のできる装置を提供する事が本発明の第２
の目的である。任意の微小領域の温度を測定できる装置
を提供することが本発明の第３の目的である。空間的分
解能の高い温度分布測定装置を提供する事が本発明の第
４の目的である。サンプルの温度分布を求めることがで
きる装置を提供する事が本発明の第５の目的である。セ
ラミックパッケージなどに実装したＩＣの熱解析・検査
に利用できる装置を提供する事が本発明の第６の目的で
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の表面温度測定セ
ンサは、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率の材料からなり
平坦な底面をもつ接触子と、接触子に先端部を固着した
熱電対と、熱電対を内部に貫通させ先端に接触子を保持
する管とを含む事を特徴とする。管によって接触子を対
象に押し付けると対象と熱平衡になり接触子に固定した
熱電対によって対象の温度を正確に測定できる。

【００２１】接触子は半球、円錐台、角錐台などで底面
が平坦で対象に密着できるようなものである。管の先端
で押さえるので接触子は半球状が良い。半球の場合がも
っとも安定する。半球に作ろうとしても歪んで円錐台、
角錐台などになることもある。接触子（半球）の役目は
熱電対の先端を対象に強く接触させることと、半球がか
なりの熱容量をもち対象表面と熱平衡になり、熱電対先
端の温度条件を安定させることである。接触子の寸法は
目標とする空間分解能によるが、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程
度の直径を持つものが良い。熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ
以上あればよい。例えば熱伝導率３９０Ｗ／ｍＫのＣｕ
などが最適である。

【００２２】さらに接触子と管との間に断熱材をはさむ
ようにするのがさらによい。接触子から管への熱伝導を
防ぐためである。管への熱伝導が盛んであると、接触子
が対象表面と熱平衡にならない。短時間で熱平衡に到達
するためには管と接触子の間に高い断熱性をもつ断熱材
が必要である。０．１Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率が望まし
い。例えば、約０．０４Ｗ／ｍＫの発泡ＰＥ等が適す
る。

【００２３】管は、接触子を対象に押し付けるためのも
のであるから物理的な強度が必要である。さらに熱の逃
げがあってはいけないから低熱伝導率である事が望まし
い。後者の条件から金属管などは使えない。断熱性が高
くて強くて加工容易のものがよい。例えば２Ｗ／ｍＫ程
度のガラス管等を使うことができる。約１Ｗ／ｍＫ程度
のパイレックスガラス管なども良い。

【００２４】熱電対は対象の温度範囲で感度を持つ熱電
対を使えば良い。クロメルアルメルや、銅コンスタンタ
ン、白金白金ロジウム、など任意である。熱電対の金属
線を通して熱が逃げるのでこれを抑えるために、金属線
の直径は細い事が必要である。２００μｍ以下の直径の
細い熱電対を使う。特に１００μｍ以下の線径ものが良
い。

【００２５】本発明の表面温度測定センサを三次元運動
するアームに取り付けることによって、温度測定プロー
ブとすることができる。つまり本発明の温度測定プロー
ブは、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率の材料からなり平
坦な底面をもつ接触子と、接触子に先端部を固着した熱
電対と、熱電対を内部に貫通させ先端に接触子を保持す
る管とを含む表面温度測定センサを金属アームに取付
け、金属アームをＸＹＺステージに取り付けたものであ
る。

【００２６】ここで熱伝導率の単位Ｗ／ｍＫについて説
明する。材料の中に平行な２面を想定し、平行な２面の
距離をＬ、２面の面積をＳ、２面の温度の差をΔＴとし
て、熱伝導率をρとすると、時間ｔにこの面間に流れる
エネルギーＱはＱ＝ρＳΔＴ／Ｌによって与えられる。
この係数が熱伝導率である。昔は、１ｃｍ２の面積をも
ち１ｃｍの間隔を隔てた壁の間に１℃の温度差があった
時に、１カロリーの熱量が１秒で移動する材料の熱伝導
率を１ｃａｌ／ｃｍｓｅｃ℃としたものである。これが
ＭＫＳ単位になると、１ｃａｌ＝４．２Ｊ＝４．２Ｗｓ
ｅｃである。摂氏℃と絶対温度Ｋは刻みがおなじであ
る。ｃｍ＝０．０１ｍであるから、１ｃａｌ／ｃｍｓｅ
ｃ℃＝４２０Ｗ／ｍＫである。Ｗ／ｍＫのｍはメートル
である、ミリケルヴィンではない。１Ｗ／ｍＫは１ｍ³
の立方体の対面する２面に１Ｋの温度差があるとき、１
秒間に１ジュールの熱が流れる材料の熱伝導率を示す。
この明細書ではＭＫＳ単位系のＷ／ｍＫを使う。

【００２７】そのほかにこの明細書では「熱抵抗」とい
う言葉も使う。これはある物体のなかを１Ｗのエネルギ
ーの流れを起こすためにその両端に与える必要のある温
度差ΔＴを本来意味する。ΔＴが大きいと熱が流れにく
いということである。ΔＴが小さいと熱は流れ易いとい
うことである。単位は当然にＫ／Ｗである。物質が決ま
るだけでは決まらず、物体形状も決まって初めて決まる
ものである。

【００２８】本来の熱抵抗の定義はそうなのであるが、
この明細書では「単位長さ辺りの熱抵抗」という意味
で、「熱抵抗」という言葉を用いる。単位はＫ／ｍＷで
ある。ΔＴ／Ｌ＝Ｑ／ρＳであるから、単位長さ当たり
熱抵抗ＲｔはＱ＝１Ｗとおいて、Ｒｔ＝ΔＴ／Ｌ＝１／
ρＳである。単位長さ当たり熱抵抗は、熱伝導率と断面
積に反比例する。単位はＫ／ｍＷであるが、Ｋと℃は刻
みが同じであるから、℃／ｍＷを単位長さ当たりの熱抵
抗の単位に使っている。もちろん℃／ｍＷ＝Ｋ／ｍＷで
ある。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１によって本発明の表面温度測
定センサと温度測定プローブを説明する。熱電対１は２
種類の異なる金属線の先端を接合したものである。ここ
では１本のように書いているが実は２本の金属線を纏め
てシースに入れているのである。クロメルアルメル、銅
コンスタンタン、白金白金ロジウムなど一般に用いられ
ているものであって良い。前２者が安価であるのでコス
ト的には適している。熱電対線を通して熱が逃げてはい
けないので、線径は十分に細くする。０．２ｍｍ〜０．
０５ｍｍ程度である。

【００３０】図２に熱電対の先端部分の拡大図を示す。
熱抵抗の大きい管２の内部に熱電対１が挿通されてい
る。熱電対１の先端は半球型の接触子３にとりつけてあ
る。接触子３の上面に管２の細い先端が接着されてい
る。半球型の接触子３は平坦な底面２２と半球面２３を
有する。これは熱伝導率の高い材料によって作る。半球
型であるとその上に管を取り付けた時に管の内径の全面
において半球に接触できるという長所がある。

【００３１】しかし接触子３は円錐台、角錐台でも良
い。図４、図５は角錐台形状の接触子３０を示す。底面
３１は平坦である。上面３２も平坦である。穴３４が縦
に穿たれる。周面３３は円錐面となっている。図６、図
７は角錐台の接触子３５を示す。底面３６は平坦であ
る。側面３８が傾斜した台形面となっている。縦穴３９
は熱電対の先端を差し込み固定するためのものである。
円錐台、角錐台の接触子は管端との接触が点接触になる
が接着材などで接着するので外れるという恐れはない。

【００３２】管２は断熱製が高く機械強度の大きいもの
である必要がある。管２は接触子１を支持しこれを押さ
えるという役割がある。機械的強度が必要なのは管が押
圧力を与える部材であるからである。管２を伝わって熱
が逃げてはいけないから熱伝導率の低いものでないとい
けない。管２から逃げる熱量を押さえるために管２と接
触子３の間に熱伝導率の低い断熱材１８を挟むとさらに
よい。

【００３３】熱電対１の先端２０は接触子３に穿った穴
１９の中に差し込んでここに鑞づけまたは半田付けして
固定する。接触子３、断熱材１８、管２は相互に接着さ
れており一体である。管２は底面２２と直角であっても
良い。あるいは角度をつけてもよい。図１、図２の例で
は管２は底面２２に対して傾斜している。プローブとし
て対象表面に押しつけるためには傾いている方が便利で
ある。後で述べる実施例では管を３０度傾けている。

【００３４】図３は対象物（非測温物）２１の表面に温
度センサを押しつけた状態を示している。対象２１の表
面に半球型の接触子３が底面全体で接触している。管２
から一定の圧力が掛かっている。対象物の表面温度をＴ
ｓとする。接触子温度をＴ（ｔ）とする。管の温度をＴ
ｇとする。管２、断熱材１８、接触子３、非測温物２１
の温度は初めは大きく異なっている。接触することによ
って非測温物２１から熱が接触子３に流れる。この熱の
一部が断熱材１８を通って管２にも流れる。接触子３は
熱伝導率が高いのですぐに熱平衡状態になる。この時間
τは接触子３の熱容量（体積×比熱）を熱伝導率で割っ
た値ｃＶ／ρに比例する。Ｖが小さくρが大きいので平
衡への時間は短い。熱平衡状態では、Ｔ（ｔ）は、Ｔｓ
とＴｇを、断熱材１８の熱抵抗と、底面２２と表面の接
触の熱抵抗の比で内分した温度に収束する。断熱材１８
の熱抵抗がもちろん大きいので、平衡状態の極限で、ｌ
ｉｍ｛Ｔ（ｔ）｝＝Ｔｓである。以上が表面温度測定セ
ンサの構造と機能である。

【００３５】これを温度プローバとするにはさらにこれ
をｘｙｚ方向に動き得るアームに固定する必要がある。
昇降可能な水平のプローバ台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が設けられる。ＸＹＺステージ６
には調整ネジ７、８がある。ＸＹＺステージ６はｘ、
ｙ、ｚの３方向に自在に平行移動できる。その先端にネ
ジ１０、１１によって外向きに湾曲したアーム９を固定
する。アーム９の下端１３は水平方向に折れ曲がってい
る。アーム先端１３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が穿孔してある。この穴１６に先述の管２が差し込
まれていて、ネジ１７によって固定される。

【００３６】熱電対１の途中の部分がアーム９に輪１２
によって軽く止められている。バネ１４は力を受けて湾
曲するので、管２の下端の接触子３が対象２１に衝突し
たときの衝撃を緩和する。また接触時には、表面２１と
底面２２の接触部に一定の圧力を生ずる。これが温度測
定プローブとしての構造である。ＸＹＺステージを３軸
方向に動かして、管２を対象の目標位置に接触させるよ
うにする。同じ対象物の複数の箇所に温度センサを接触
させることによって温度分布を求めることができる。

【００３７】これは測温のためのプローブだけである
が、そのほかに電気的性質を調べる多数のプローブを同
じ円板に取り付けて電気的性質と温度とを同時に測定す
るようにしてもよい。円板に小さい四辺形の穴を開けて
辺に多数のプローブを取り付けたＩＣプローブカードは
周知である。このプローブカードに本発明の温度センサ
をとりつけて温度測定もできるＩＣプローブカードとす
ることもできる。さらに１枚のプローブカードに図２に
示す温度センサを複数個設けると、広い対象物の温度分
布を短時間で測定することができる。ここで本発明の温
度センサと既存の温度センサの空間分解能、測定精度、
断熱性およびその評価を表にして示す。１欄と２欄のク
ロメルアルメル（Ｎｉ＋ＮｉＣｒ）熱電対、銅コンスタ
ンタン（Ｃｕ＋ＣｕＮｉ）熱電対というのは図１、図２
に示す構造のセンサを意味する。○は合格、×は不合格
である事を意味する。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【実施例】熱電対は、熱電対自身からの熱リークを避け
るために、できるだけ熱伝導率の悪い素材を用い、かつ
細線を使用するのがよい。熱伝導率が良い材料であると
これを伝って熱が逃げる。太い線であるとこれからも熱
が逃げる。熱リークを避けるためには熱電対材は細けれ
ば細いほど良い。熱電対は線直径が５０μｍ程度のもの
まである。しかし余りに細いと見え難いし指では持ちに
くいので作業性が悪くなる。ここでは線径１００μｍの
ものを使用した。線径１００μｍというと十分に細いが
作業性は悪くない。

【００４０】熱電対には多様なものがある。本発明では
どのような熱電対でも使う事ができるし、対象温度によ
って適当に材質を選ぶようにすれば良い。ここでは安価
でよく使われる、クロメルアルメルと銅コンスタンタン
の２種類の熱電対を候補にして考察した。線径１００μ
ｍの両方の線の熱抵抗を計算した。直径０．１ｍｍの線
形状で熱抵抗は、クロメルアルメルで約１０℃／ｍＷで
ある、銅コンスタンタン約１℃／ｍＷであった。

【００４１】ここでセラミックパッケージに実装したＩ
Ｃ等のサンプルでよく使用されるＡｕワイヤは長さ１ｍ
ｍ直径２０μｍでこれを２本用いる。ワイヤからの熱放
散の可能性の考えなくてはいけない。しかし実はＡｕワ
イヤはサンプルの中では熱的に無視されるほど熱抵抗が
高く、このＡｕワイヤの熱抵抗は約８℃／ｍＷである。
熱電対の選定としては、直径１００μｍ以下で熱抵抗が
８℃／ｍＷよりも大きいクロメルアルメルを用いた。

【００４２】また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。どこでビニールやＳｉゴム、やテフロンを比
較し熱伝導率の低いガラス繊維被覆を選んだ。この熱伝
導率は約２Ｗ／ｍＫ以下である。

【００４３】熱電対の先端に取り付ける接触子は、サン
プルの測定部の最小部分が約１ｍｍであることから、直
径０．８ｍｍのものを用いた。接触子と熱電対の取付
は、接触子に平面部から垂直に開けた穴に曲面側から熱
電対の先端を入れ半田鑞づけで穴に固着した。この際に
余分な半田が接触子の平面部にはみ出した。平面部には
み出した半田は紙やすりで擦って除いた。管は長さ５０
ｍｍ、外径５ｍｍ、内径３ｍｍである。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。管の先端には約３０度の角度をつけている。

【００４４】断熱材は発泡ポリエチレン（ＰＥ）を使用
した。熱伝導率は、０．０４Ｗ／ｍＫ以下である。ここ
で接触子の材質と管の材質と断熱材の有無が表面温度セ
ンサー作製のために重要である。接触子、管、断熱材に
ついて材質を様々に変えて実験を行った。接触子は銅
（Ｃｕ）、ステンレス（ＳＵＳ）、ＡｌＮの３種類の物
を作った。管についてはパイレックスとアクリルで作製
した。断熱材は発泡ポリエチレン（ＰＥ）を使った場合
と使わない場合について実験した。これらの材料を変え
て５種類の温度センサを作った。表２は温度センサ〜
の材料を示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】温度センサは接触子が銅であり熱伝導率
は３９０Ｗ／ｍＫである。管はパイレックスで熱伝導率
は１．１Ｗ／ｍＫである。発砲ポリエチレンの断熱材を
管と接触子の間に挟む。この断熱材の熱伝導率は０．０
４Ｗ／ｍＫである。

【００４７】温度センサはＮｉメッキしたＡｌＮ製の
接触子を用いる。ＮｉメッキＡｌＮの熱伝導率は２００
Ｗ／ｍＫである。管はパイレックスで前例と同じであ
る。発泡ＰＥの断熱材を用いる。つまり温度センサは
と接触子の材質のみにおいて異なる。

【００４８】温度センサはステンレスの接触子を使
う。熱伝導率は低くて１８Ｗ／ｍＫである。管はパイレ
ックスである。断熱材を用いる。接触子材料以外は温度
センサ、と同じである。

【００４９】温度センサは銅の接触子を使う。管はア
クリルである。パイレックスよりさらに熱伝導率が低く
て０．４Ｗ／ｍＫである。断熱材を使わない。アクリル
管が接触子に接触している。

【００５０】温度センサは銅の接触子を用いる。管は
パイレックスである。ここまでは温度センサと同じで
あるが、断熱材を用いない点でとは異なる。

【００５１】実験は次のような条件で行った。金メッキ
されたＣｕＷブロックをサンプル（被測温対象）とす
る。２５℃で無風状態である外気中で、金メッキされ５
０℃に温度制御されたＣｕＷブロックに接触子を押しつ
けて熱電対の熱起電力の立ち上がる様子を測定した。熱
起電力は温度に換算してある。つまり熱電対の先端を、
ＣｕＷサンプルに押しつけてから熱電対のセンシング温
度の時間的な変化を測定した。

【００５２】その結果を図８に示す。横軸は、熱電対先
端をサンプルに接触させた瞬間からの経過時間である。
縦軸は熱電対の示す温度である。サンプルは５０℃であ
るから最終的には熱電対温度も５０℃に近い温度に収束
する。しかし〜について温度示度の上昇の度合いが
違う。温度センサは３分で４７℃まで上がるがそれ以
後の温度上昇が鈍い。４８℃程度に収束してしまい５０
℃までいかない。この温度センサはより速くて２分で
４７℃までいくが、３分以後温度上昇の勢いがなくなり
４９℃程度に収束しそれ以上なかなか上がらない。と
は断熱材を挟まないから接触子から熱が管へと伝って
逃げるのであろう。

【００５３】温度センサは温度上昇の速度が極めて鈍
い。４９℃に達するまでに１５分かかかっている。接触
子の素材が鉄であって熱伝導率が低すぎる為であろう。
最終的には５０℃に収束するようであるが、これは断熱
材を使っているからである。

【００５４】温度センサは初めの温度上昇は遅いが、
６分で４９℃にまで上がり１０分で５０℃の極近くまで
上がる。断熱材を挟んでいるので５０℃まであがるので
あろう。温度センサは初めから温度上昇が最も速い。
２分で４９℃にまで上がる。５分で５０℃の近くまで上
昇する。との違いは、接触子の材質が銅（Ｃｕ）で
あるか窒化アルミ（ＡｌＮ）であるかによる。ＡｌＮの
熱伝導率が銅よりも低いので熱電対温度上昇が遅いので
あろう。

【００５５】このグラフから温度センサとが優れて
いる事が分かる。どれを許容できるかということは判定
基準による。判断基準として、例えば測定開始より１０
分以内に、熱電対示度が非測温物温度（Ｔｓ）±１℃に
入るものを合格とし、入らないものを不合格とする。こ
の判定基準に合格するものは、、である。

【００５６】［Ａ．接触子の材質］接触子の材質によ
って温度安定時間（一定温度になるまでの時間）が大き
く異なる。これは接触子の熱伝導率の相違によるもので
ある。接触子にＳＵＳのような熱伝導率の小さい材料を
用いても、非測温物の温度測定は可能である。図８の曲
線をみれば分かるが５０℃まで上がるが収束時間が長
い。測定時間を短縮し、温度精度を上げるためには、も
っと熱伝導率の高い材料によって接触子を作製するべき
である。そのためにはＡｌＮやＣｕなど高熱伝導率材料
を用いると良い。先ほどの１０分以内に、温度示度Ｔが
被測定物温度Ｔｓ±１℃に入るというのを判定条件とす
ると、接触子の熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫ以上であれば
良い。

【００５７】もちろん接触子の望ましい熱伝導率は、判
定条件によって異なる。熱電対の温度示度Ｔ（ｔ）が被
測温物温度Ｔｓとの差が所定の値Δ以内になるの要する
時間がｔｑ以内であるということを要求するとすれば、
判定条件のパラメータはΔとｔｑである。つまり

【００５８】判定条件｜Ｔ（ｔｑ）−Ｔｓ｜＜Δ （１）

【００５９】はパラメータ、Δ、Ｔｓ、ｔｑを含む。実
際には出発温度Ｔｔ（ここでは室温２５℃）も条件に含
まれる。これらパラメータを目的によって適当に決定し
て、判定条件を定める。すると接触子の許容される熱伝
導率の範囲がわかる。これによって材料も決まってくる
のである。判定条件を決めるに当たってパラメータが多
すぎるように見える。

【００６０】しかし実はそうでもない。理想的には、熱
電対の時定数をτとして、温度上昇の様子はｅｘｐ（−
ｔ／τ）によって表現されるから、これらのパラメータ
間には簡明な関係があり、

【００６１】 τ＝ｔｑ／ｌｎ｛（Ｔｓ−Ｔｔ）／Δ｝（２）

【００６２】である。隠れたパラメータはτ一つだけで
ある。τが大きいと収束が遅くて温度測定に時間が掛か
りすぎる。多数の点の温度を調べ分布を求めようとする
と時間が掛かりすぎて実用的でない。τは短い方が良
い。τを小さくするために、接触子に高熱伝導率のもの
を利用し、熱電対の線径の小さいものを使っている。

【００６３】［Ｂ．管の材質］アクリルはパイレックス
よりも熱伝導率が小さい。優れた断熱性を持つ。管とし
てアクリルを使用すると、発泡ＰＥの断熱材を用いなく
ても１５分で、被測定物温度Ｔｓとの差が１℃以下とな
るような測定精度を得ることができる（曲線）。しか
しさらに高精度の測定を行うには、断熱材を使用する事
が望ましい。管の材料としてパイレックスを用いる事も
できる。断熱性はアクリルに劣るが、加工容易であり強
度に優れる。加工性が良いので少数ロットの場合でも容
易に作製できる。管の先端部は細いし、プロービング作
業によって繰り返し圧力が掛かる。このため強度に秀で
たパイレックスが管材料として適する。しかしパイレッ
クスは熱伝導率がやや低いので断熱材を使用する必要が
ある。断熱材がないと温度測定精度が落ちる。

【００６４】［Ｃ．断熱材］断熱材は接触子と管の間に
あって両者の熱伝導を遮るものである。熱が管を伝って
逃げると接触子が対象表面と熱平衡にならず温度に狂い
がでる。これは曲線をみればわかる。ここでは熱伝導
率が０．０４Ｗ／ｍＫと極めて低い発泡ＰＥを使ってい
る。それ以外の低熱伝導率断熱材であっても良い。管が
パイレックスのようにそこそこの熱伝導率（１．１Ｗ／
ｍＫ）がある場合は断熱材が必要である。管の熱伝導率
がもっと低い場合は断熱材を省くこともできる。

【００６５】この表面温度測定センサは単体として対象
物の温度測定に利用できる。この場合は、例えばアーム
にアクリルビスによって取付、アームをＸＹＺステージ
に取り付ける。これが図１に示すものであるが、対象の
任意の場所にプローブを移動させ任意の箇所の温度を測
定できる。さらにプローブカードに装着することにより
ＬＳＩのチップの温度測定に用いる事ができる。プロー
ブカードは電気的測定のための多数のプローブをもちこ
れらがＬＳＩの電極に接触するが、同時に温度測定用の
追加のプローブがチップ表面に接触して温度を精密に測
定する。

【００６６】

【発明の効果】本発明の温度測定プローブは、熱電対先
端には接触子があり、接触子を管によって押さえるの
で、熱電対の先端が、対象物（被測温物）に強く押し付
けられる。接触子が対象の表面に緊密に接触するので対
象から接触子に熱が流れ易くなる。迅速に熱平衡状態に
到達し表面温度を正確に測定する事ができる。熱電対の
先端を単に対象表面に押し付けたのでは熱伝導が悪く不
正確である。また針金部分が曲がり、接触状態が不安定
で温度測定に再現性がない。本発明は接触子を管で押さ
えるので熱電対と表面の接触が安定する。しかも単に細
い熱電対針金だけを表面に接触させるのでなく、ある程
度の熱容量をもつ接触子を接触させるので温度揺らぎが
少ない。接触が安定し温度揺らぎが小さいので信頼性、
再現性の高い測定が可能となる。接触子の寸法によって
空間的分解能が決まる。ここでは接触子の寸法を例えば
０．８ｍｍとしている。分解能はこの場合０．３ｍｍ程
度である。

【００６７】本発明の温度測定プローブは自在に動かす
ことができ、任意の部位の温度を簡単に測定できる。動
かす事ができるので一つの温度測定プローブで多数の箇
所の温度を求めることができる。一つの対象の温度分布
を測定できる。従来技術として説明したものには熱電対
を使って表面温度を測定するものがあったがこれらは熱
電対を対象表面に埋め込んで固定するものであった。こ
れでは熱電対を動かすことができず一つの対象物の温度
分布を求めるのは容易でない。

【００６８】本発明の温度測定プローブは自在に移動で
きるから、多数の対象の温度を測定する事ができる。一
つのプローブで複数の同等な試料を継時的に測定でき
る。経済的であるし測定条件を揃える事ができるので正
確な比較が可能である。従来例のように熱電対先端を対
象に埋め込んでしまえばそのような事は不可能である。

【００６９】本発明のプローブは単に押し付けるだけで
あり表面に穴を開けたり表面にカーボンを塗布したりし
ない。対象を損なわず汚染しない。非破壊検査を行うこ
とができる。このように本発明の温度センサは対象表面
を損なう事なく密着できるししかも移動できるという点
に優れた特徴がある。温度検出には熱電対を使うので輻
射温度計やサーミスタを使うものより精度は高い。

【００７０】複数本のプローブを用いれば、複数の微小
領域を同時に高精度で温度測定することができる。多様
な対象の熱解析にもちいることができる。また本発明の
温度測定プローブをプローブカードに取り付けると、温
度条件を規定したＬＳＩの電気的検査が可能になる。本
発明の表面温度測定センサをＸＹＺステージに取り付け
た温度測定プローブは、通常のマイクロプローブと同等
に扱う事ができる。現状のプローブ装置を温度分布測定
装置として使用する事が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度測定プローブの全体構成概略図。

【図２】本発明の表面温度測定センサの先端部分の概略
図。

【図３】本発明の表面温度測定センサが対象物表面に接
触したときの各部の温度を定義するための図。

【図４】円錐台形状の接触子の縦断面図。

【図５】円錐台形状の接触子の平面図。

【図６】角錐台形状の接触子の縦断面図。

【図７】角錐台形状の接触子の平面図。

【図８】接触子の材料を銅或いはＡｌＮとし、管をパイ
レックス或いはアクリルにし、断熱材を使用するときと
しない場合などの違いのある温度センサ〜を、５０
℃の対象物に接触させてからの経過時間と熱電対の温度
変化を示すグラフ。は銅の接触子、パイレックスの
管、発泡ＰＥの断熱材を使った温度センサ、はＡｌＮ
の接触子、パイレックスの管、発泡ＰＥの断熱材を使っ
た温度センサ、はＳＵＳの接触子、パイレックスの
管、発泡ＰＥの断熱材を使った温度センサ、は銅の接
触子、アクリル管、断熱材なしの温度センサ、は銅接
触子、パイレックス管で断熱材なしの温度センサであ
る。

【符号の説明】

１熱電対２管３接触子４プローバ台５マグネットベース６ＸＹＺステージ７調整ネジ８調整ネジ９アーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率の材料か
らなり平坦な底面をもつ接触子と、接触子に先端部を固
着した熱電対と、熱電対を内部に貫通させ先端に接触子
を保持する管とを含む事を特徴とする表面温度測定セン
サ。
【請求項２】接触子と管との間に断熱材を挟んだこと
を特徴とする請求項１に記載の表面温度測定センサ。
【請求項３】断熱材は、熱伝導率が０．０４Ｗ／ｍＫ
以下の発泡樹脂からなることを特徴とする請求項２に記
載の表面温度測定センサ。
【請求項４】熱電対は部分的にガラス繊維によって被
覆された直径２００μｍ〜５０μｍのクロメルアルメル
（Ｎｉ合金とＮｉＣｒ合金を接合したもの）であること
を特徴とする請求項１、２または３に記載の表面温度測
定センサ。
【請求項５】接触子は底面の直径が０．５ｍｍ〜１ｍ
ｍであり、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の無機物質で
あることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
表面温度測定センサ。
【請求項６】管は、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ以下の樹脂
またはガラスによって製作されていることを特徴とする
請求項１〜５のいずれかに記載の表面温度測定センサ。
【請求項７】１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率の材料か
らなり平坦な底面をもつ接触子と、接触子に先端部を固
着した熱電対と、熱電対を内部に貫通させ先端に接触子
を保持する管とを含む表面温度測定センサを金属アーム
に取付け、金属アームをＸＹＺステージに取り付けたこ
とを特徴とする温度測定プローブ。