JP2006200982A - 加圧接触型素子の温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【目的】加圧接触型素子とこれに接触している接触電極との接触面の通電時の温度を直接に測定する。
【構成】接触電極３の加圧接触型素子との接触面31の温度測定位置に溝32を形成し、この溝32の内部に所定の溶融温度の溶融型示温材料（図1ではサーモクレヨン）６を溶融して塗布し、溶融型示温材料６の凝固面に超微小硬度計を用いて所定の間隔で圧痕61を形成する。この接触電極３を加圧接触型素子と共に素子パッケージに組み込み所定の条件下で通電した後、接触電極３を素子パッケージから取り出し、組込み前の圧痕61と通電後の圧痕61との形状を比較して、圧痕61の位置の温度を判定する。溝32の内部に異なる融点の複数の溶融型示温材料を並行塗布すれば、1度に測定できる温度幅が広がる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、加圧接触型素子を用いた半導体装置における装置内部、特に半導体チップと接触電極との接触部、の温度を測定するための技術に関する。

平形ＩＧＢＴのような加圧接触型素子（以下では単に「素子」という）は、素子パッケージに収納・加圧されて、その表面での電気的熱的に良好な接触状態を維持されながら使用される。このため、電気的熱的に良好な接触状態を確保できているか否かを確認するために、素子とこれに接触している電極との接触面の温度を測定することが必要である。しかし、従来技術においては、その接触面の温度を直接測定することができず、その近傍の温度を測定して、その測定結果から接触面の温度を推定している。
図5は、このような従来技術による接触面の温度測定方法の一例を説明するための、素子２を内蔵した素子パッケージ１の断面図である。素子パッケージ１の内部に内蔵されている複数の素子２は、その下面を直接に素子パッケージ１の下側電極11に接しており、その上面に接触電極3と絶縁コア4とを配備されて、これらを介してその上面を間接に素子パッケージ１の上側電極12に接している。温度を測定するための熱電対５は、図5に示したように、素子２の下面と素子パッケージ１の下側電極11との接触面の外側にできる限り接触面に近接させて取り付けられている。図５に示されている熱電対５は１つだけであるが、実際には複数の熱電対が取り付けられる。これらの熱電対によって取得される温度データを有限要素法等で解析することによって、素子とそれに接触している電極との接触面の温度が推定されている。

なお、接触面の温度測定ではなくて表面の温度測定の場合には、示温材料の所定温度における非可逆的な変色や溶融に伴う表面状態の非可逆的な変化を利用する方法を用いることができる。このような方法は、例えば特許文献１や特許文献２に詳しく開示されている。
特開2002−117689号公報 実開平７−7148号公報

上記のような、接触面の近傍の温度を熱電対で測定してこの測定結果から接触面の温度を推定する方法には、下記のような問題点がある。
1) この方法で得られる温度は、あくまでも推定温度であって、所定位置の温度を直接に測定した温度ではない。
2) 加圧接触型素子がモジュールとして組み込まれた場合には、接触面の近傍の温度を測定することもできない。
この発明の課題は、上記のような問題点を解消して、加圧接触型素子とこれに接触している電極との接触面の温度を直接に測定することができる加圧接触型素子の温度測定方法を提供することである。

この発明は、この発明の発明者が溶融型示温材料である日油技研工業株式会社製のサーモクレヨン−Ｍ（商品名）（以下では単に「サーモクレヨン」という）を用いた実験によって下記の知見を得たことに基づいている。すなわち、サーモクレヨンを接触面の凹部の内部に細い帯状に塗布できるようにサーモクレヨンを溶融しても、サーモクレヨンの融点が実質的には変化せず、その凝固面に形成した圧痕の形状変化によって圧痕の位置の温度を検知することができる、という事実を実験的に把握したことによって、この発明に至ったのである。
請求項１の発明は、半導体チップを導電性基板上に接合している加圧接触型素子の電極上に接触電極を加圧接触させた状態で通電した際の素子電極と接触電極との接触部の温度を測定する加圧接触型素子の温度測定方法であって、加圧接触型素子を接触電極と接触させる前の段階において、素子電極と接触電極との接触面に形成されている凹部の内部に、所定温度で溶融する溶融型示温材料を溶融状態で塗布した後、溶融型示温材料の凝固面に圧痕を形成して、その圧痕の形状を記録し、素子電極と接触電極とを接触させて通電した後、前記圧痕の形状を通電前後で比較し、通電前後の形状の変化によって圧痕のある位置の温度を判定する。

素子電極と接触電極との接触面の凹部の内部に溶融状態で塗布した溶融型示温材料の表面に圧痕を形成し、その圧痕の形状の変化で圧痕のある位置の温度を判定するので、必要に応じて接触面に凹部を形成してそこに溶融型示温材料を塗布し圧痕を形成すれば、素子電極と接触電極との接触面のどの位置の温度でも測定することが可能である。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記凹部として、素子電極に予め形成されている凹部または接触電極の素子との接触面の温度測定位置に形成された溝を用いる。
加圧接触型素子の中には接触電極との接触面となる素子電極の表面に凹部を形成されているものがあるので、この凹部を温度測定に利用することができる。しかし、この凹部は温度を測定したい位置には必ずしも形成されていないので、このような場合や凹部のない素子の場合には、接触電極の素子との接触面の温度測定位置に溝を形成して請求項1の凹部とするのが、加工し易く実用的である。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記凹部の内部に溶融温度の異なる複数の溶融型示温材料を並行して塗布する。
溶融温度の異なる複数の溶融型示温材料を並行して塗布することによって、一度の測定で測定できる温度範囲を拡げることができる。

請求項１の発明においては、素子電極と接触電極との接触面の凹部の内部に溶融状態で塗布した溶融型示温材料の表面に圧痕を形成し、その圧痕の形状の変化で圧痕のある位置の温度を判定するので、必要に応じて接触電極に凹部を形成してそこに溶融型示温材料を塗布し圧痕を形成すれば、素子電極と接触電極との接触面のどの位置の温度でも測定することが可能である。溶融型示温材料の示温温度の間隔は10℃刻みであり、圧痕は数μｍ間隔で形成可能であるから、接触面の温度分布を詳細に測定することが可能である。したがって、この発明によれば、加圧接触型素子とこれに接触している電極との接触面の温度を直接に測定することができる加圧接触型素子の温度測定方法を提供することができる。
請求項２の発明においては、請求項1の凹部として、素子電極に予め形成されている凹部または接触電極の素子との接触面の温度測定位置に形成された溝を用いる。温度測定に必要な凹部が素子電極の表面に形成されている凹部で間に合う場合には、凹部を更に形成する必要がなく、温度測定のためのコストが少なくて済む。温度測定に必要な凹部が素子電極の表面に形成されている凹部で間に合わない場合や素子表面に凹部が形成されていない場合には、接触電極の素子との接触面の温度測定位置に、温度測定に必要な凹部を形成することによって、所望の温度測定を実行することができる。したがって、この発明によれば、素子とこれに接触している電極との接触面の温度を直接に測定することができる加圧接触型素子の温度測定方法を確実に提供することができる。

請求項３の発明においては、凹部の内部に溶融温度の異なる複数の溶融型示温材料を並行して塗布するので、一度の測定で測定できる温度範囲を拡げることができ、所望のデータを取得するために必要とする測定回数を少なくすることができる。

この発明は、「課題を解決するための手段」の項で説明したように、溶融型示温材料であるサーモクレヨンを溶融した場合の知見に基づくものであって、素子電極と接触電極との接触面に形成されている凹部の内部に、溶融型示温材料を溶融状態で塗布し、その凝固面に圧痕を形成して、その圧痕の形状の通電前後の変化によって圧痕のある位置の温度を判定する、ことが特徴であるが、溶融状態で塗布することによって、サーモクレヨンの初期状態である粗い粒子を多く含む状態を表面の滑らかな微小断面積の得られる状態に変えることができ、その結果として、微小断面積の凹部にも塗布できるようになることが最大のポイントである。
以下において、この発明による加圧接触型素子の温度測定方法を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。

なお、従来例と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

図１は、この発明による加圧接触型素子の温度測定方法の実施例1を示し、（ａ）は素子との接触面31に溝32を加工した電極３の斜視図、（ｂ）は溝32にサーモクレヨン６を塗布した状態を示す断面図、（ｃ）はサーモクレヨン６の表面に三角形の圧痕61をつけた状態を示す部分平面図である。
この実施例においては、まず、加圧接触型素子および接触電極３を素子パッケージに収納する前に、接触電極３の素子との接触面31の温度測定位置に溝32を機械加工や放電加工で形成する［図1（ａ）］。次に、この溝32の内部にサーモクレヨン６を溶融して塗布［図1（ｂ）］した後、サーモクレヨン６の凝固面に超微小硬度計を用いて、温度測定ポイント毎に三角形の圧痕61を形成し［図1（ｃ）］、この圧痕61の形状を記録する。続いて、加圧接触型素子と上記のようにして溝32内のサーモクレヨン６に圧痕61を形成した接触電極３とを素子パッケージに収納し、所定の条件で通電した後、接触電極３を素子パッケージから取り出して圧痕61の形状を初期形状と比較し、各圧痕61の位置の温度を判定する。

温度の判定は、サーモクレヨン６の温度が溶融温度以上になると圧痕61の形状が変化することによる。圧痕61の位置の温度がサーモクレヨン６の溶融温度ぎりぎりの場合には、圧痕61の形が鈍ってくるが、圧痕61は消えない。しかし、温度がサーモクレヨン６の溶融温度をある程度以上に超えてくると、圧痕61はほとんど消えてしまう。したがって、温度と圧痕61の形状の変化との関係を予め把握しておくことによって、圧痕61の位置の温度をより細かい温度まで検知することができる。
また、超微小硬度計を用いると、形成できる圧痕61の大きさを数nmから数十μmあるいはそれ以上の大きさまで調節することができ、また、圧痕61間の間隔を数μm程度まで狭くすることができる。したがって、詳細な温度分布を測定することも可能である。
なお、接触電極３は、素子材料であるシリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料、例えばモリブデン、で作製される。

図２は、この発明による加圧接触型素子の温度測定方法の実施例２を示す溝内部の平面図である。
実施例1の場合には、溝32の内部には1種類のサーモクレヨン6だけが塗布されている場合を示したが、この実施例では、図1の溝32の内部に溶融温度の異なる３種類のサーモクレヨン６、6aおよび6bを塗布し、それぞれのサーモクレヨンに圧痕61を形成しており、どのサーモクレヨンの圧痕61が変形したかで、３種類のサーモクレヨン６、6aおよび6bに対応する温度範囲の温度を検知することができるので、検知できる温度範囲が拡がり、温度測定に必要とする時間を短くすることができる。
なお、この実施例においては3種類のサーモクレヨンの場合を示したが、使用するサーモクレヨンの種類は状況に応じて選択すればよく、3種類に限定されるものではない。

以上の２つの実施例においては三角形の圧痕61を用いているが、使用する圧痕の形状は三角形に限定されるものではなく、三角形の他に、例えば、図3に示した丸い圧痕61aや四角い圧痕61b等も使用できる。圧痕の形状は、溶融した際の圧痕の形状の変化を明瞭に検知できればよいのであって、一般的には、シャープな形状の方が望ましい。

以上で説明した実施例は、接触電極３に形成した溝32の内部にサーモクレヨン６を塗布した場合であるが、表面電極に予め凹部が形成されている加圧接触型素子もあり、このような素子の場合には、その凹部が温度測定に有効な位置にあれば、その凹部を利用し、接触電極に溝を形成しないで済ませることができる。この実施例はこの場合に対応するものである。
図４は、この実施例を示す加圧接触型素子の表面電極部近傍の断面図である。
加圧接触型素子のシリコン21上に形成された接触電極であるアルミ電極22には、例えば幅30μmで深さ5.5μmの凹部221が形成されており、この凹部221の一部を温度測定用の凹部として利用し、その内部にサーモクレヨン６を塗布している。このサーモクレヨン６を利用して、実施例1と同様に、加圧接触型素子と接触電極との接触面の温度を測定する。

この場合には、接触電極に溝を形成しないで済ませることができるので、溝加工のためのコストが不要となる。

この発明による加圧接触型素子の温度測定方法の実施例1を示し、（ａ）は素子との接触面31に溝32を加工した電極３の斜視図、（ｂ）は溝32にサーモクレヨン６を塗布した状態を示す断面図、（ｃ）はサーモクレヨン６に圧痕61をつけた状態を示す部分平面図 この発明による加圧接触型素子の温度測定方法の実施例２を示す溝内部の平面図 圧痕の例を示す図 この発明による加圧接触型素子の温度測定方法の実施例３を示す素子の表面電極部近傍の断面図 従来技術による加圧接触型素子の温度測定方法の一例を示す断面図

符号の説明

１ 素子パッケージ
２ 素子
21 シリコン
22 アルミ電極 221 凹部
３ 電極
31 接触面
32 溝
４ 絶縁コア
５ 熱電対
６、6a、6b サーモクレヨン
61、61a、61b 圧痕

Claims (3)

1. 半導体チップを導電性基板上に接合してなる加圧接触型素子の電極上に接触電極を加圧接触させた状態で通電した際の素子電極と接触電極との接触部の温度を測定する加圧接触型素子の温度測定方法であって、
   加圧接触型素子を接触電極と接触させる前の段階において、素子電極と接触電極との接触面に形成されている凹部の内部に、所定温度で溶融する溶融型示温材料を溶融状態で塗布した後、溶融型示温材料の凝固面に圧痕を形成して、その圧痕の形状を記録し、
   素子電極と接触電極とを接触させて通電した後、前記圧痕の形状を通電の前後で比較し、通電前後の形状の変化によって圧痕のある位置の温度を判定する、
   ことを特徴とする加圧接触型素子の温度測定方法。
2. 前記凹部として、素子電極に予め形成されている凹部または接触電極の素子との接触面に形成された溝を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の加圧接触型素子の温度測定方法。
3. 前記凹部の内部に溶融温度の異なる複数の溶融型示温材料を並行して塗布する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の加圧接触型素子の温度測定方法。

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