(57)【要約】【課題】プリント基板上の半導体素子の発熱量及び熱特性を同時に実際の製品レベルのプリント基板に実装された状態で測定することができる。【解決手段】温度調整器２４を用いて素子表面側温度Ｔｃの温度を降下させ、Ｔｊ＝Ｔｂ（素子プリント基板側温度）になったときの通過熱量Ｐｃを通過熱量センサ２３で読み取り、発熱量Ｐを得る。その後、熱抵抗Ｒｊｂを求めるために、Ｔｃの温度をＴｃ＝Ｔｊとなるまで上昇させ、Ｒｊｂ＝（Ｔｃ−Ｔｂ）／ＰからＲｊｂを求める。Ｒｊｂが求められたなら、温度調整器２４を取り外してＴｃ、Ｔｂを測定し、Ｐ１を次式から求める。Ｐ１＝（（Ｔｂ−Ｔｃ）＋Ｒｊｂ×Ｐ）／（Ｒｊｃ＋Ｒｊｂ）Ｐ１が求められたならジャンクション温度Ｔｊを、Ｔｊ＝Ｒｊｃ×Ｐ１＋Ｔｃの式から求めて、半導体素子の発熱量と温度特性の測定ができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象素子がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有するものであって、その測定対象素子をプリント基板に実装し、前記素子の上面に通過熱量センサを有する温度調整器を設けた後、この温度調整器により素子上面側温度Ｔｃを降下させてＴｊの温度を下げ、そのＴｊが素子プリント基板側Ｔｂと等しくなったときを、測定対象素子の発熱量Ｐとした後、
素子上面側温度Ｔｃを上昇させ、ＴｃとＴｊが等しくなったなら、Ｔｊ＝Ｒｊｂ×Ｐ＋Ｔｂから熱抵抗Ｒｊｂを求めた後、前記温度調整器を素子から取り外してからＴｃとＴｂを測定し、素子表面側に流れている発熱量をＰ１とすると、
Ｐ１＝（（Ｔｂ−Ｔｃ）＋Ｒｊｂ×Ｐ）／（Ｒｊｃ＋Ｒｊｂ）となり、この式にＴｂ，Ｔｃ，Ｒｊｂ，Ｒｊｃ，Ｐを代入してＰ１を求めた後、ＴｊをＴｊ＝Ｒｊｃ×Ｐ１＋Ｔｃから求めることを特徴とする電子部品発熱量測定方法。
【請求項２】
測定対象素子がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有しないときには、予め知られている熱抵抗Ｒｊｃから発熱量Ｐを求めたことを特徴とする請求項１記載の電子部品発熱量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、実際に製品レベルとして実装しているプリント基板上の個別素子（例えば半導体素子）の発熱量と熱的な特性を測定する電子部品発熱量測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、ブロック化や高密度化が進み、より小型化、低価格化が求められている。また、騒音対策として半導体素子などを冷却するファンレス化の要求もますます高まり、厳密な熱設計と評価が、必要になってきている。
【０００３】
このため、ＣＰＵを初めとする高発熱の素子を適切な温度になるように設計するためには、過去の実験データや各種熱解析を用いているが、その基礎となる各種の素子の発熱量や熱特性を正確に把握することが不可欠となっている。
【０００４】
従来、電子機器内に配設されているプリント基板上に実装されている素子は、各素子の動作状態を想定して発熱量を予測していたが、実際に動作している状態での発熱量の把握は、非常に困難であった。
【０００５】
次に従来例の発熱量測定方法を図４により述べる。図５において、プリント基板１１上に載置されている測定対象素子１２の主要回路の電流値、電圧値を、それぞれ電流計Ａ、電圧計Ｖを用いて直接測定して消費電力を求めるか、また、測定プローブ１３を有する測定器１４で間接的に電流値を測定して消費電力を求めるかで、測定対象半導体素子の発熱量を測定する方法が行なわれている。
【０００６】
しかし、上記直接測定して消費電力を求める場合でも、高速に動作している回路の消費電力を測定することは技術的に難度が高い上に、測定専用のプリント基板を治具として個別に必要としていたためコスト高になる問題がある。
【０００７】
また、上記間接測定では、小電流の場合には、精度良く測定することが非常に困難である。
【０００８】
さらに、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）のような素子の場合には、素子にリードがないため、形状的に回路の電流値を直接測定することがより困難であり、素子の発熱量を測定することは現実的に不可能に近かった。
【０００９】
また、治具を使用して電圧値や電流値を測定しても実際の使用状態ではないため放熱特性などの熱的な特性を同時に測定することが困難であった。さらに、高速に動作する素子の場合には、治具に取り付けても所定の動作をしないという問題さえもあった。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−０１４０６５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来より、ＬＳＩなどの半導体素子は、ジャンクション温度Ｔｊを許容温度以下にすることが必要である。しかし、実際に使用している素子では、ジャンクション温度Ｔｊを直接測定することができないため、素子の周囲温度Ｔａ又は素子の表面側温度Ｔｃを測定し、以下のようにしてジャンクション温度Ｔｊの判定を行なっていた。
【００１２】
これは、各温度間の熱抵抗が予めＬＳＩメーカーで測定されているため、別途設定した素子の発熱量Ｐから、以下の基本式を用いて算出するようにしている。
【００１３】
素子周囲許容温度上昇：Ｔａ（ｍａｘ）＝Ｔｊ（ｍａｘ）・α１−Ｐ×Ｒｊａ
ここで、Ｒｊａは熱抵抗、α１はディレーティング率である。
【００１４】
素子表面許容温度上昇：Ｔｃ（ｍａｘ）＝Ｔｊ（ｍａｘ）・α２−Ｐ×Ｒｊｃ
ここで、Ｒｊｃは熱抵抗、α２はディレーティング率である。
【００１５】
上記のことを図示したものが図５である。上記のように、発熱量Ｐは推定値であるため、ジャンクション温度Ｔｊの厳密な判定ができなかった。
【００１６】
現在では、プリント基板上の素子の熱的モデルは、一般的に図６（ａ），（ｂ）に示すように考えられている。しかし、個別の熱抵抗を測定することはＬＳＩメーカーの研究所レベルを除いて一般的には極めて困難である。
【００１７】
次に、発熱測定上の技術的な課題について述べる。上記図６（ａ），（ｂ）に示した熱的モデルの場合、温度と発熱の関係は、図７に示す温度分布特性のグラフ（イ）で表される。
【００１８】
図７のグラフ（イ）において、ジャンクション温度Ｔｊは高く、素子上面側温度（以下素子表面側温度と称する）Ｔｃ１は、フィンなどで冷却されるので、低い値になっている。また、素子素子プリント基板側温度Ｔｂは、ジャンクション温度Ｔｊより多少低い値になる。
【００１９】
しかし、プリント基板上には複数の素子が実装され発熱しており放熱の経路が複雑で、特定素子の発熱量測定は困難である。例えば、図８に示すように通過熱量測定センサ１５を測定対象半導体素子１２に取り付けても、測定対象半導体素子１２の発熱の何％が通過しているのか解からない。また、温度分布や発熱分布によって、他の素子１７の発熱分が入っていてもそれを識別することができない。
【００２０】
上記のように、現状の技術では、通常のプリント基板上のＩＣ，ＬＳＩなどの半導体素子の実際の発熱量や熱特性を測定することが困難であった。
【００２１】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、プリント基板上の半導体素子の発熱量及び熱特性を同時に実際の製品レベルのプリント基板に実装された状態で測定することができる電子部品発熱量測定方法を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、測定対象素子がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有するものであって、その測定対象素子をプリント基板に実装し、前記素子の上面に通過熱量センサを有する温度調整器を設けた後、この温度調整器により素子上面側温度Ｔｃを降下させてＴｊの温度を下げ、そのＴｊが素子プリント基板側Ｔｂと等しくなったときを、測定対象素子の発熱量Ｐとした後、
素子上面側温度Ｔｃを上昇させ、ＴｃとＴｊが等しくなったなら、Ｔｊ＝Ｒｊｂ×Ｐ＋Ｔｂから熱抵抗Ｒｊｂを求めた後、前記温度調整器を素子から取り外してからＴｃとＴｂを測定し、素子表面側に流れている発熱量をＰ１とすると、
Ｐ１＝（（Ｔｂ−Ｔｃ）＋Ｒｊｂ×Ｐ）／（Ｒｊｃ＋Ｒｊｂ）となり、この式にＴｂ，Ｔｃ，Ｒｊｂ，Ｒｊｃ，Ｐを代入してＰ１を求めた後、ＴｊをＴｊ＝Ｒｊｃ×Ｐ１＋Ｔｃから求めることを特徴とするものである。
【００２３】
第２発明は、測定対象素子がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有しないときには、予め知られている熱抵抗Ｒｊｃから発熱量Ｐを求めたことを特徴とするものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図７に示した通常の半導体素子の温度分布特性では、一般的に素子表面側温度Ｔｃと素子プリント基板側温度Ｔｂの両方に分かれる。その割合は個々の半導体素子の熱抵抗Ｒｊｃ，Ｒｊｂやその周囲によって決定される。つまり、この割合は、プリント基板の温度分布の変動によって複雑に変化する。
【００２５】
そこで、図８に示す測定対象半導体素子１２の発熱が、通過熱量測定センサ１５を１００％過不足なく通過するように、プリント基板１１の温度分布を調整するようにする。以下、その原理について図１により述べる。
【００２６】
図１はこの発明の実施の形態を説明するための測定対象半導体素子の温度と発熱量の関係を示す温度分布特性図で、この特性図では、プリント基板上の他の素子やプリント基板の影響を受けないで測定対象半導体素子１２の発熱量Ｐを測定するために、その素子１２の温度分布を強制的に図示温度分布特性のグラフ（ロ）のように変化させる。
【００２７】
このような温度分布となるようにするには、素子表面側温度Ｔｃを下げ、ジャンクション温度Ｔｊが素子プリント基板側温度Ｔｂに等しく（Ｔｊ＝Ｔｂ）なるようにする。
【００２８】
上記のような温度分布特性のグラフ（ロ）にした場合には、測定対象半導体素子１２の発熱が１００％素子の表面側（Ｔｃ側）に流れ、また、他の素子の発熱もプリント基板上の素子取付部（Ｔｂ側）から侵入してくることはない。これは、同じ温度であれば熱の移動は発生しないためである。
【００２９】
次に上記原理を用いた発熱量Ｐの測定方法を示す実施の形態を図２により述べるに、図２において、製品レベルのプリント基板２１上に測定対象半導体素子２２を実装し、その半導体素子２２の上面（実装面と異なる面）に通過熱量測定センサ２３を有する温度調整器２４を設ける。
【００３０】
温度調整器２４はペルチェ素子などから構成され、また、通過熱量測定センサ２３は半導体などから構成される。２５は温度測定装置で、この温度測定装置２５により半導体素子２２の素子表面側温度Ｔｃと素子素子プリント基板側温度Ｔｂを測定する。２６はプリント基板２１に取り付けられるその他の発熱素子群である。
【００３１】
まず、手順１ａにて、上述した測定対象半導体素子２２がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有するものである場合における発熱量Ｐを測定する方法について述べる。
【００３２】
現在、ＣＰＵなどを構成する半導体素子においては、内部のジャンクション温度Ｔｊを実測できる機能を有するものがある。このような測定対象半導体素子２２の場合には、素子のＴｊの測定結果と素子プリント基板側温度Ｔｂが、一致するように温度を調整する。
【００３３】
上記温度の調整方法としては、図２に示すように、まず、半導体素子２２の表面に取り付けたヒートシンクやペルチェ素子による温度調整器２４を用いて素子表面側温度Ｔｃの温度を降下させる。
【００３４】
上記Ｔｃの温度を降下させると、Ｔｊの温度も降下を始める。このＴｊの温度が、図１に示す温度分布特性のグラフ（ロ）になる、すなわち、Ｔｊ＝Ｔｂ（素子プリント基板側温度）となるまでＴｃの温度を降下させる。
【００３５】
その後、Ｔｊ＝Ｔｂとなった時に、通過熱量測定センサ２３で通過熱量Ｐｃの値を読み取る。このときの値が、測定対象半導体素子２２の発熱量Ｐとなる。
【００３６】
上記温度調節器２４は、半導体素子２２の発熱量に合せた温度調節能力を有するものを用いれば良い。また、温度測定装置２５にＴｊの測定値を入力することで自動的に、Ｔｊ＝Ｔｂの調節をし、発熱量Ｐの測定も可能である。
【００３７】
次に手順１ｂとして上述した測定対象半導体素子２２がジャンクション温度Ｔｊの実測機能を有しない場合の発熱量Ｐは以下のようにして求める。
【００３８】
半導体素子の一部には、素子表面と素子ジャンクション間の熱抵抗Ｒｊｃが公開されている。この素子を用いて測定している通過熱量をＰｃとすれば、
Ｐｃ×Ｒｊｃ＝ΔＴｃｊの関係であるから、Ｔｊ＝Ｔｃ＋ΔＴｃｊとなる。
【００３９】
従って、Ｔｃの温度を調節して、Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｊｃ＝Ｔｂとし、その際のＰｃが測定対象半導体素子の発熱量Ｐとなる。
【００４０】
次に手順２として測定対象半導体素子の熱抵抗Ｒｊｂを求める方法について述べる。図２の構成において、まず半導体素子２２の表面側温度Ｔｃを上昇させて行く。Ｔｃの温度を上昇させて行くと、半導体素子２２の温度分布特性は、図３に示すグラフ（ハ）のような状態になり、発熱分は、半導体素子のプリント基板実装側（Ｔｂ側）へ流れる割合が増加する。
【００４１】
さらに温度を上昇させて行くと、図３に示すグラフ（ニ）の状態となり、半導体素子２２の表面側に流れる熱量が「０」となる。この状態では、Ｔｃ＝Ｔｊとなっており、１００％の発熱分が、半導体素子２２のプリント基板実装側に流れている。
【００４２】
この場合、Ｔｊ＝Ｒｊｂ×Ｐ＋Ｔｂの関係となっている。なお、Ｔｊ＝Ｔｃである。これらの式から熱抵抗Ｒｊｂは次式のようになる。
【００４３】
Ｒｊｂ＝（Ｔｃ−Ｔｂ）／Ｐ
上記式において、発熱量Ｐは、上記手順１ａ、１ｂのようにして求められて既知であるから素子表面側温度Ｔｃと素子プリント基板側温度Ｔｂの実測値から熱抵抗Ｒｊｂが求められる。
【００４４】
上記のように、半導体素子の熱抵抗Ｒｊｂは、素子表面側温度Ｔｃを上昇させながら、通過熱量Ｐｃを測定し、そのＰｃの値が「０」となった時点でのＴｃ、Ｔｂの温度から簡単に求めることが出来るようになる。
【００４５】
上記手順１ａ、１ｂと手順２によりそれぞれ発熱量Ｐ及び熱抵抗Ｒｊｂが明らかになった後、手順３により半導体素子の発熱量と温度特性の測定を行なう。
【００４６】
手順３では、まず、温度調整器２４を取り外し、通常動作状態とする。このときの素子表面側温度Ｔｃと素子プリント基板側温度Ｔｂを測定する。このとき、温度は、次式の関係となっている。なお、素子表面側に流れている発熱量をＰ１とする。
【００４７】
Ｔｃ＋（Ｒｊｃ×Ｐ１）−Ｒｊｂ×（Ｐ−Ｐ１）＝Ｔｂ
上記式の温度の関係は、図７に示す通りである。ここで、この式を変形すると、Ｐ１は次式のようになる。
【００４８】
Ｐ１＝（（Ｔｂ−Ｔｃ）＋Ｒｊｂ×Ｐ）／（Ｒｊｃ＋Ｒｊｂ）
上述のように実測したＴｂ、Ｔｃ及び手順２までの測定結果で得られた、熱抵抗Ｒｊｂ、ＲｊｃとＰにより、Ｐ１及びＰ−Ｐ１＝Ｐ２を求めることが出来る。これらの値から次式によりジャンクション温度Ｔｊを求める。
【００４９】
Ｔｊ＝Ｒｊｃ×Ｐ１＋Ｔｃ
上記一連の手順１ａ（１ｂ），２，３によって、個々の素子の熱的な特性を他の素子などの影響を受けることなく素子の発熱量と素子の温度特性の測定と判定ができるようになる。
【００５０】
なお、上記一連の手順は、自動化することができ、自動化することによって容易に上記測定ができるようになる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、従来略測定が困難であったプリント基板上の半導体素子の発熱量及び熱特性を同時に実際の製品レベルのプリント基板に実装された状態で測定が可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を述べるための測定対象半導体素子の温度と発熱量の関係を示す温度分布特性図。
【図２】この発明の実施の形態を示す発熱量測定方法を述べる説明図。
【図３】実施の形態を作用を述べるための測定対象半導体素子の温度と発熱量の関係を示す温度分布特性図。
【図４】従来例の発熱量測定方法を示す概略構成説明図。
【図５】（ａ），（ｂ）は測定対象半導体素子の熱抵抗説明図。
【図６】（ａ），（ｂ）は測定対象半導体素子の熱抵抗モデル説明図。
【図７】測定対象半導体素子の温度と発熱量の関係を示す温度分布特性図。
【図８】発熱量測定装置の構成説明図。
【符号の説明】
２１…プリント基板
２２…測定対象半導体素子
２３…通過熱量センサ
２４…温度調節器
２５…温度測定装置
２６…その他の発熱素子群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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