JPS63179266A

JPS63179266A - 高密度集積回路を備える部品等のエレメントの熱抵抗測定方法及びその測定方法を実施するための装置

Info

Publication number: JPS63179266A
Application number: JP61315903A
Authority: JP
Inventors: ジャン　ボンヌフワ
Original assignee: Bull SA
Current assignee: Bull SA
Priority date: 1985-12-27
Filing date: 1986-12-27
Publication date: 1988-07-23
Also published as: EP0228333A3; EP0228333A2; FR2592489A1; FR2592489B1; US4840495A; JPH0525303B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はエレメントの熱抵抗の測定方法及び測定装置に
関するものであり、さらに詳細には通常集積回路とかチ
ップと呼ばれる集積回路板等の熱源を備える電子部品に
適用される。集積回路を含む部品は、一般に、片面に１
つもしくは複数の集積回路の固定のための接着層を備え
る板を有する。

この板は、プリント回路の形態の電気的相互接続層を備
え、この板の他方の面に接着したラジェータ等の冷却エ
レメントと協働することができる。

シリコンウェハに集積回路の集積化が進むほど、散逸す
べき熱の密度が増大する。たとえその散逸を減少させる
ことのできるトランジスタ製造技術があっても、散逸す
べき熱密度は現在開発中の超高集積回路のため増大する
一方である。集積回路の超高集積化によってもたらされ
る利点を維持するには、機械に組込まれる装置すなわち
チップの結合体がチップのあらゆる特徴に完全に適合し
ていなければならない。適用される解決策は、多くの場
合、含まれる素子の機械的性質、電気的特性及び熱特性
の間で最良の妥協策をとることである。

機械的特性及び電気的特性は通常正確に知ることができ
るので、最良の妥協策を帰るためには熱特性を正確に測
定すればよい。

また、チップを備える部品を実際の作動状態において、
チップと大気の間で熱の放出経路を構成するあらゆるエ
レメントの熱抵抗を測定することが極めて重要である。

このような具体的なケースでは、測定値は、熱放出経路
に使用されている様々な材料の熱伝導率から算出した熱
抵抗の合計値としばしば大きな差を示す。従って、熱放
出経路内のどこにこの差の原因があるかを特定すること
が極めて重要である。差は例えば、インターフェイス、
材料の適用の際にその材料に多孔性が生じること、或い
は熱もしくは他の外的要因の影響による材料の熱抵抗の
不安定性から発生することがある。

日本国特許出願公開番号第５７−１３２０４６号は、サ
ンプルの熱伝導率及び熱容量の測定方法及び測定装置を
記載している。この測定装置は熱源どなるサーモスタッ
トと協働する銅板と厚いアクリル板を備える。２枚の板
は、対向してふり、２つの面の間にサンプルをはさむ。

２枚の板は、各々熱電対を備える。この測定方法による
と、まず、アクリル板上にサンプルを配置し、それらが
周囲温度と同一になるのを待つ。次にサーモスタットに
銅板を入れて均一な温度にしてから、それをサーモスタ
ットから取り出して、迅速にサンプルと接触するように
配置する。３０秒後、熱電対で温度を読む。特に読み取
られた温度の値と、サンプルの厚さの数値から、様々な
パラメータの関数としてあらかじめ計算しである表を用
いてサンプルの熱伝導率を決定する。

この方法は、厚さが均一なサンプルの熱抵抗の測定にし
か使えない。従って、複数の構成素子が異なる表面積を
有し、厚さが均一でない（特に平行関係が存在しない）
複合構造の集合体の熱抵抗の測定には適用できない。こ
れは、集積回路を備える部品の典型的な場合である。さ
らに、上記の従来の測定装置では、アクリル板は断熱材
であり、ラジェータもしくは低熱源の役割を果たすこと
ができない。従って、上記の従来の測定方法はある単位
時間に銅板からサンプルへ移動する特定の（マツシブな
）熱に基くものである。言い換えれば１．高熱源と低熱
源の間に連続した熱流束の循環は存在しない。従って、
この測定方法では実際の作動状態に置かれた集積回路を
備える部品の熱抵抗を測定することができない。また、
この測定方法は比較的質量が大きいサンプルや熱抵抗が
大きいサンプルには適さない。さらに、サーモスタット
から銅板を取りだしているため、そのとき生じる熱エネ
ルギーの損失を制御することができない。

このため上記の従来の測定方法は、例えばチップの能動
素子とラジェータとの間に存在する温度差のように板の
間の温度差が大きい場合に適用することができない。

さらに、使用される計算表は、既知のサンプルについて
特殊な限定条件で行った以前の実験から作成されたもの
である。その上、この計算表を用いる際には、補間法も
しくは補外法による計算が必要である。従って、上記の
従来の測定方法及び測定装置を用いたのでは、単一構造
もしくは複合構造のいかなるエレメントをいかなる条件
に置いても、あまり正確な測定が実施できず、得られる
熱抵抗値もあまり信頼性が高くない。

従って、実際に作動状態にあるチップを備える部品の熱
抵抗の測定は、別の方法で行われる。この従来の測定方
法は、チップとそのチップを備える部品にしか適用でき
ない。チップが高熱源であり、そのチップを備える部品
は、実際の作動状態にある低熱源に接続される。次に、
チップから発生し低熱源に流れる熱流束Ｑ１及び高熱源
の温度Ｔ１と低熱源の温度Ｔ２を測定する。チップと低
熱源の間の熱抵抗Ｒの計算は、式Ｒ＝　（ＴＩ−Ｔ２）
／Ｑを適用して行われる。

この測定方法では、チップと大気の間の熱放出経路の熱
抵抗の全体値しかわからない。従って、この経路中の欠
陥の位置を特定することができない。また、この測定は
、エレメントが小さいほど不正確であることがわかる。

その上、測定の正確さは、実際にチップから低熱源に移
る熱流束Ｑの測定が不正確だと影響を受ける。実際、理
論的にＱの値がチップに提供される熱量、に対応すると
しても、現実にはこの熱量の１部分は自然対流によって
散逸する。従って、前記の式におけるＱは、自然対流に
よる熱量の損失ｑを正確に知らなければ正確に決定する
ことができない。

本発明は、単一もしくは複合エレメントの熱抵抗の正確
な測定を行う方法及び装置を提供する。

従って、本発明によってチップを備える°部品の熱経路
の全体もしくは一部分を測定することにより欠陥の存在
位置を特定し、その欠陥を効果的に改善することができ
る。また、本発明によって温度Ｔ１、Ｔ２及び熱流束Ｑ
の正確な測定が行えるので、熱抵抗を正確に測定するこ
とができる。

高熱源と低熱源を使用し、高熱源の温度ＴＩ、低熱源の
温度Ｔ２、高熱源から低−熱源に流れる熱流束Ｑを測定
し、式Ｒ＝　（ＴＩ−Ｔ２）ｉｃａを適。

用して熱抵抗Ｒを計算することからなる本発明によるエ
レメントの熱抵抗測定方法は、熱伝導率が高く、断面が
エレメントの対向する断面とほぼ等しい中実の棒を介し
てエレメントを高熱源に接続し、棒とエレメントを合わ
せた熱抵抗Ｒ１を計算し、エレメントを取り外して棒の
示す熱抵抗Ｒ２を計算し、Ｒ１からＲ２を差し引くこと
によってエレメントの熱抵抗Ｒ３を算出することを特徴
とする。

本発明の方法を実施する測定装置は、各々に熱電対を備
える高熱源と低熱源を有し、この２つの熱源は、一端が
高熱源と接触し且つ他端が調整可能な間隔を隔てて低熱
源から離れている熱伝導率が大きい材料からなる中実の
棒によって接続されることを特徴とする。

本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照して行われる
以下の説明によって明らかとなろう。この説明は、本発
明を例示するものであるが、本発明を何ら限定するもの
ではない。

第１図は、エレメント１１の熱抵抗を測定するための本
発明による測定装置１０を概略的に示す図である。図示
したエレメント１１は、集積回路チップ１２とその集積
回路を取り付けた部材１３を備えている。この部材は、
集積回路チップ１２を固定するための接着層１３ｂを備
えた支持部材１３ａのみで構成されている。

測定装置１０は、例えば電圧源（図示せず）に接続され
、銅等の熱伝導率の高い材料のブロック１６に埋められ
た電気抵抗１５によって形成される高熱源１４を備える
。高熱源１４は、銅等の熱伝導率の高い材料からなる中
実の棒１７の一端に接触している。

棒１７の他端は、間隔１９を隔てて低熱源１８と対向し
て配置されている。この間隔は公知の制御装置２０によ
って調節できる。図示した低熱源１８は、必要に応じて
送風されるラジェータである。熱電対２１．２２は、各
′々高熱源１４のブロック１６内と低熱源１８内とに設
けられるが、棒１７の軸線上にあることが好ましい。熱
電対は、温度測定装置２３に高熱源１４の温度Ｔ１を示
す信号と低熱源１８の温度Ｔ２を示す信号を出力する。

高熱源１４と棒１７は、自然対流による熱量の損失ｑを
正確に一定の値にしておくために断熱材２４を備える。

エレメント１１の熱抵抗の正確な測定のための本発明に
よる方法は、以下の通りである。エレメント１１を、棒
１７と低熱源１８の間に配置する。・本発明の方法は、
特に実際に作動状態に置かれたエレメントの熱抵抗の測
定に適しているので、低熱源１８は通常エレメント１１
を備えているべきラジェータであると考えられ、実際の
作動状態で作用をする。

従って、チップ１２は棒１７と接触している。便利さを
考えて、図示した棒１７は、この棒が接触するエレメン
ト１１の断面すなわちチップ１２の断面と同一の断面と
する。このことについては後述する。チップと棒との接
触により、以下に説明するインターフェース２５を形成
する。高熱源１４を作動させて、所定の熱量を供給し、
測定装置１０全体が熱平衡になるのを待つ。この平衡状
態で、２つの温度Ｔ１及びＴ２は安定化するので、温度
測定装置２３に読み出す。このようにして、式Ｒ＝　（
Ｔｌ−Ｔ２）／Ｑに現れる差（Ｔｌ−Ｔ２）を正確に測
定することができる。従って、次に、棒１７を通過し、
その結果エレメント１１を通過する熱流束Ｑの値を正確
に知らなければならない。Ｑの値は、明らかに、高熱源
１４が放出した熱量Ｑ°から自然対流による電力の損失
ｑを差し引いた値に対応する。差（Ｑ’−ｑ）を正確に
決定するためには、以下の方法を適用できる。まず、高
熱源１４を棒１７から引離し、電気抵抗１５が放出した
熱量Ｑ′の関数として熱電対２１にあける温度Ｔ”１の
変化を示す参照曲線を引く。こうして、熱平衡状態の高
熱源１４が発することのできる各熱量Ｑ°に対して参照
温度Ｔ’ｌを決定する。次に、本発明による熱抵抗の測
定法を実施するために棒１７が一体となった高熱源１４
が放出する各熱量Ｑ°ごとに、高熱源の温度Ｔ１を測定
する。同じ熱量Ｑ°での２つの温度間の差（Ｔ′１−Ｔ
１）が、損失ｑに対応する。ｑの算定には、参照曲線Ｃ
（第３図）を参照して差（Ｔ”１−Ｔ１）に対応する熱
量の差を決定すればよい。従って、（Ｔｌ−Ｔ２）及び
Ｑの数値が正確に分かり、これら数値から高熱源１４と
低熱源１８の間にあり、棒１７とエレメント１１を含む
全体部の熱抵抗値Ｒ１を算出することができる。

次に第２図に示すようにして測定を行う。エレメント１
１を測定装置１０から取り外し、低熱源１８を棒１７と
接触させる。インターフェイス２５は残したままである
が、棒１７を低熱源であるラジェータ１８に結合させる
。熱平衡に達した後、熱電対２２における温度Ｔ’２を
読み出し、今回は棒１７とインターフェイス２５の熱抵
抗Ｒ２＝　（Ｔ　１−Ｔ’２）　／Ｑを算出する。従っ
て、エレメント１１の熱抵抗Ｒ３は、（Ｒ２−Ｒ１）の
減算によって算出される。

インターフェイス２５は、単に第１図ではエレメント１
１のチップ１２と棒１７を、あるいは第２図では低熱源
であるラジェータ１８と棒１７を直接接触させて形成す
る。しかしながら、インターフェイスのあらゆる点が接
触している場合、すなわち、対向する面が完全に平らで
平行な時、このインターフェイスは無意味である。実際
には、特に対向する面の大きさが変化すると、多少はこ
の完全状態からはずれる。この不完全さがあるために、
インターフェイスは無視できない熱抵抗を有するだけで
なく、この熱抵抗は、接触面が互いにどの位置で接触す
るか及び加えられる力に応じて変化する。

従って、測定される熱抵抗の正確さを維持し、測定の再
現性を得るためには、極めて正確に知ることのできる一
定の熱抵抗値をインターフェイスに与えておく必要があ
る。これを実施するために、本発明による測定方法では
、さらにシリコングリース等の熱伝導率の高い粘性材料
からなる接合面によってインターフェース２５を構成す
る。インターフェース、すなわち接合面２５は本測定方
法の２つの段階を示す第１図および第２図に共通であり
、第２図に示す方法で測定した数値Ｒ２は接合面２５の
抵抗を含んでいるので、接合面２５の抵抗値は測定する
必要がない。しかしながら、ニレメン［１と低熱源であ
るラジェータ１８の間にも上述の接合面と類似した接合
面を設けてインターフェース２５′を構成する必要があ
る。この場合、インターフェースとなる接合面２５“　
の熱抵抗は、数値Ｒ３に含まれているので、エレメント
１１の正確な熱抵抗値を知るには接合面２５°　の熱抵
抗をＲ３から差引かなければならない。接合面２５”　
の熱抵抗は、エレメント１１０代わりに銅等の熱伝導率
の高い材料からなる均質な一個のブロックを用いて測定
する。

但し、このブロックは測定するエレメントのインターフ
ェース２５′　と同一の断面と所定の厚さを備えている
。本発明による測定方法によって、銅のブロックと接合
面８５゛　　を合わせた熱抵抗を示す数値Ｒ’３が得ら
れる。銅のブロックの熱抵抗は、銅の熱抵抗率とブロッ
クの寸法から計算によって簡単に決定される。この計算
値とＲ’３の差がインターフェイス２５”　の熱抵抗値
である。

また、複合構造のエレメント１１の下部面及び上部面が
、平面的でないとか互いに平行でないことは大いにあり
得る。この場合、棒１７とラジェータ１８の間にエレメ
ント１１を配置したのでは、破損させて測定を誤らせる
ことがある応力がエレメント１１に加わる恐れがある。

また、エレメント１１を上記の配置にしたのでは、イン
ターフェース２５．２５゜の厚みが均一ではなくなるた
め、測定を正確に行うには都合が悪い。本発明による測
定装置１０では、棒１７のインターフェース２５の位置
の構造を第２図に示すようにし、この欠点をなくすこと
ができる。

このインターフェースの位置では、棒１７の対応する面
は、はぼ半球形のジヨイント２６の平らな面によって形
成される。このジヨイントは棒内の対応するくぼみの中
に入っている。この結果棒１７の熱抵抗は変化するがそ
の値は一定であり、数値Ｒ１、Ｒ２に含まれるという利
点がある。従って変化した値は測定する必要がない。

第１図と第２図を用いて説明した例は、棒１７の断面が
エレメント１１の対向する面の断面と等しい場合に対応
する。棒内でその内部に含まれるインターフェイスに至
るまで熱流束線が均一であるという点からこの状態が理
想的なのは明らかである。

しかしながら、この状態にしようとすれば測定するエレ
メントごとに棒１７を適応させる必要がある。

測定されるエレメントの断面の大きさが多様な場合、棒
はその測定されるエレメントのうちの最も大きな断面を
備えることが望ましい。素子の断面が棒の断面より小さ
い時は、熱流束線がインターフェース２５の位置で収縮
するので、測定が乱される。しかしながら、例えばその
測定値を棒１７とエレメント１１の断面が等しい理想の
状態で得られた測定値と比較して、あらかじめ較正する
ことができる。

また、インターフェース２５の位置でエレメントの材料
の熱伝導率が比較的高い場合、棒１７の断面がエレメン
トの対向する面より少々小さくても測定は乱されないと
考えることができる。この場合、温度はこの素子全体で
均一であると考えてよい。

これは、例えば、断面が正方形の材料を断面がその正方
形に内接する棒で測定する場合である。しかしながら、
擾乱が存在したとしても、材料の熱抵抗の計算の際にこ
の擾乱を考慮することができる。従って、一般的には、
棒の断面はサンプルの対向する面に等しいか少なくとも
ほぼ等しくなければならない。インターフェース２５°
　についても同様である。

前述の説明によって、本発明による測定方法は、素子が
単一構造であれ複合構造であれ、あらゆるエレメントに
区別な（適用できることがわかる。

本発明の測定方法には、第１図に示すエレメント１１の
ような複合構造のエレメントについてその構成部分の各
々の熱抵抗を測定できるという利点がある。例えば図示
したエレメント１１のチップ１２を取り除いて、本発明
の測定方法を実施すると、部材１３の熱抵抗を決定し、
さらにＲ３から減算を行い、チップ１２の熱抵抗を決定
できる。次に部材１３から接着層１３ｂを除去して、本
発明の測定方法を実施すると、支持部材１３Ｈの熱抵抗
が分かり、さらに、減算によって接着層１３ｂの熱抵抗
が分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の測定装置の概略図で、集積回路を備
えた部品等のエレメントの熱抵抗を測定する本発明の方
法の第１段階の図である。第２図は、本発明の測定装置の１実施態様を示す第１図
に類似した概略図で、本発明の測定方法の第２段階の図
である。第３図は、第１図及び第２図に示した測定装置で熱エネ
ルギー損失ｑを決定するために使用するグラフである。（主な参照番号）１０・・測定装置、　　１２・・チップ、１１・・エレ
メント、１４・・高熱源、１５・・電気抵抗、　　１６
・・ブロック、１７・・棒、　　　　　１８・・低熱源
（ラジェータ）１９・・間隔、　　　　２１．２２・・
熱電対、２３・・温度測定装置、２５、２５’　　・・インターフェース（接合面）１．
２６・・ジヨイント、特許出願人　　ビニル　ニス、アー。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高熱源（１４）と低熱源（１８）を使用し、該高
熱源の温度（Ｔ１）、該低熱源の温度（Ｔ２）、上記高
熱源から上記低熱源に流れる熱流束（Ｑ）を測定し、式
Ｒ＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑを適用して熱抵抗（Ｒ）を計算
することからなるエレメントの熱抵抗測定方法であって
、該エレメント（１１）の対向する断面にほぼ等しい断
面を有する熱伝導率の高い中実の棒（１７）を介して上
記エレメントを上記高熱源（１４）に接続し、上記棒（
１７）と上記エレメント（１１）を合わせた熱抵抗（Ｒ
１）を計算し、上記エレメント（１１）を取り外して、
上記棒（１７）の熱抵抗（Ｒ２）を計算し、前者の熱抵
抗（Ｒ１）から後者の熱抵抗（Ｒ２）を差し引いて上記
エレメント（１１）の熱抵抗（Ｒ３）を算出することを
特徴とする測定方法。
（２）熱伝導率の高い粘性材料からなるジョイントを用
いて上記エレメント（１１）、上記棒（１７）及び上記
低熱源（１８）の間にインターフェイス（２５、２５’
）を構成することを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の測定方法。
（３）上記エレメント（１１）を熱抵抗が周知の材料で
形成されており、所定の厚さと測定されるインターフェ
イス（２５’）と同一の断面を有するブロックと置換し
て該インターフェイス（２５’）の熱抵抗を測定するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の測定方法
。
（４）上記高熱源（１４）が放出する熱量（Ｑ’）の関
数として該高熱源（１４）の所定の点（２１）での温度
（Ｔ’１）の変化を求めて参照グラフを描き、所定の熱
量（Ｑ’）を与えてエレメント（１１）の熱抵抗測定を
行う際、高熱源の温度（Ｔ１）を該所定の点で測定し、
上記参照グラフから同じ熱量（Ｑ’）での温度差（Ｔ’
１−Ｔ１）に対応する熱量損失（ｑ）を読み取って放出
熱量と熱量損失との差（Ｑ’−ｑ）を計算して熱流束（
Ｑ）を決定することを特徴とする特許請求の範囲第１項
乃至第３項のいずれか１項に記載の測定方法。
（５）高熱源（１４）と低熱源（１８）を使用し、該高
熱源の温度（Ｔ１）、該低熱源の温度（Ｔ２）、上記高
熱源から上記低熱源に流れる熱流束（Ｑ）を測定し、式
Ｒ＝（Ｔ１−Ｔ２）／Ｑを適用して、エレメントの熱抵
抗（Ｒ）を計算するにあたって、該エレメント（１１）
の対向する断面にほぼ等しい断面を有する熱伝導率の高
い中実の棒を介して上記エレメントを上記高熱源（１４
）に接続し、上記棒（１７）と上記エレメント（１１）
を合わせた熱抵抗（Ｒ１）を計算し、上記エレメント（
１１）を取り外して、上記棒（１７）の熱抵抗（Ｒ２）
を計算し、前者の熱抵抗（Ｒ１）から後者の熱抵抗（Ｒ
２）を差し引いて上記エレメント（１１）の熱抵抗（Ｒ
３）を算出する測定方法を実施するための測定装置であ
って、上記高熱源（１４）と低熱源（１８）の各々には
熱電対（２１、２２）を取り付けてあり、該２つの熱源
は、一端が上記高熱源（１４）と接触し他端が調節可能
な間隔（１９）を隔てて上記低熱源（１８）と離れてい
る熱伝導率の大きい中実の棒（１７）を介して接続され
ることを特徴とする測定装置。
（６）上記棒（１７）は、上記間隔（１９）の位置に上
記低熱源に対向して配設された平面を備えるジョイント
（２６）を備えることを特徴とする特許請求の範囲第５
項に記載の装置。
（７）上記高熱源（１４）は、高熱伝導体からなるブロ
ック（１６）に埋め込まれた熱抵抗（１５）によって構
成されることを特徴とする特許請求の範囲第５項もしく
は第６項に記載の装置。
（８）上記高熱源と上記棒は、断熱材（２４）を備える
ことを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の装置。