JP2003031884A - 半導体モジュールの温度制御装置及び温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体モジュールを目標温度に制御された支持
ユニットに接触させて温度制御する際、半導体モジュー
ル温度と目標温度との誤差を少なくする。 【解決手段】半導体モジュール１０を第一及び第二の支
持ユニット２０、３０で挟持する。第二の支持ユニット
３０の半導体モジュール１０が接触する領域は、外気雰
囲気から熱遮断され、温度センサ３４が設けられる。こ
の領域の温度が所定温度になるように第一の支持ユニッ
ト２０の温度を制御する。熱遮断された領域から半導体
モジュール１０への熱の移動は少なく、この間の温度差
は小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体モジュールの
温度制御装置及び半導体モジュールの温度制御方法に関
し、とくに環境温度試験の被試験体である半導体モジュ
ールの温度を試験温度に精密に制御する装置及び方法に
関する。半導体モジュール、例えばレーザ等の光半導体
素子を搭載する光モジュールは、インターネットに代表
される高速通信網の中核部品として広く使用されてい
る。なかでも、小型のクーラレスモジュールは、中短距
離の光通信用として需要が拡大している。

【０００２】かかる半導体モジュールは、海底中継器の
ように高信頼性が要求される場所、あるいは屋外のよう
に温度環境の厳しい場所で使用されることも多いため、
厳しい環境温度試験を経て信頼性を担保している。この
環境温度試験では、半導体モジュールの温度を所定の温
度シーケンスに従って変動させてその間の光入出力特性
を観測し、観測された半導体モジュールの温度依存性に
基づき半導体モジュールの良否を判定する。このため、
温度依存性を正確に測定するために、半導体モジュール
の温度を正確に制御することが必要とされている。

【０００３】

【従来の技術】従来、半導体モジュール、例えば光モジ
ュールの環境温度試験では、試験温度に制御された均熱
ブロック上に半導体モジュールを載置することで、半導
体モジュールの温度を試験温度に保持していた。以下、
従来の試験装置について説明する。

【０００４】図５は従来例側面図であり、半導体モジュ
ールの環境温度試験装置を表している。図５を参照し
て、従来の試験装置では、装置基台５０上に、熱交換器
５３、ペルチェ素子５１及び均熱ブロック５２が、この
順序で密着して積み重ねられている。ペルチェ素子５１
は、その上面に接触する均熱ブロック５２への吸熱又は
放熱を通して均熱ブロック５２の温度を可変する。この
均熱ブロック５２の温度は、均熱ブロック５２の上面近
くの空洞内に置かれた白金抵抗温度センサ５４により検
出され、その検出された均熱ブロック５２の温度が試験
温度、即ち試験仕様に規定する環境温度に一致するよう
にペルチェ素子を駆動する。

【０００５】半導体モジュール１０は、下面の放熱板１
２とその放熱板を覆う蓋１１とを有するパッケージ１３
内に、何れも図外の半導体レーザ素子、その温度制御を
するための内蔵ペルチェ素子、及び光学部品を内蔵す
る。環境温度試験の被試験体である半導体モジュール１
０は、放熱板１２の下面を均熱ブロック５２上面に密着
させて載置され、均熱ブロック５２上面からの熱伝導に
より均熱ブロックと等温度に維持される。この等温度に
維持された状態で、半導体モジュール特性の測定、例え
ば光入出力特性の測定が行われる。

【０００６】上述した従来の環境温度試験装置では、試
験仕様に定める所定温度に均熱ブロック５２を温度制御
する。そして、被試験体である半導体モジュール１０を
この均熱ブロック５２上に載置することで半導体モジュ
ール１０の温度を均熱ブロックの所定温度に到達させて
いる。しかし、半導体モジュール１０は均熱ブロック５
２上に載置されるのみであるから、半導体モジュール１
０と均熱ブロック５２間の熱抵抗が接触不良により大き
くなりやすい。一方、半導体モジュール１０の上面（均
熱ブロック５２と接する面と反対側に位置する面）は、
通常は放熱を考慮して、雰囲気との熱抵抗が小さくなる
ように設計される。この結果、半導体モジュール１０上
面からの大きな放熱が、均熱ブロック５２と半導体モジ
ュール１０との間にその間の熱抵抗に起因する大きな温
度差を発生させる。その結果、半導体モジュール１０の
温度は、所定温度（試験温度）とその温度差分だけ異な
ることになる。環境温度試験の仕様では、試験温度を半
導体モジュール１０の表面温度として定義することが多
い。かかる場合、均熱ブロック５２と半導体モジュール
１０との間の温度差は、環境温度試験の試験温度の精度
を劣化させる要因として無視することができない。

【０００７】かかる温度差を回避するため、半導体モジ
ュール１０の表面にサーミスタ等の温度センサを貼付
し、この温度センサにより半導体モジュール１０の温度
を監視する方法が試みられた。しかしこの方法では、温
度センサを貼付した部分の熱伝達率が著しく変化して温
度分布が変動するため、正確に半導体モジュール１０の
温度を測定することができない。

【０００８】加えて、半導体モジュール１０は、半導体
レーザ素子やペルチェ素子等の多量の発熱又は吸熱を伴
う素子を内蔵するため、半導体モジュール１０と接する
周辺部品の温度分布、例えば均熱ブロック５２の上面近
傍の温度分布を変化させてしまう。均熱ブロック５２の
温度センサ５４は、必ずしもこの温度分布を正確に検知
できる位置にはない。このため、正確な半導体モジュー
ルの表面温度の測定及び制御は一層困難となる。

【０００９】上述した従来の環境温度試験装置の他の問
題は、室温近傍での半導体モジュールの温度制御が難し
いことである。環境温度試験では、通常、常温での試験
が要求される。この常温は一般に２５℃近傍の温度とし
て規定され、常温と室温との温度差が極めて近い場合が
生ずる。この場合、常温に保持される均熱ブロック５２
と室温の雰囲気との間の温度差が小さいため、温度制御
が困難になる。さらに、半導体パッケージ表面に接する
雰囲気温度の変化が、直ちに半導体パッケージの温度変
動を引き起こす。このように、室温に近い常温に半導体
パッケージ温度を維持することは、非常に困難であっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の環境温度試験装置に使用されていた半導体モジュール
の温度制御装置では、均熱ブロックを試験温度に制御し
て、その均熱ブロック上に半導体モジュールを載置する
ことで、半導体モジュールの温度を試験温度にまで到達
させていた。しかし、均熱ブロックと半導体モジュール
との間の熱抵抗に起因して生ずる温度差のため、半導体
モジュールの温度を正確に制御することができないとい
う問題がある。

【００１１】また、制御温度が室温に近い場合には、半
導体モジュールと雰囲気との温度差が小さいため、温度
制御が困難になる。さらに、室温の変化に伴う半導体モ
ジュールの温度変動が大きいという問題がある。本発明
は、半導体モジュールの温度を所定温度に精密に制御す
ることができる温度制御装置及び温度制御方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】また、半導体モジュールを常温近傍の温度
に精密に制御することができ、かつ雰囲気の温度変動に
影響されることがない半導体モジュールの温度制御装置
及び温度制御方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の第一実施
形態例組立側面図であり、半導体モジュールの支持ユニ
ットの構造を表している。図２は本発明の第一実施形態
例断面図であり、ソケットに装着された半導体モジュー
ルを支持ユニットで支持した状態を表している。

【００１４】本発明の第一の構成では、図１及び図２を
参照して、第一の支持ユニット２０の第一の伝熱面２５
及び第二の支持ユニット３０の第二の伝熱面３１が、そ
れぞれ半導体モジュール１０の異なる部位、例えば上面
と下面とに接触する。この両伝熱面２５、３１を通し
て、第一及び第二の支持ユニット２０、３０と半導体モ
ジュール１０間の熱の交換がなされる。

【００１５】第二の支持ユニット３０はさらに、温度セ
ンサ３４と断熱部３３とを備える。この断熱部３３は、
第二の伝熱面３１と温度センサ３４とを含む領域の周囲
に設けられ、この領域への熱の流出入を第二の伝熱面３
１からのみの熱流に制限する。なお、この制限は、第二
の伝熱面以外からの熱の流出入を完全に遮断するものに
限られず、少なくともその一部を抑制するものであれば
よい。

【００１６】この第一の構成では、温度センサ３４の測
定値（即ち、第二の支持ユニット３０の上記領域の温度
の測定値）が所定の制御目標温度に一致するように、第
一の支持ユニット２０の温度を制御する。なお、第一の
支持ユニット２０は、温度センサ３４により測定される
第二の支持ユニット３０の温度が目標温度に一致するよ
うに温度制御されるのであり、第一の支持ユニット２０
が単独で予め定められた温度に制御されるものではな
い。

【００１７】第二の支持ユニット３０より第一の支持ユ
ニット２０の温度が低い場合、熱は、第二の伝熱面３１
からこれと接触する半導体モジュール１０の部位を通し
て半導体モジュール１０に流入し、さらに半導体モジュ
ール１０の他の部位からこの他の部位に接触する第一の
伝熱面３１を通して第一の支持ユニットに流入する。逆
に、第二の支持ユニット３０より第一の支持ユニット２
０の温度が高い場合、熱は逆方向に流れる。従って、第
一及び第二の支持ユニット２０、３０と半導体モジュー
ル１０間には、それぞれ第一及び第二の伝熱面２５、３
１と半導体モジュール１０間の熱抵抗に基づき、これら
の伝熱面２５、３１を流れる熱量に比例する温度差が生
ずる。

【００１８】上述した本発明の第一の構成では、第二の
支持ユニット３０の一部領域、即ち温度センサ３４及び
第二の伝熱面３１を含む領域が、断熱部３３により熱遮
蔽されており、この領域への周囲からの熱の流出入が少
ない。一方、第二の伝熱面３１を通して半導体モジュー
ル１０に流れる熱量は、この領域の温度を制御目標温度
に一致させるに必要な熱量と、この領域の周囲から流出
入する熱量との和である。本構成ではこの領域周囲から
流出入する熱量が小さいので、第二の伝熱面３１を流れ
る熱量も少ない。その結果、第二の支持ユニット３０
（正確には第二の伝熱面３１と温度センサ３４を含む領
域）と半導体モジュール１０との間の温度差は小さい。
従って、半導体モジュール１０の温度を、第二の支持ユ
ニット３０の温度と小さな温度差で一致させることがで
きる。この第二の支持ユニット３０の温度は、温度セン
サ３４により測定され、その結果に基づき温度制御され
るので、正確に所定温度に保持されている。従って、半
導体モジュール１０は、所定温度と僅かな温度差内で一
致するように温度制御される。

【００１９】さらに、半導体モジュール１０内部からの
発熱がある場合、この発熱による半導体モジュール１０
の温度上昇は第二の支持ユニット３０の第二の伝熱面３
１近傍の温度を上昇させる。この温度上昇は、第二の伝
熱面３１近傍に配置される温度センサ３４により直ちに
検知され修正される。この修正は、第一の支持ユニット
２０の降温により、半導体モジュール１０から第一の伝
熱面２５を通り第一の支持ユニット２０に流入する熱量
を増加することでなされる。従って、半導体モジュール
１０の発熱は主に第一の伝熱面２５と半導体モジュール
１０間の温度差の増加又は減少により吸収され、第二の
伝熱面３１を流れる熱量はあまり変わらない。このた
め、第二の支持ユニット３０と半導体モジュール１０の
温度差の変動が少なく、発熱する半導体モジュール１０
についても精密な温度制御が可能となる。

【００２０】なお、上記の熱遮蔽された領域を第二の支
持ユニット３０の一部分に制限することで、その領域の
熱容量を小さくし、半導体モジュール１０の温度変動を
鋭敏に感知することができる。また、第二の支持ユニッ
ト３０に設けられた断熱部３３は、第二の支持ユニット
３０と外部環境、例えば室内雰囲気との間の熱抵抗を大
きくする。従って、外部環境の温度変化が半導体モジュ
ール１０の温度制御に及ぼす影響は小さくなる。

【００２１】図４は本発明の第二実施形態例組立断面図
であり、半導体モジュールの支持ユニットを表してい
る。図４を参照して、上述した本発明の第一の構成の断
熱部３３を設けず、代わりに第二の支持ユニット３０の
温度を昇降する温度可変部３６を設けることもできる。
この温度可変部３６は、第二の支持ユニット３０がほぼ
制御目標温度に保持されるように、又は、少なくとも制
御目標温度に近づく温度に保持されるように駆動され
る。この駆動は、温度センサ３４を含む領域以外の第二
の支持ユニット３０の部分を予め定める温度に制御する
ものでもよく、あるいは、予め定める温度シーケンスに
従い所定の発熱又は吸熱を行うものでもよい。本構成で
は、温度センサ３４を含む領域とその周囲との温度差が
小さいので、温度センサ３４を含む領域への熱の流出入
が少なく、断熱部３３を設けたと同様の効果を奏するこ
とができる。

【００２２】本発明の第二の構成では、図４を参照し
て、既述の第一の構成と同様に、第一の支持ユニット２
０の第一の伝熱面２５及び第二の支持ユニット３０の第
二の伝熱面３１が、それぞれ半導体モジュール１０の異
なる部位に接触し、この両伝熱面２５、３１を通して、
支持ユニット２０、３０と半導体モジュール１０間の熱
の交換を行う。

【００２３】本第二の構成では、第一及び第二の支持ユ
ニット２０、３０は、それぞれ異なる所定の温度に制御
されている。半導体モジュール１０には、この第一及び
第二の支持ユニット２０、３０間の温度差に基づく熱流
が生ずる。この熱流は、両支持ユニット２０、３０が一
定温度に制御されている限り定常流である。即ち、両伝
熱面２５、３１を流れる熱量は一定であり、その結果、
半導体モジュール１０と両支持ユニット２０、３０間の
温度差も時間変動のない一定値になる。従って、半導体
モジュール１０は、第一及び第二の支持ユニット２０、
３０の中間の一定温度に保持される。なお、支持ユニッ
ト２０、３０の所定の温度が温度シーケンスに従い準定
常に変化する場合も，定常流が準定常流に変わるのみで
同様に論ずることができる。

【００２４】この半導体モジュール１０の温度は、第一
及び第二の支持ユニット２０、３０の温度と、半導体モ
ジュール１０と第一及び第二の伝熱面２５、３１間の熱
抵抗とにより決定される。半導体モジュール１０と第一
及び第二の伝熱面２５、３１との間の熱抵抗は、半導体
モジュール１０が支持ユニット２０、３０に装着された
後は一定不変であり、支持ユニット２０、３０の温度変
化あるいは時間経過によっては変動しない。従って、２
つの伝熱面２５、３１の熱抵抗又はその熱抵抗比が予め
知得されていれば、半導体モジュール１０の温度が所定
温度になるように、第一及び第二の支持ユニット２０、
３０の温度を定めることができる。言い換えれば、半導
体モジュール１０を、温度差なく正確に所定温度に一致
させることができる。なお、熱抵抗は、例えば半導体モ
ジュール１０の温度を測定することで知ることができ
る。

【００２５】さらに、半導体モジュール１０の温度を所
定温度に保持することができる第一及び第二の支持ユニ
ット２０、３０の温度は、ただ一組の温度に限られな
い。例えば、一方をより高温に他方をより低温にした連
続する温度の組を用いて実現することもできる。従っ
て、第一及び第二の支持ユニット２０、３０の温度差を
大きくして、半導体モジュール１０を所定温度に制御す
ることができる。このように支持ユニット２０、３０間
の温度差を大きくすることで、伝熱面２５、３１を流れ
る熱量を大きくし温度制御の安定性を向上させることが
できる。また、所定温度が室温に近い場合、温度制御対
象である支持ユニット２０、３０と室温との温度差を大
きくとることができるので、支持ユニット２０、３０の
温度制御も安定する。なお、伝熱面２５、３１を流れる
熱量が大きくても、半導体モジュール１０と伝熱面２
５、３１間の温度差に関係なく半導体モジュール１０は
常に熱抵抗の比に応じた所定の温度に正確に制御され
る。

【００２６】上記本発明の第二の構成において、半導体
モジュール１０の発熱量が一定のときは、その発熱によ
り生ずる半導体モジュール１０の温度上昇分を単に加え
ることで半導体モジュール１０を正確な温度に制御する
ことができる。他方、発熱量が変わる場合、例えば半導
体モジュール１０の温度に依存する場合でも、発熱によ
る温度上昇分が知得できれば、発熱量が一定の場合と同
様に正確な温度に制御することができる。しかし、発熱
量が変わる場合に温度上昇分を常に知ることは難しい。
かかる場合でも、支持ユニット２０、３０間の温度差を
大きくして伝熱面２５、３１を流れる熱量を大きくする
ことで、半導体モジュール１０の発熱により生ずる熱流
量の変化の割合を小さくし、発熱による温度変動を小さ
くすることができる。

【００２７】本発明の第三の構成は、複数の伝熱面を通
して半導体モジュールと熱交換させる温度制御方法に関
する。なお、上述の本発明の第二の構成で採用された温
度制御方法は、本第三の構成において伝熱面が２面の場
合に相当する。本第三の構成では、複数の伝熱面はそれ
ぞれ所定の温度に制御されており、その複数の伝熱面の
うち少なくとも１面は他の伝熱面と異なる温度に制御さ
れている。従って、本発明の第二の構成で説明したよう
に、これらの伝熱面に接触する半導体モジュールを所定
温度に一致するように温度制御することができる。ま
た、温度制御の安定性がよいこと、室温等の影響が小さ
いこと等、ほぼ第二の発明と同様の作用及び効果を奏す
る。

【００２８】上述した第一〜第二の構成において、伝熱
面２５、３１を対向させて配し、その間に半導体モジュ
ール１０を挟持することができる。挟持することによ
り、伝熱面２５、３１を半導体モジュール１０に押圧す
ることができるので、その間の熱抵抗を小さくすること
ができる。さらに、第一〜第二の構成において、特殊な
構造の支持ユニットとソケットとを用いることで、ソケ
ットに装着した状態の半導体モジュールを温度制御する
ことができる。以下、この支持ユニット及びソケットを
説明する。

【００２９】図３は本発明の第一実施形態例斜視図であ
り、ソケット及び支持ユニットのヘッド部を表してい
る。図３（ａ）はソケットの透視図、図３（ｂ）はヘッ
ド部の斜視図、図３（ｃ）はヘッド部の図３（ｂ）中の
ＡＢ破断面を表している。図３（ａ）及び（ｂ）を参照
して、半導体モジュール１０が装着されるソケット４０
は、ソケット基体４１の中央に貫通穴４２が開設されて
いる。他方、支持ユニットにはヘッド部３２が突設さ
れ、そのヘッド部３２の先端は伝熱面３１となってい
る。このヘッド部３２は貫通穴４２を嵌通し，伝熱面３
１がソケット基体４１から突出する。この突出した伝熱
面３１が、ソケット基体４１に装着された半導体モジュ
ール１０の表面に当接する。この支持ユニット及びソケ
ットを用いることで、半導体モジュールをソケットに装
着したまま既述の本発明の第一及び第二の構成に係る温
度制御装置を適用することができる。なお、ソケット４
０の貫通穴４２を嵌通するヘッド部３２は、第一及び第
二の支持ユニット２０、３０のいずれに設けられていて
も差し支えない。

【００３０】本発明の第四の構成では、半導体モジュー
ルの温度制御を行う第一ユニットと、半導体モジュール
の温度を測定する第二ユニットとが、別ユニットとして
離間している。半導体モジュールは、温度制御を行うに
好適な部位と、温度測定を行うに好適な部位とが異なる
場合がある。本構成によれば、それらの部位に独立に熱
的な接続を行うことが可能になる。

【００３１】また、半導体モジュールの内部は均質では
ないので、半導体モジュールの温度を所定温度だけ変化
しようとしても、その温度の時間変化の傾き（単位時間
当たりの温度変化）は、温度制御を行う第一ユニットの
温度の時間変化の傾きとは異なることがある。本構成に
よれば、温度制御を行う第一ユニットの温度を測定する
のではなく、それとは別個に半導体モジュールに熱的に
接触する第二ユニットによって、その温度を測定するの
で、半導体パッケージの温度の時間変化の傾きが第一ユ
ニットの温度を測定するよりも正確に取得することがで
きる。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明の第一実施形態例は、光モ
ジュールの環境温度試験に使用される本発明の第一の構
成に係る半導体モジュールの温度制御装置に関する。ま
ず、環境温度試験の被試験体である半導体モジュールを
説明する。図１を参照して、本実施形態例に供された半
導体モジュール１０は、半導体レーザ素子（図外）を内
蔵する光モジュールであり、底面を構成する取り付け用
金具を兼ねた放熱板１２とその放熱板１２上面を箱状に
覆う蓋１１とからなるパッケージ１３を有する。パッケ
ージ１３内には、放熱板１２上にいずれも図外のレーザ
素子温度制御用のペルチェ素子と光部品とが設けられ、
図外の半導体レーザ素子はそのペルチェ素子上に搭載さ
れている。パッケージ１３の両側面には、ＤＩＰ（デュ
アルインラインパッケージ）のリードピン１５が列設さ
れ、パッケージ１３の先端から光ファイバ１４が引き出
される。

【００３３】この半導体モジュール１０は、温度制御装
置の冶具であるソケット４０に装着されて環境温度試験
に供される。ソケット４０は、図３（ａ）を参照して、
ソケット基体４１上面に、半導体パッケージ１０のピン
１５が挿入されるピン穴４５を左右２列に設ける。ソケ
ット基体４１の両側面に，各ピン穴４５に対応してパッ
ド４３が設けられている。なお、図３（ａ）中には、一
部のパッド４３が省略されている。ピン穴４５にはピン
１５と電気的に接続するための接触子（図外）が設けら
れており、この接触子は内部配線により対応するパッド
４３に電気的に接続されている。このパッド４３は、環
境温度試験の際に測定器類と半導体モジュール１０との
電気的接続のために使用される。

【００３４】このソケット４０は、ソケット基体４１の
中央部分に貫通穴４２が開設されている。この貫通穴４
２は、図３（ｂ）を参照して、支持ユニット３０に突設
されたヘッド部３２が嵌通するように、ヘッド部３２の
形状に合わせた形状とする。貫通穴４２は、嵌通したヘ
ッド部３２の上面（伝熱面３１）が半導体モジュール１
０表面の熱伝達率の大きな部位に当接する位置に設ける
ことが好ましい。また、貫通穴４２の面積は大きいこと
が、ヘッド部３２上面の伝熱面３１の面積を大きくする
観点から好ましい。なお、貫通穴４２は、完全にソケッ
ト基体４１の内部に設けられる場合に限られず、一部が
ソケット基体４１の側面に表出しても差し支えない。

【００３５】環境温度試験は、図１及び図２を参照し
て、ソケット４０に装着された半導体モジュール１０を
支持ユニット２０、３０により上下から挟持した状態で
行われる。温度制御装置を構成する下側の支持ユニット
２０は、図１、図２及び図３を参照して、支持ユニット
２０の台座をなすユニット台３５上面に、断熱材の層か
らなる断熱部３３を介在させて、良熱伝導材料からな
る、例えば銅製の直方体のヘッド部３２が設けられてい
る。このヘッド部３２は、ソケット４０の貫通穴４２に
緩く嵌合して貫通し、ヘッド部３２上面がソケット基体
４１上面から突出する。ヘッド部３２上面は平坦な伝熱
面３１として形成されており、支持ユニット２０、３０
により挟持された半導体モジュール１０の放熱板１２の
下面に密接する。また、ヘッド部３２には下面から穿設
された空洞３８が設けられ、この内部に白金抵抗温度セ
ンサ３４が貼付される。この下側の支持ユニット２０
は、ヒートシンクを兼ねる温度試験装置の装置基台５０
上に設置される。

【００３６】温度制御装置を構成する上側の支持ユニッ
ト３０は、ペルチェ素子からなる温度可変部２１の下面
に、良熱伝導材料からなる均熱ブロック２２が密着して
いる。温度可変部２１は、この均熱ブロック２２への熱
の放出又は吸収を通して、均熱ブロック２２の温度を可
変する。温度可変部２１の上面には熱交換器２３が設け
られ、温度可変部２１の廃熱及び吸熱を処理する。この
熱交換器２３は、例えば空冷式又は液冷式のものが使用
できる。均熱ブロック２２の下面は平坦な伝熱面２５と
して形成されている。熱交換器２３の上方にはバネ２４
が設けられ、このバネ２４により均熱ブロック２２、温
度可変部２１及び熱交換器２３を押下する。これによ
り、伝熱面２５が半導体モジュール１０のパッケージ１
３上面に押圧され密着する。このバネ２４の押圧は、伝
熱面２５とパッケージ１３との密着をよくする観点から
は高いほど好ましい。このため、パッケージ１３強度の
許容される範囲内でバネ２４の押圧を高くする。本実施
形態例では、押圧はパッケージ材料に応じて自動的に選
択された値に設定される。パッケージ１３強度は通常は
パッケージ材料によりおおよそ定まるから、このように
して押圧を選択することで簡単に適切な圧力となすこと
ができる。

【００３７】次に、環境温度試験における半導体モジュ
ールの温度制御について説明する。図１を参照して、ソ
ケット４０のピン穴４５に半導体モジュール１０のピン
１５を挿入して、ソケット基体４１上に半導体モジュー
ル１０を装着する。次いで、図２を参照して、下側の支
持ユニット３０のヘッド部３２がソケット基体４１の貫
通穴４２を貫通し、ヘッド部３２上面の伝熱面３１が半
導体モジュール１０の放熱板１２下面に密着するよう
に、ソケット４０を支持ユニット３０上に装着する。こ
のとき、半導体モジュール１０及びソケット４０は、伝
熱面３１上に放熱板１２が載置されて支持される。

【００３８】次いで、半導体モジュール１０の上方から
上側の支持ユニット２０を下降し、半導体モジュール１
０のパッケージ１３上面に均熱ブロック２２下面の伝熱
面２５を密着させて押圧する。従って、半導体モジュー
ル１０は上下から支持ユニット２０、３０の伝熱面２
５、３１に挟まれ支持される。このとき、複数のバネ２
４を用いて押圧する。これにより、パッケージ１３上面
が水平から傾斜している場合でも、伝熱面２５はパッケ
ージ１３上面に沿って傾き密着する。

【００３９】次いで、測定器（図外）のプローブをソケ
ット基体４１側面のパッド４３に当接して、半導体モジ
ュール１０と電気的に接続する。また、光ファイバ１４
を図外の光測定器、例えば光強度測定器及び光波長測定
器に接続する。次いで、半導体モジュール１０を駆動
し、光測定を開始する。その後、試験使用に定める温度
シーケンスに従い半導体モジュール１０の温度制御を開
始する。この温度制御は、上側の支持ユニット２０の温
度可変部２１への制御電力を調整し、温度センサ３４で
測定される下側の支持ユニット３０のヘッド部３２の温
度が温度シーケンスに定める所定温度に一致するように
制御する。これにより、半導体モジュール１０は所定温
度に精密に制御される。

【００４０】本発明の第二実施形態例に係る温度制御装
置は、上下の支持ユニットに温度可変部を有する装置に
関する。図４は本発明の第二実施形態例組立断面図であ
り、温度制御装置の構造を表している。本実施形態例の
半導体モジュール及びソケットは、図４を参照して、上
述した第一実施形態例の半導体モジュール及びソケット
と同様である。

【００４１】本実施形態例の下側の支持ユニット３０
は、図４を参照して、上述した第一実施形態例の下側の
支持ユニット（図１及び図２の支持ユニット３０）と、
以下の点で異なる。第一点は、ヘッド部３２をユニット
台３５から熱遮蔽する断熱部３３を備えないことであ
る。従って、ヘッド部３２とユニット台３５との間の熱
交換は妨げられない。むしろ、この実施形態例では、ユ
ニット台３５を良熱伝導材料で制作して、ヘッド部３２
とユニット台３５との温度差を少なくすることが好まし
い。第二点は、支持ユニット３０の温度を変化すること
ができる温度可変部３６を備えることである。温度可変
部３６は例えばペルチェ素子から構成され、ユニット台
３５の下面に密接させて設けられる。さらに、温度可変
部３６の廃熱処理をする熱交換器３７を温度可変部３６
の下面に設ける。その他の点は、ソケット４０の貫通穴
４２に嵌通するヘッド部３２の上面に伝熱面３１が形成
されること、ヘッド部３２の温度を測定する温度センサ
３４が設けられること、を含めて第一実施形態例の下側
の支持ユニット３０と同様である。

【００４２】本実施形態例の上側の支持ユニット２０
は、均熱ブロック２２の温度を測定する温度センサ２６
が設けられる点を除き、第一実施形態例の上側の支持ユ
ニット３０と同様である。上述した本発明の第二実施形
態例に係る温度制御装置は、２通りの方法で使用され
る。以下、図４を参照して、半導体モジュール１０を上
下の支持ユニット２０、３０により挟持した後、半導体
モジュール１０を温度制御する手順を説明する。

【００４３】第一の使用方法では、第一実施形態例と同
様に、ヘッド部３２の温度が所定温度に保持されるよう
に上側の支持ユニット２０の温度可変部２１を制御す
る。まず、下側の支持ユニット３０の温度可変部３６へ
の電力をコントロールし、温度センサ３４で測定される
ヘッド部３２の温度を、所定温度（例えば２５℃）に近
い温度（例えば２４℃〜２６℃の範囲の一定温度）に保
持する。ヘッド部３２の温度が定常状態に到達した後、
温度可変部３６への電力をその値に固定する。この電力
を固定する代わりに、温度可変部３６上面又はユニット
台３５の温度を測定して、その温度が一定になるように
電力を制御してもよい。これにより、室温等の装置環境
の温度変化が、ヘッド部３２の温度制御に与える影響を
抑制することができる。

【００４４】次いで、上側の支持ユニット２０の温度可
変部２１に電力を供給し、均熱ブロック２２の温度を可
変し始める。この均熱ブロック２２の温度は、ヘッド部
３２の温度が所定温度に一致するように制御される。ヘ
ッド部３２が所定温度に到達したら、半導体モジュール
１０の電気的及び光学的試験を開始する。この使用方法
では、ユニット台３５とヘッド部３２との温度差が小さ
いので、ヘッド部３２へ流出入する熱量が少ない。この
ため、ヘッド部３２と半導体モジュール１０間の温度差
も小さくなり、半導体モジュール１０を精密に所定温度
に制御することができる。また、均熱ブロック２２の温
度を温度センサ２６で監視することもできる。この場
合、半導体モジュールは、上下の支持ユニット２０、３
０に設けられた２個の温度センサ２６、３４により測定
される温度範囲内に制御されていることが確認できる。

【００４５】第二の使用方法では、上下の支持ユニット
２０、３０をそれぞれ異なる温度に保持して、半導体モ
ジュール１０を所要温度に制御する。この方法では、上
側の支持ユニット２０の温度可変部２１を制御して、温
度センサ２６により測定される均熱ブロック２２の温度
を予め定める温度に一致させる。他方、下側の支持ユニ
ット３０の温度可変部３６を制御して、温度センサ３４
により測定されるヘッド部３２の温度を、均熱ブロック
２２と異なる予め定める温度に一致させる。例えば、半
導体モジュール１０の温度を２５℃に制御したい場合、
均熱ブロック２２を２６℃に、ヘッド部３２を２４℃に
一致するように温度可変部２１、３６を制御する。この
とき、均熱ブロック２２とヘッド部３２との温度差を大
きくすると、伝熱面２５、３１を流れる熱量が多くなり
温度制御の安定性が増す。この制御ループは、上下の支
持ユニット２０、３０毎に独立になされる。例えば、均
熱ブロック２２の温度制御は、この均熱ブロック２２内
に設けられた温度センサ２６の出力により上側の支持ユ
ニット２０の温度可変部２１を制御して行う。一方、ヘ
ッド部３２の温度制御は、このヘッド部３２内に設けら
れた温度センサ３４の出力により下側の支持ユニット３
０の温度可変部３６を制御して行う。

【００４６】この第二の使用方法では、半導体モジュー
ル１０の温度は、常に均熱ブロック２２とヘッド部３２
との中間の温度範囲に保持されることが保証されてい
る。また、半導体モジュール１０と均熱ブロック２２及
びヘッド部３２との間の熱抵抗又はその比が知得できれ
ば、均熱ブロック２２及びヘッド部３２の温度から正確
な半導体モジュールの温度を算出することができる。従
って、半導体モジュール１０の温度を試験仕様に定める
所定温度、例えば２５℃に正確に一致させることができ
る。

【００４７】熱抵抗の比は、熱平衡状態で半導体モジュ
ール１０の温度が一定に維持されるように、支持ユニッ
ト２０、３０の一方を昇温し、他方を降温することで求
めることができる。即ち、この昇温分と降温分の比が熱
抵抗の比となる。半導体モジュール１０の温度を一定に
維持するには、半導体モジュール１０の温度を放射温度
計を用いて直接観測する他、半導体モジュール１０の光
特性、例えば光強度及び波長が一定に維持されるように
昇降温を制御することでもなされる。なお、半導体モジ
ュール１０の温度が直接測定できれば、直ちに熱抵抗が
算出される。

【００４８】本発明の第三実施形態例の温度制御装置
を、上述した本発明の第一実施形態例の温度制御装置を
参照しつつ説明する。図１、２及び３を参照して、本実
施形態例の第一ユニットは、第一実施形態例の第一の支
持ユニット２０と同様のもので、温度可変部２１の一面
に均熱ブロック２２を、他面に熱交換器２３を備える。
均熱ブロック２２には伝熱面２５が形成され、半導体パ
ッケージ１３にバネ２４で押圧されて熱的に接触する。
ここで、第一ユニットの温度は、半導体モジュール１０
の特定部位の温度が所定温度になるように制御される。
ここで、特定部位は、通常は半導体モジュール１０の温
度制御に好適な部位、例えば放熱板１２に選択される。
本実施形態例の第二ユニットは、半導体モジュール１０
の上記特定部位以外の部位の表面温度を測定するユニッ
トであればよく、第一実施形態例の第二の支持ユニット
３０と同様のものを用いることができる。また、第一実
施形態例の第二の支持ユニット３０の断熱部を設けない
ものを用いることもできる。なお、第二ユニットを、上
記特定部位の表面温度を測定するユニットとすることも
できる。この場合、第二ユニットにより測定された半導
体パッケージ１０の温度が所定温度になるように、第一
ユニットを温度制御する。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、半導体モジュールを接
触させる領域の周囲を熱遮蔽してこの領域に流入又は流
出する熱量を小さくするので、半導体モジュールと温度
センサとの温度差が小さくなり、半導体モジュールを精
密に所定温度に制御することができるまた、本発明の他
の発明によれば、互いに異なる温度に制御された伝熱面
に半導体モジュールを接触させて半導体モジュールの温
度を所定温度に保持するので、半導体モジュールを正確
に所定温度に一致させることができる。

【００５０】このように、本発明によれば半導体モジュ
ールを精密に温度制御することができるので、精密な温
度試験が可能となり半導体装置の信頼性の向上に寄与す
るところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態例組立側面図

【図２】本発明の第一実施形態例断面図

【図３】本発明の第一実施形態例斜視図

【図４】本発明の第二実施形態例組立断面図

【図５】従来例側面図

【符号の説明】

１０ 半導体モジュール １１ 蓋 １２ 放熱板 １３ パッケージ １４ 光ファイバ １５ ピン ２０、３０ 支持ユニット ２１、３６ 温度可変部 ２２ 均熱ブロック ２３、３７ 熱交換器 ２４ バネ ２５、３１ 伝熱面 ２６、３４ 温度センサ ３２ ヘッド部 ３３ 断熱部 ３５ ユニット台 ４０ ソケット ４１ ソケット基体 ４２ 貫通穴 ４３ パッド ４５ ピン穴 ５０ 装置基台

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年６月２８日（２００２．６．２
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４７】熱抵抗の比は、熱平衡状態で半導体モジュ
ール１０の温度が一定に維持されるように、支持ユニッ
ト２０、３０の一方を昇温し、他方を降温することで求
めることができる。即ち、この昇温分と降温分の比が熱
抵抗の比となる。半導体モジュール１０の温度が一定に
維持されているかどうかは、半導体モジュール１０の温
度を放射温度計を用いて直接観測する他、半導体モジュ
ール１０の光特性、例えば光強度及び波長が一定に維持
されているかどうかを観測することによって確認でき
る。なお、半導体モジュール１０の温度が直接測定でき
れば、直ちに熱抵抗が算出される。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第一の伝熱面を半導体モジュールの第一
   の部位に接触させて該半導体モジュールを支持する第一
   の支持ユニットと、 第二の伝熱面を該半導体モジュールの第二の部位に接触
   させて該半導体モジュールを支持する第二の支持ユニッ
   トと、 該第二の支持ユニットの温度を測定する温度センサと、 該第二の支持ユニットのうち該第二の伝熱面及び該温度
   センサを含む領域への、該第二の伝熱面以外からの伝熱
   を遮蔽する断熱部と、 該第一の支持ユニットを昇降温する第一の温度可変部と
   を備え、 該第一の温度可変部を制御して、該温度センサの測定温
   度を所定温度に保持することを特徴とする半導体モジュ
   ールの温度制御装置。
2. 【請求項２】 該断熱部に代えて、該第二の支持ユニッ
   トを昇降温する第二の温度可変部を備えたことを特徴と
   する請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
3. 【請求項３】 第一の伝熱面を半導体モジュールの第一
   の部位に接触させて該半導体モジュールを支持する、第
   一の所定温度に制御された第一の支持ユニットと、 第二の伝熱面を該半導体モジュールの第二の部位に接触
   させて該半導体モジュールを支持する、該第一の所定温
   度と異なる第二の所定温度に制御された第二の支持ユニ
   ットとを備えることを特徴とする半導体モジュールの温
   度制御装置。
4. 【請求項４】 該第一及び第二の支持ユニットは、対向
   する該第一及び第二の伝熱面により該半導体モジュール
   を挟持することを特徴とする請求項１又は３記載の半導
   体モジュールの温度制御装置。
5. 【請求項５】 該第一又は該第二の支持ユニットに突設
   された凸部の先端に該伝熱面が設けられたヘッド部と、 該半導体モジュールを装着するソケットに開設された該
   ヘッド部が嵌通する貫通穴とを備えたことを特徴とする
   請求項１又は３記載の半導体モジュールの温度制御装
   置。
6. 【請求項６】 該半導体モジュールは、光半導体素子を
   搭載する光モジュールであることを特徴とする請求項１
   又は３記載の半導体モジュールの温度制御装置。
7. 【請求項７】 環境温度試験の被試験体である該半導体
   モジュールを、試験温度に制御することを特徴とする請
   求項１又は３記載の半導体モジュールの温度制御装置。
8. 【請求項８】 該第一又は該第二の支持ユニットは、ペ
   ルチェ素子により昇降温されることを特徴とする請求項
   １、２又は３記載の半導体モジュールの温度制御装置。
9. 【請求項９】 半導体モジュールの複数の部位のうちの
   第一の部位を、第一の温度に保持された第一の伝熱面に
   接触させ、 該複数の部位のうちの他の部位を、該第一の温度と異な
   る温度に保持された他の伝熱面に接触させて、 該半導体モジュールの温度を制御することを特徴とする
   半導体モジュールの温度制御方法。
10. 【請求項１０】 該半導体モジュールは、光半導体素子
    を搭載する光モジュールであることを特徴とする請求項
    ９記載の半導体モジュールの温度制御方法。
11. 【請求項１１】 半導体モジュールと熱的に接触し、該
    半導体モジュールに所定の温度を印加する温度制御部が
    設けられた第一ユニットと、 該第一ユニットと離間して設けられ、該半導体モジュー
    ルに熱的に接触して該半導体モジュールの温度を測定す
    る第二ユニットと、を備えることを特徴とする温度制御
    装置。