本発明の実施形態に係る試験用治具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
本実施形態の試験用治具は、電子デバイスを被試験デバイス(Device Under Test:DUT)とする加速劣化試験に用いられる治具であって、電子デバイスを所定温度(例えば270℃)まで加熱し、該温度を維持しながら電子デバイスの電気的特性を安定して測定できる。電子デバイスは、例えば高周波用のトランジスタである。このような加速劣化試験は、例えば衛星搭載用の電子デバイスを対象とする衛星搭載用認定試験(SQT:Satellite Qualification Test)において、電子デバイスの寿命を見積もるためのDC高温動作寿命試験(DCHTOL:DC High Temperature Operating Life)として規定されている。トランジスタ等の電子デバイスの寿命は数千時間を超えるため、短時間で寿命を推定するために、仕様に規定された温度下で電子デバイスを動作させる。
図1は、本実施形態に係る試験用治具10の構成を示す平面図である。図2は、図1に示された試験用治具10のII-II線に沿った断面図である。図3は、図2の一部を拡大して示す断面図である。理解の容易の為、これらの図にはXYZ直交座標系が示されている。一例では、Z方向は鉛直方向に沿っており、X方向及びY方向は水平方向に沿っている。図1~図3に示すように、試験用治具10は、入力側筐体11、入力側支持体12、出力側筐体21、出力側支持体22、及びヒータブロック30を備える。
入力側筐体11は、上面11a及び側面11bを有する。同様に、出力側筐体21は、上面21a及び側面21bを有する。上面11a及び21aはXY平面に沿って延在する平坦な表面であり、互いに面一となっている。側面11b及び21bはYZ平面に沿って延在する平坦な表面であり、X方向において間隔をあけて互いに対向している。入力側筐体11及び出力側筐体21は、例えば金属製であり、ブロック状を呈する。
入力側支持体12は、例えば銅若しくはコバールといった金属製であり、抵抗率がほぼゼロの高い導電性を有する。入力側支持体12は、入力側筐体11の上面11a上に載置されている。図2に示すように、XZ平面に沿った断面における入力側支持体12の断面形状は略L字状である。すなわち、入力側支持体12は、上面11a上に載置されて上面11aに沿って延在する基部121と、基部121上においてヒータブロック30から離れた側に立設された後壁部122とを有する。
基部121は平板状を呈しており、XY平面に沿って延在する互いに逆向きの平坦な主面121a及び裏面121bを有する。主面121aは、本実施形態における第1の基板搭載面である。裏面121bは入力側筐体11の上面11aと対向しており、一例では上面11aに接している。後壁部122は、ヒータブロック30側を向く平坦な内側面122aと、ヒータブロック30とは反対側を向く平坦な外側面122bとを有する。外側面122bには、試験用の高周波信号を入力するための入力側コネクタ13が取り付けられている。被試験デバイスDの試験を行う際、入力側支持体12は基準電位(グランド電位)とされる。
図3に示すように、基部121は側面121cを更に有する。側面121cは、X方向における基部121のヒータブロック30側の縁に位置し、YZ平面に沿って延在している。側面121cは、ヒータブロック30の伝熱体32(後述)と対向している。側面121cと主面121aとは直接繋がっているが、側面121cと裏面121bとの間には、ヒータブロック30のブロック筐体31との干渉を回避する為の段差(逃げ部)121dが形成されている。
入力側支持体12の主面121a上には、入力配線基板14が搭載されている。入力配線基板14は、XY平面に沿って延在する板状の部材であって、誘電体基板141と、信号配線142とを有する。誘電体基板141は、互いに逆向きの平坦な主面141a及び裏面141bを有する。裏面141bは主面121aと対向しており、一例では主面121aに接している。
信号配線142は、被試験デバイスDに入力される信号を伝送するための配線であって、主面14a上に形成された金属膜からなる。信号配線142は細長形状を呈しており、X方向に沿って真っ直ぐに延在している。信号配線142と導電性の基部121との間には誘電体基板141が介在しているので、信号配線142と基部121とはマイクロストリップライン型の伝送線路を構成する。信号配線142の線幅は例えば0.6mmである。誘電体基板141の厚さは例えば0.64mmである。信号配線142のヒータブロック30側の一端は、誘電体基板141のヒータブロック30側の縁まで延びている。信号配線142のヒータブロック30とは反対側の他端は、後壁部122に形成された孔(不図示)を通って入力側コネクタ13と電気的に接続されている。
出力側支持体22は、例えば銅若しくはコバールといった金属製であり、抵抗率がほぼゼロの高い導電性を有する。出力側支持体22は、出力側筐体21の上面21a上に載置され、X方向において入力側支持体12と並んで配置されている。図2に示すように、出力側支持体22は入力側支持体12と対称な形状を有しており、XZ平面に沿った断面における出力側支持体22の断面形状は略L字状である。すなわち、出力側支持体22は、上面21a上に載置されて上面21aに沿って延在する基部221と、基部221上においてヒータブロック30から離れた側に立設された後壁部222とを有する。
基部221は平板状を呈しており、XY平面に沿って延在する互いに逆向きの平坦な主面221a及び裏面221bを有する。主面221aは、本実施形態における第2の基板搭載面である。裏面221bは出力側筐体21の上面21aと対向しており、一例では上面21aに接している。後壁部222は、ヒータブロック30側を向く平坦な内側面222aと、ヒータブロック30とは反対側を向く平坦な外側面222bとを有する。外側面222bには、試験用の測定信号を出力するための出力側コネクタ23が取り付けられている。被試験デバイスDの試験を行う際、出力側支持体22は基準電位(グランド電位)とされる。
図3に示すように、基部221は側面221cを更に有する。側面221cは、X方向における基部221のヒータブロック30側の縁に位置し、YZ平面に沿って延在している。側面221cは、ヒータブロック30の伝熱体32(後述)と対向している。側面221cと主面221aとは直接繋がっているが、側面221cと裏面221bとの間には、ヒータブロック30のブロック筐体31との干渉を回避する為の段差(逃げ部)221dが形成されている。
出力側支持体22の主面221a上には、出力配線基板24が搭載されている。出力配線基板24は、XY平面に沿って延在する板状の部材であって、誘電体基板241と、信号配線242とを有する。誘電体基板241は、互いに逆向きの平坦な主面241a及び裏面241bを有する。裏面241bは主面221aと対向しており、一例では主面221aに接している。
信号配線242は、被試験デバイスDから出力される信号を伝送するための配線であって、主面24a上に形成された金属膜からなる。信号配線242は、細長形状を呈しており、X方向に沿って真っ直ぐに延在し、信号配線142と共通の直線上に配置されている。信号配線242と導電性の基部221との間には誘電体基板241が介在しているので、信号配線242と基部221とはマイクロストリップライン型の伝送線路を構成する。信号配線242の線幅は例えば0.6mmである。誘電体基板241の厚さは例えば0.64mmである。信号配線242のヒータブロック30側の一端は、誘電体基板241のヒータブロック30側の縁まで延びている。信号配線242のヒータブロック30とは反対側の他端は、後壁部222に形成された孔(不図示)を通って出力側コネクタ23と電気的に接続されている。
ヒータブロック30は、入力側筐体11及び入力側支持体12と、出力側筐体21及び出力側支持体22との間に配置されている。ヒータブロック30は、ブロック筐体31と、ブロック筐体31上に載置された伝熱体32とを有する。ブロック筐体31は、例えば真鍮製であり、信号配線142及び242の延在方向と交差する方向(例えばY方向)に延びている。図2及び図3に示すように、ブロック筐体31の延在方向に垂直な断面の形状は略矩形状であり、ブロック筐体31は上面31a及び一対の側面31b,31cを有する。上面31aは平坦であり、XY平面に沿って延在している。一対の側面31b,31cはそれぞれ平坦且つ互いに逆向きであり、YZ平面に沿って延在している。側面31bは入力側筐体11の側面11bと対向しており、側面31cは出力側筐体21の側面21bと対向している。また、ブロック筐体31の内部にはブロック筐体31の延在方向に延びる2つの孔31d,31eが形成されている。一方の孔31dには、ブロック筐体31を加熱するための円柱状のヒータがセラミック製の被覆碍子を介して挿入される。他方の孔31eには、絶縁碍子を介して熱電対が挿入される。
伝熱体32は、抵抗率がほぼゼロの高い導電性、及び高い熱伝導率を有する棒状の部材であって、例えば真鍮といった金属製である。伝熱体32はブロック筐体31の上面31a上に搭載されており、ブロック筐体31に対してネジ41,42(図1を参照)によりネジ止めされて固定される。図3に示されるように、伝熱体32の延在方向に垂直な断面の形状は矩形状であり、伝熱体32は上面32a及び一対の側面32b,32cを有する。上面32aは、本実施形態におけるデバイス搭載面であり、被試験デバイスDを搭載する。上面32aは平坦であり、XY平面に沿って延在している。被試験デバイスDは、上面32aに対して例えばネジ止め(ネジ41,42)により導電接合される。一対の側面32b,32cはそれぞれ平坦且つ互いに逆向きであり、YZ平面に沿って延在している。側面32bは入力側支持体12の側面121cと対向しており、側面32cは出力側支持体22の側面221cと対向している。X方向における側面32b,32cの距離(すなわち伝熱体32の幅)は、同方向における側面31b,31cの距離(すなわちブロック筐体31の幅)よりも小さい。
被試験デバイスDの試験を行う際には、まず被試験デバイスDを伝熱体32に接合し、次いで伝熱体32をブロック筐体31にネジ止めして固定する。そして、ブロック筐体31からの熱を伝熱体32を介して被試験デバイスDに伝えることにより、被試験デバイスDの温度を規定の温度(例えば270℃)に維持する。
図1に示すように、試験用治具10は、導電部材15,16を更に備える。導電部材15,16は、抵抗率がほぼゼロの高い導電性を有する板状の部材であり、例えば金属製である。導電部材15,16は、入力側支持体12及び出力側支持体22と伝熱体32とを互いに電気的に接続して、伝熱体32の電位を入力側支持体12及び出力側支持体22の基準電位(グランド電位)と一致させるために設けられる。導電部材15は、X方向に沿って延在しており、Y方向における入力配線基板14の一方側の端縁、及びY方向における出力配線基板24の一方側の端縁に沿って配置されている。導電部材16は、X方向に沿って延在しており、Y方向における入力配線基板14の他方側の端縁、及びY方向における出力配線基板24の他方側の端縁に沿って配置されている。導電部材15は、基部121、221、及び伝熱体32のそれぞれに対し、ネジ43~45(図1を参照)によりネジ止めされて接触しつつ固定される。同様に、導電部材16は、基部121、221、及び伝熱体32のそれぞれに対し、ネジ46~48(図1を参照)によりネジ止めされて接触しつつ固定される。
図4は、図3の一部を更に拡大して示す断面図である。図4に示すように、入力側支持体12の側面121cと伝熱体32の側面32bとが互いに間隔をあけて対向することにより、入力側支持体12と伝熱体32との間には隙間A1(第1の隙間、空隙とも称する)が設けられている。入力側支持体12は、この隙間A1の大きさを調整するために、伝熱体32に向けて移動可能とされている。この機能は、例えば入力側筐体11をブロック筐体31に向けて移動可能とすることにより実現される。そして、被試験デバイスDの信号入力端子(トランジスタの場合、ゲート端子)と入力配線基板14の信号配線142とは、隙間A1を跨ぐ配線51を介して互いに電気的に接続されている。配線51は、棒状若しくは線状の導電部材であって、例えば被試験デバイスDに付属する入力側リード端子である。配線51と信号配線142とは、例えば溶接により導電接合される。
同様に、出力側支持体22の側面221cと伝熱体32の側面32cとが互いに間隔をあけて対向することにより、出力側支持体22と伝熱体32との間には隙間A2(第2の隙間、空隙とも称する)が設けられている。出力側支持体22は、この隙間A2の大きさを調整するために、伝熱体32に向けて移動可能とされている。この機能は、例えば出力側筐体21をブロック筐体31に向けて移動可能とすることにより実現される。そして、被試験デバイスDの信号出力端子(トランジスタの場合、ドレイン端子)と出力配線基板24の信号配線242とは、隙間A2を跨ぐ配線52を介して互いに電気的に接続されている。配線52は、棒状若しくは線状の導電部材であって、例えば被試験デバイスDに付属する出力側リード端子である。配線52と信号配線242とは、例えば溶接により導電接合される。
入力側支持体12は、入力側フィン群123を更に有する。入力側フィン群123は、隙間A1において、主面121aの法線方向(Z方向)から見て配線51と重なる位置に設けられ、配線51とともにマイクロストリップライン型の伝送線路を構成する。入力側フィン群123は、基部121の側面121cから伝熱体32の側面32bへ向けて、X方向に沿って突出している。入力側フィン群123の先端は伝熱体32の側面32bと接触している。すなわち、入力側支持体12と伝熱体32とは、入力側フィン群123を介して互いに接触している。
出力側支持体22は、出力側フィン群223を更に有する。出力側フィン群223は、隙間A2において、主面221aの法線方向(Z方向)から見て配線52と重なる位置に設けられ、配線52とともにマイクロストリップライン型の伝送線路を構成する。出力側フィン群223は、基部221の側面221cから伝熱体32の側面32cへ向けて、X方向に沿って突出している。出力側フィン群223の先端は伝熱体32の側面32cと接触している。すなわち、出力側支持体22と伝熱体32とは、出力側フィン群223を介して互いに接触している。
図5は、入力側フィン群123及び出力側フィン群223の外観を示す斜視図である。図5に示すように、これらのフィン群123,223は、導電性の(例えば金属製の)複数枚のフィン61からなる。各フィン61は、平板状を呈しており、該平板の厚さ方向に互いに平行に並んでいる。各フィン61の先端部61aの端縁61cは、各フィン61の厚さ方向(並び方向)から見て、例えば半円形状若しくは円弧状といった、曲率を有する(丸みを帯びた)形状を有している。一例では、各フィン61の厚さ方向はY方向に一致する。図4に示すように、入力側フィン群123及び出力側フィン群223は、このような形状の先端部61aの端縁において、それぞれ伝熱体32の側面32b及び側面32cと接触する。従って、各フィン61と伝熱体32とは互いに線接触する。線接触とは、互いの接触面が線状に延びることをいう。
各フィン61の基端部61bは矩形状を呈しており、入力側フィン群123の基端部61bは基部121に固定され、出力側フィン群223の基端部61bは基部221に固定される。一実施例では、入力側フィン群123は基部121と一体であり、切削加工によって1つの金属ブロックから切り出される。同様に、出力側フィン群223は基部221と一体であり、切削加工によって1つの金属ブロックから切り出される。
各フィン61の厚さは、例えば0.5mm以下であり、一例では0.35mmである。また、主面121aに沿う方向(例えばY方向)におけるフィン群123の幅Wは、同方向における配線51の幅の2倍以上である。同様に、主面221aに沿う方向(例えばY方向)におけるフィン群223の幅Wは、同方向における配線52の幅の2倍以上である。一例では、フィン群123,223の幅Wは、例えば1.2mmである。
以上に説明した、本実施形態による試験用治具10によって得られる効果について説明する。試験用治具10では、伝熱体32と入力側支持体12との間に隙間A1が設けられ、伝熱体32と出力側支持体22との間に隙間A2が設けられている。すなわち、伝熱体32を含むヒータブロック30が、入力側支持体12及び入力配線基板14、並びに出力側支持体22及び出力配線基板24に対して熱的に隔離されている。これにより、ヒータブロック30から支持体12,22及び配線基板14,24を通じて熱が逃げることを抑止できる。故に、被試験デバイスDを効率よく加熱することができ、被試験デバイスDの温度を例えば270℃といった高い温度で長時間維持することが容易になる。また、入力配線基板14及び出力配線基板24、並びに入力側コネクタ13及び出力側コネクタ23の温度上昇を抑制して、高温によるこれらの損傷を低減できる。本実施形態によれば、被試験デバイスDの温度を270℃まで高める場合であっても、入力側筐体11及び出力側筐体21の温度を40~50℃程度に抑制することができる。
また、被試験デバイスDの入力端子と入力配線基板14とは、隙間A1を跨ぐ配線51を介して互いに電気的に接続されている。同様に、被試験デバイスDの出力端子と出力配線基板24とは、隙間A2を跨ぐ配線52を介して互いに電気的に接続されている。これにより、ヒータブロック30から熱が逃げることを極力抑えつつ、被試験デバイスDに対して信号の入出力を行うことができる。
更に、本実施形態の入力側支持体12及び出力側支持体22は、伝熱体32に接触する入力側フィン群123及び出力側フィン群223をそれぞれ有する。そして、これらのフィン群123,223は、主面121a,221aの法線方向から見て配線51,52とそれぞれ重なっている。フィン群123,223は、導電性を有し、それぞれ支持体12,22の一部であるので、基準電位(グランド電位)に規定される。従って、配線51,52とフィン群123,223とは、マイクロストリップライン型の伝送線路を構成する。これにより、インピーダンス整合を充分に確保して、反射等による信号波形の劣化を抑制し、被試験デバイスDへ入力される信号、及び被試験デバイスDから出力される信号を、安定して伝送することができる。
ここで、本発明者が行った実験の結果について説明する。図6は、フィン群123,223を備えない試験用治具の一部を拡大して示す断面図である。本発明者は、このような構成を備える試験用治具を作製し、被試験デバイスDとしてのトランジスタに対して発振の有無の確認実験を行った。図7は、トランジスタにDCバイアス(ドレインバイアス、ゲートバイアス)のみを印加した際のドレイン出力について、その発振特性を示すグラフであって、実際に表示されたスペクトルアナライザの画面を模写した図である。横軸は周波数(0~15GHz)、縦軸は計測パワー(-100~0dBm)を表す。図7に示すように、この実験では、発振基本周波数(4.05GHz)、その2倍波(8.1GHz)及び3倍波(12.15GHz)における計測パワーがそれぞれ-28.08dBm、-55.01dBm、及び-50.46dBmのピークを有し、これらの周波数においてドレイン出力が発振することが確認された。また、図8は、ドレイン電圧(VD)を3Vとした場合の、ゲート電圧(VG)とドレイン電流(ID)との関係(グラフG11)、及びゲート電圧(VG)と相互コンダクタンス(Gm)との関係(グラフG12)を示すグラフである。横軸はゲート電圧(単位:V)を表し、左側の横軸はドレイン電流(単位:mA)を表し、右側の横軸は相互コンダクタンス(単位:mS)を表す。図8を参照すると、上記の発振によってゲート電圧とドレイン電流及び相互コンダクタンスとの間に特異点が生じ、動作に異常をきたしていることがわかる。
図9は、フィン群123,223を備える本実施形態の試験用治具10を用いて、被試験デバイスDとしてのトランジスタに対して発振の有無を確認する実験を行った際のドレイン出力の周波数特性を示すグラフである。図9を参照すると、この実験では、本実施形態に係る試験用治具10を用いない上記例で顕著であった、発振基本周波数(4.05GHz)、2倍波(8.1GHz)及び3倍波(12.15GHz)における計測パワーがそれぞれ実質的に無くなり、上記の発振が充分に抑制されたことがわかる。また、図10は、ドレイン電圧(VD)を3Vとした場合の、ゲート電圧(VG)とドレイン電流(ID)との関係(グラフG21)、及びゲート電圧(VG)と相互コンダクタンス(Gm)との関係(グラフG22)を示すグラフである。図10を参照すると、発振が抑えられることによってゲート電圧とドレイン電流及び相互コンダクタンスとの関係が滑らかになり、良好に動作していることがわかる。
このように、本実施形態の試験用治具10によれば、被試験デバイスDへのグランドを確実にすることが可能となり、被試験デバイスDの加速劣化ダイナミック試験を良好に行うことができる。
図11は、フィン群123,223に代えて、直方体状のピン124,224を基部121,221の側面121c,221cから突出させ、伝熱体32の側面32b,32cにそれぞれ接触させた場合の構成を示す断面図である。本発明者は、このような構成を備える試験用治具を作製し、被試験デバイスDとしてのトランジスタに対して発振の有無を確認する実験を行った。その結果、本実施形態の試験用治具10を用いた場合と同様に発振を抑制してトランジスタを良好に動作させ得たものの、ピン124,224から熱が逃げることによってトランジスタの温度が230℃以上にならず、規定の温度条件(270℃)に達することができなかった。なお、この実験では、ピン124,224の幅を配線51,52の幅の2倍とした。これに対し、本実施形態では、フィン群123,223を伝熱体32に接触させるので、熱が逃げる経路の断面積を極力小さくして被試験デバイスDを効率よく加熱し、より高い温度にまで被試験デバイスDの温度を高めることができる。
本実施形態のように、フィン61と伝熱体32とは互いに線接触してもよい。これにより、フィン61と伝熱体32との接触面積を極力小さくして、伝熱体32から支持体12,22へ逃げる熱を少なくすることができる。
本実施形態のように、フィン61の並び方向から見た各フィン61の端縁61cの形状は円弧状であってもよい。これにより、フィン61と伝熱体32との接触面積を極力小さくして、伝熱体32から支持体12,22へ逃げる熱を少なくすることができる。
本実施形態のように、フィン群123の幅Wは、配線51の幅の2倍以上であってもよい。同様に、フィン群223の幅Wは、配線52の幅の2倍以上であってもよい。これにより、マイクロストリップラインによるインピーダンス整合を充分に確保し、被試験デバイスDに対してグランドを確定し、入力及び出力される信号を安定化させることができる。
本実施形態のように、支持体12,22は伝熱体32に向けて移動可能であってもよい。これにより、隙間A1,A2の大きさを容易に調整することができ、フィン61の端縁61cと伝熱体32との接触状態を良好にするための作業を容易に行うことができる。
(変形例)
図12の(a)は、上記実施形態の一変形例に係るフィン群70の断面形状を示す図であって、主面121a,221aに沿ったフィン群70の断面を示す。図12の(a)に示すように、本変形例のフィン群70は、ブロック状の部材72の一端に形成された複数枚のフィン71からなる。複数枚のフィン71は、突出方向と交差する方向(例えば図4に示されるY方向)に並んでいる。そして、各フィン71の並び方向に沿った断面におけるフィン群70の表面形状は、正弦波等の滑らかな曲線からなる波型となっている。このフィン群70は、各フィン71の先端において伝熱体32と接触する。
図12の(b)は、上記実施形態の別の変形例に係るフィン群80の断面形状を示す図であって、主面121a,221aに沿ったフィン群80の断面を示す。図12の(b)に示すように、本変形例のフィン群80は、ブロック状の部材82の一端に形成された複数枚のフィン81からなる。複数枚のフィン81は、突出方向と交差する方向(例えば図4に示されるY方向)に並んでいる。そして、各フィン81の並び方向に沿った断面におけるフィン群80の表面形状は、三角波等の主に直線からなる波型となっている。このフィン群80は、各フィン81の先端において伝熱体32と接触する。
これらの変形例のように、フィンの並び方向に沿った断面におけるフィン群の表面形状は波型であってもよい。このような場合であっても、フィン群と伝熱体32との接触面積を極力小さくして熱が逃げることを抑制し、被試験デバイスDを効率よく加熱して高温を長時間維持することができる。
本発明による試験用治具は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では入力側フィン群123が入力側支持体12から伝熱体32に向けて突出しているが、同様の形状を有する入力側フィン群が伝熱体32の側面32bから入力側支持体12の側面121cに向けて突出してもよい。その場合、入力側フィン群の各フィンの端縁は入力側支持体12の側面121cに線接触する。同様に、上記実施形態では出力側フィン群223が出力側支持体22から伝熱体32に向けて突出しているが、同様の形状を有する出力側フィン群が伝熱体32の側面32cから出力側支持体22の側面221cに向けて突出してもよい。その場合、出力側フィン群の各フィンの端縁は出力側支持体22の側面221cに線接触する。
また、上記実施形態では入力側及び出力側の双方にフィン群が設けられているが、入力側及び出力側のいずれか一方のみにフィン群が設けられてもよい。このような場合であっても、上記実施形態の効果を得ることができる。