(57)【要約】  基板評価装置（１）は、パワー半導体を実装可能なセラミック配線基板（３０）の熱特性を、セラミック配線基板（３０）の表面に疑似発熱チップ（４０）を実装させた状態で評価するための試験を行うためのもので、複数のパッドボンディングパターン（３４ｅｐ）を介して、荷重によりセラミック配線基板（３０）をヒートシンク（１００）に押し付けるための複数の電極棒（１３０）を備えた荷重制御部（１０）と、複数の電極棒（１３０）のいくつかを介して、疑似発熱チップ（４０）の加熱用パターン（４６）を加熱させるための加熱電源（１４）と、測温用パターン（４８）により、複数の電極棒（１３０）のいくつかを介して、疑似発熱チップ（４０）の表面温度を測定するための測温センサ（１６）とを備え、測温センサ（１６）による表面温度の測定結果に基づいてセラミック配線基板（３０）の熱特性を評価する。
2019163862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体を実装可能な実装基板の熱特性を評価するための試験に用いられる基板評価用チップであって、
前記実装基板に接合される絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に金属膜によって形成され、前記絶縁基板をより均一に加熱させるために最適化された、所定の形状を有して配置された加熱用パターンと
を備えることを特徴とする基板評価用チップ。
【請求項２】
請求項１に記載の基板評価用チップであって、
前記絶縁基板の表面に金属膜により形成され、前記加熱用パターンによって加熱された前記絶縁基板の温度を測定するための測温用パターンを更に備える
ことを特徴とする基板評価用チップ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の基板評価用チップであって、
前記絶縁基板は、２５０［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導率を有する
ことを特徴とする基板評価用チップ。
【請求項４】
請求項１―３のいずれか１項に記載の基板評価用チップであって、
前記絶縁基板は、ＳｉＣ系単結晶基板の表面に絶縁膜を形成した基板である
ことを特徴とする基板評価用チップ。
【請求項５】
請求項１―４のいずれか１項に記載の基板評価用チップであって、
前記実装基板は、セラミック配線基板である
ことを特徴とする基板評価用チップ。
【請求項６】
パワー半導体を実装可能な実装基板の熱特性を、前記実装基板の表面に基板評価用チップを実装させた状態で評価するための試験を行うための基板評価装置であって、
前記実装基板に接合される絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に金属膜によって形成され、前記絶縁基板をより均一に加熱させるために最適化された、所定の形状を有して形成された加熱用パターンと、前記絶縁基板の表面に金属膜により形成され、前記加熱用パターンによって加熱された前記絶縁基板の温度を測定するための測温用パターンとを備えた前記基板評価用チップと、
前記基板評価用チップが接合されるチップボンディングパターンと、前記加熱用パターン及び前記測温用パターンの各電極パッドが接続される複数のパッドボンディングパターンとを備えた前記実装基板と、
前記実装基板を冷却するための冷却部と、
前記複数のパッドボンディングパターンを介して、前記実装基板を前記冷却部に押し付けるための、複数の端子電極を備えた荷重印加部と、
前記複数の端子電極のいくつかを介して、前記基板評価用チップの前記加熱用パターンを加熱させることにより、前記基板評価用チップの前記絶縁基板の温度を上昇させるための加熱部と、
前記基板評価用チップの前記測温用パターンにより、前記複数の端子電極のいくつかを介して、前記絶縁基板の温度を測定するための測定部と
を備え、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記実装基板の熱特性を評価する
ことを特徴とする基板評価装置。
【請求項７】
請求項６に記載の基板評価装置であって、
各々の前記複数の端子電極は、前記実装基板の前記複数のパッドボンディングパターンと当接する当接部が半球状を有する
ことを特徴とする基板評価装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の基板評価装置であって、
前記複数の端子電極は、絶縁性の支持部材により共通に支持され、
前記支持部材は、前記荷重印加部によって荷重が加えられることにより、前記実装基板を前記冷却部に押し付ける際の荷重を検出するための荷重検出部を備える
ことを特徴とする基板評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば次世代ワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）パワー半導体を実装可能なセラミック配線基板の、熱抵抗特性などの評価に用いるための基板評価用チップ及び基板評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体を実装可能な絶縁性のセラミック配線基板の熱抵抗特性などを評価するための方法として、定常熱抵抗測定法（JPCA（Japan Electronics Packaging and Circuits Association）法ともいう）が知られている（非特許文献１参照）。定常熱抵抗測定法とは、高輝度ＬＥＤ（Light Emitting Diode）用電子回路基板の熱抵抗を測定する試験方法について規格化したものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高輝度ＬＥＤ用電子回路基板試験方法  Test Methods for Electronic Circuit Board for High-Brightness LEDs；JPCA-TMC-LED02T-2010；2010年5月、第１版第１刷発行
【発明の概要】
【０００４】
ところで、高輝度ＬＥＤなどのパワー半導体においては、耐熱性に優れたＳｉＣやＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３などの絶縁基板の採用が検討されており、これらのパワー半導体を実装したパワーモジュールの形成には、耐熱性や放熱性に優れた実装基板が必須となる。
【０００５】
パワー半導体を実装するための代表的な実装基板としては、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板やＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板、ＡＭＢ（Active Metal Bonding）基板などの、絶縁性のセラミック配線基板が知られている。
【０００６】
セラミック配線基板は、これまでセラミックスにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いたものが主流であったが、より熱伝導性が高い窒化アルミ（ＡｌＮ）や、靭性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）が注目されている。
【０００７】
このようなセラミック配線基板は、接合界面に熱抵抗を有し、また、温度変化による熱膨張や応力の影響を受けるため、基板全体での熱特性の評価が重要となる。特に、パワー半導体を実装したパワーモジュールに近い状態での、熱特性を精度よく評価する標準的な方法の確立が急務となっていた。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、基板評価用チップを可能な限り均一に発熱させると同時に、実装基板の上昇温度をより正確に測定することが可能となり、実装基板の熱特性を精度良く評価でき、標準化が容易に可能な基板評価用チップ及び基板評価装置を提供することを目的とする。
【０００９】
上記課題を達成するため、本発明の第１の態様は、パワー半導体を実装可能な実装基板の熱特性を評価するための試験に用いられる基板評価用チップであって、実装基板に接合される絶縁基板と、絶縁基板の表面に金属膜によって形成され、絶縁基板をより均一に加熱させるために最適化された、所定の形状を有して配置された加熱用パターンとを備える。基板評価用チップは、絶縁基板の表面に金属膜により形成され、加熱用パターンによって加熱された絶縁基板の温度を測定する測温用パターンを更に備えることが好ましい。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、次世代パワー半導体を模しながらも、発熱制御と温度測定とに特化した基板評価用チップを実現することができる。即ち、加熱用パターンによって基板評価用チップをほぼ均一に発熱させることが可能となるため、絶縁基板の上昇温度をより正確に測定できるようになる。従って、実際のパワーモジュールによらず、実装基板の熱特性を高精度に評価でき、評価の標準的な方法を容易に確立可能となる。
【００１１】
絶縁基板は、２５０［Ｗ／ｍＫ］以上の熱伝導率を有することが好ましい。
【００１２】
これにより、発熱によるほぼ全ての熱量を、基板評価用チップが実装される実装基板へと効率的に伝導させることが可能となる。
【００１３】
絶縁基板は、ＳｉＣ系単結晶基板の表面に絶縁膜を形成した基板であることが好ましい。
【００１４】
これにより、絶縁基板を仮に非真性の半導体（ＳｉＣ系単結晶基板）とした場合にも、表面に絶縁膜を形成することによって、絶縁基板の耐圧を容易に確保できる。
【００１５】
実装基板は、セラミック配線基板であることが好ましい。
【００１６】
これにより、絶縁基板全体の熱抵抗を精度良く評価できるようになる。
【００１７】
また、本発明の第２の態様は、パワー半導体を実装可能な実装基板の熱特性を実装基板の表面に基板評価用チップを実装させた状態で評価するための試験を行うための基板評価装置であって、実装基板に接合される絶縁基板と、絶縁基板の表面に金属膜によって形成され、絶縁基板をより均一に加熱させるために最適化された、所定の形状を有して形成された加熱用パターンと、絶縁基板の表面に金属膜により形成され、加熱用パターンによって加熱された絶縁基板の温度を測定する測温用パターンとを備えた基板評価用チップと、基板評価用チップが接合されるチップボンディングパターンと、加熱用パターン及び測温用パターンの各電極パッドが接続される複数のパッドボンディングパターンとを備えた実装基板と、実装基板を冷却するための冷却部と、複数のパッドボンディングパターンを介して、実装基板を冷却部に押し付けるための、複数の端子電極を備えた荷重印加部と、複数の端子電極のいくつかを介して、基板評価用チップの加熱用パターンを加熱させることにより、基板評価用チップの絶縁基板の温度を上昇させるための加熱部と、基板評価用チップの測温用パターンにより、複数の端子電極のいくつかを介して、絶縁基板の温度を測定するための測定部とを備え、測定部の測定結果に基づいて実装基板の熱特性を評価する。
【００１８】
本発明の第２の態様によれば、パワー半導体を実装可能な実装基板の表面に基板評価用チップを実装させた状態で、実装基板を荷重印加部によって恒温制御される冷却部に押し付けて冷却させると同時に、加熱部によって加熱用パターンを高精度に発熱させることにより、実装基板を間接的に発熱させることが可能となる。このため、加熱用パターンを発熱させるための定常電力と基板評価用チップの上昇温度とから定常熱抵抗値を求めることによって、実装基板の熱特性を高精度に評価できる。
【００１９】
各々の端子電極は、実装基板の複数のパッドボンディングパターンと当接する当接部が半球状を有することが好ましい。
【００２０】
これにより、実装基板上の各パッドボンディングパターンへの各端子電極の電気的及び熱的な接触が点接触となるため、熱特性の評価の精度を改善することが可能となる。
【００２１】
複数の端子電極は、絶縁性の支持部材により共通に支持されることが好ましく、支持部材は、荷重印加部によって荷重が加えられることにより、実装基板を冷却部に押し付ける際の荷重を検出する荷重検出部を備えることが好ましい。
【００２２】
これにより、実装基板を押し付けるための荷重を正確に検出できるため、冷却部と実装基板との界面の熱抵抗を容易に制御可能である。
【００２３】
本発明の第１の態様と第２の態様によれば、基板評価用チップを可能な限り均一に発熱させると同時に、実装基板の上昇温度をより正確に測定することが可能となり、実装基板の熱特性を精度良く評価でき、標準化が容易に可能な基板評価用チップ及び基板評価装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は実施形態に係る基板評価装置の構成例を示す概略平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ１−ａ１線に沿う概略断面図である。
【図２】図２は、図１（ｂ）に示す基板評価装置の測定系の要部の拡大図である。
【図３】図３は、実施形態に係る基板評価装置で用いられる評価用試料の斜視図である。
【図４】図４（ａ）―４（ｄ）は、評価用試料における実装基板の一例を示す斜視図である。
【図５】図５は、実施形態に係る基板評価用チップである疑似発熱チップの概略を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は図５に示す疑似発熱チップの概略平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ１−ｂ１線に沿う概略断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のｂ２−ｂ２線に沿う概略断面図である。
【図７】図７（ａ）、７（ｂ）は、図５に示す疑似発熱チップの一例を示すパターン図である。
【図８】図８は、対比例の疑似発熱チップの構成を概略的に示す斜視図である。
【図９】図９（ａ）は、実施形態に係る疑似発熱チップにおける熱抵抗とプローブ温度との関係のシミュレーション結果を示すグラフであり、図９（ｂ）は、対比例の疑似発熱チップ４０Ａにおける熱抵抗とプローブ温度との関係のシミュレーション結果を示すグラフである
【図１０】図１０は、実施形態に係る疑似発熱チップと対比例の疑似発熱チップの特性について、熱抵抗と計算により求めた熱抵抗（計算値）との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、フィン付き加熱用パターンの構成例を示す概略図である。
【図１２】図１２（ａ）は実施形態の加熱用パターンが配置された疑似発熱チップの上面側と下面側の温度分布図であり、図１２（ｂ）は図１１のフィン付き加熱用パターンが配置された疑似発熱チップの上面側と下面側の温度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を用いて、実施形態を説明する。
【００２６】
（基板評価装置１の構成）
図１（ａ）は実施形態に係る基板評価装置１の構成例を示す概略平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ１−ａ１線に沿う概略断面図である。
【００２７】
実施形態に係る基板評価装置１は、例えば、高輝度ＬＥＤ用電子回路基板などの、次世代ＷＢＧパワー半導体を実装可能な実装基板の熱特性を、実装基板３０の表面に基板評価用チップ４０を実装させた評価用試料２０を用いて疑似的に評価するための試験を行うためのものである。基板評価装置１は、荷重印加部としての荷重制御部（サンプルホルダ）１０と、冷却装置１２と、加熱部としての加熱電源１４と、測定部としての測温センサ１６とを備える。評価用試料２０の詳細については、後述する。
【００２８】
荷重制御部１０は、評価用試料２０を冷却するための、例えば水冷式のヒートシンク（冷却部）１００を備える。ヒートシンク１００は、冷却装置１２によって所定の温度に恒温制御された冷媒（冷却水）が循環する循環路１０２を有したコールドプレートである。冷却装置１２としては、後述する評価用試料２０の発熱量に対して十分な冷却能力（例えば、２５０［Ｗ］、５．４［Ｌ／ｍｉｎ］）を備えたものが用いられる。
【００２９】
ヒートシンク１００には、評価用試料２０の周囲を取り囲むようにして、複数本（実施形態では、８本）の支柱１０４がほぼ等間隔で設けられている。この８本の支柱１０４によって、評価用試料２０の上方において、絶縁性（例えば、アクリル製）の支持板１１０が支持される。支持板１１０は、ナット１０６によって各支柱１０４に固定されている。
【００３０】
支持板１１０の上には、金属板（剛体）１２０を設けるようにしても良い。金属板１２０は、電極棒（端子電極）１３０及び荷重制御用のネジ付きシャフト１５０を避けるための開口部１２２を有し、ナット１０６によって各支柱１０４に固定される。金属板１２０は、ネジ付きシャフト１５０によって支持剛体１４０に荷重を加える際の応力などにより、支持板１１０が変形（湾曲）するのを抑えるためのもので、支持板１１０が充分な剛性を有する場合には、金属板１２０は省略可能である。
【００３１】
支持板１１０は、その中心部付近にナット１１４が埋め込まれ、このナット１１４を介して、ネジ付きシャフト１５０を支持するようになっている。即ち、ネジ付きシャフト１５０は、支持板１１０に対して、回転しながら上下動するように支持されている。
【００３２】
ネジ付きシャフト１５０の先端側下端部には、荷重検出部としての荷重センサ素子１８ａが取り付けられている。また、荷重センサ素子１８ａを介して、支持部材としての絶縁性（例えば、アクリル製）の支持剛体１４０が取り付けられている。そして、支持剛体１４０によって、複数（実施形態では、４本）の電極棒１３０が共通に支持固定されている。
【００３３】
荷重センサ素子１８ａは、例えば超小型の圧縮型ロードセルである。荷重センサ素子１８ａは、ロードセル指示計である荷重センサ指示計１８（例えば、高速ピークホールド対応デジタルインジケータ）に接続されている。
【００３４】
ネジ付きシャフト１５０の後端側上端部には、取付部１５２を介して、操作者が操作する操作ハンドル１５４が取り付けられている。即ち、操作者が操作ハンドル１５４を操作して、ネジ付きシャフト１５０を図示矢印Ｍｄ方向に回動させることにより、操作ハンドル１５４の操作に応じた荷重が支持剛体１４０に加えられる。支持剛体１４０に加えられた荷重は、荷重センサ素子１８ａによって検出され、荷重センサ指示計１８によって操作者が目視可能なようにデジタル表示される。
【００３５】
各電極棒１３０は、例えば、支持剛体１４０を貫通した状態で、ナット１３６によって、それぞれ支持剛体１４０に固定されている。また、各電極棒１３０の後端側は、支持板１１０の貫通孔１１２内に挿通されている。そして、各電極棒１３０は、支持板１１０の上方において、それぞれの後端側上端部の近傍にダブルナット１３４が取り付けられていて、下方向への移動（荷重）が制限されている。
【００３６】
各電極棒１３０の先端側下端部には、評価用試料２０との接触部分である当接面としての半球状の当接部１３２が設けられている。
【００３７】
ネジ付きシャフト１５０により支持剛体１４０に荷重が加えられることに伴って、各電極棒１３０に設けられた当接部１３２により、評価用試料２０の裏面側がヒートシンク１００の上面に押し付けられる。その際、当接部１３２は、半球状の曲面とされているため、評価用試料２０の平面との接触が最小限の面積とされる。
【００３８】
実施形態においては、例えば、４本の電極棒１３０が評価用試料２０を冷却するためにヒートシンク１００に押し付ける端子電極であると共に、その内の２本が加熱電源１４に接続され、残りの２本が測温センサ１６に接続されている。
【００３９】
即ち、４本の電極棒１３０により評価用試料２０をヒートシンク１００に押し付けながら、加熱電源１４に接続された２本の電極棒１３０によって評価用試料２０への加熱用の定常電力Ｑの供給（通電）が行われ、測温センサ１６に接続された２本の電極棒１３０（測温プローブともいう）によって評価用試料２０の上昇温度の測定が行われる。
【００４０】
図２は、図１（ｂ）に示した基板評価装置１の測定系の要部を拡大して示すものである。
【００４１】
図２に示すように、評価用試料２０の裏面側（セラミック配線基板３０の裏面側電極パターン３６）が、例えば放熱グリース２４を介して、ヒートシンク１００の上面に配置されている。放熱グリース２４は、ヒートシンク１００との界面熱抵抗（Ｒth）をより小さくするために、ＴＩＭ（Thermal Interface Material）として用いられる、例えば、ナノダイヤモンドグリスである。
【００４２】
評価用試料２０は、図２、３に示すように、実装基板としてのセラミック配線基板３０と、例えば接合用Ａｇペースト２２を介してセラミック配線基板３０の表面に実装された疑似発熱チップ（基板評価用チップ）４０と、ボンディング用のワイヤＢＷ（Ａｕワイヤなど）とを備える。
【００４３】
そして、評価（試験）時には、評価用試料２０のセラミック配線基板３０が電極棒１３０の当接部１３２によって所定の荷重によりヒートシンク１００に押し付けられた状態において、疑似発熱チップ４０がＴＥＧ（Test Engineering Group）チップとして実際に駆動制御される。その際、疑似発熱チップ４０は、加熱電源１４から供給される所定の定常電力Ｑ（Ｑ＝Ｉ×Ｖ）によって、例えば、２００［Ｗ］／２５［ｍｍ２］程度の発熱密度Ｈｄ（負荷発熱量とも称し、単位面積［ｍｍ２］当たりの定常電力Ｑ［Ｗ］）となるように駆動される。
【００４４】
なお、ヒートシンク１００は、評価時に、冷却装置１２によって所定の温度（例えば、２５［℃］）に恒温制御される。
【００４５】
（評価用試料２０の詳細）
実施形態に係る評価用試料２０は、図２、３に示したように、セラミック配線基板３０と、セラミック配線基板３０の表面に実装された疑似発熱チップ４０とを備える。
【００４６】
評価用試料２０において、セラミック配線基板３０は、例えば、次世代ＷＢＧパワー半導体を実装可能なＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板であって、セラミックス製の薄板３２（以下、セラミック板ともいう）と、セラミック板３２の一方面（表面）側に形成された表面側電極パターン３４と、セラミック板３２の他方面（裏面）に形成された裏面側電極パターン３６とを備える。
【００４７】
セラミック板３２には、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などが材料として用いられる。
【００４８】
表面側電極パターン３４は、Ｃｕ薄膜からなり、疑似発熱チップ４０が接合されるチップボンディングパターン３４ｄｐ（ダイパッドともいう）と、各電極棒１３０の当接部１３２が当接されると共に、ＡｕワイヤＢＷがボンディング接続されるパッドボンディングパターン３４ｅｐとを備える。
【００４９】
表面側電極パターン３４としては、例えば図４（ａ）に示すように、１つのチップボンディングパターン３４ｄｐが、ほぼチップサイズにより、セラミック板３２の中央部分に配置され、４つのパッドボンディングパターン３４ｅｐが、セラミック板３２の中央部分を除く、周辺部分の各角部に配置されるようにしても良い。
【００５０】
即ち、評価用試料２０は、例えば図３に示すように、チップボンディングパターン３４ｄｐの上に接合用Ａｇペースト２２を介して疑似発熱チップ４０が接合される。また、各パッドボンディングパターン３４ｅｐには、疑似発熱チップ４０の各電極部（電極パッド）５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂがＡｕワイヤＢＷを介して接続されると共に、電極棒１３０のいずれかの当接部１３２が当接されるようになっている。
【００５１】
実施形態の評価用試料２０においては、セラミック配線基板３０のサイズが約３０［ｍｍ］角とされると共に、疑似発熱チップ４０のサイズが約５［ｍｍ］角とされている。なお、疑似発熱チップ４０の厚さは約０．３３［ｍｍ］である。
【００５２】
また、便宜上、各ＡｕワイヤＢＷを１本のワイヤとして図示しているが、発熱時の大電流にも耐えられるようにするために、複数本（例えば、１０本）のワイヤを接続し、電流が分散されるようにしても良い。
【００５３】
また、実施形態の評価用試料２０においては、図４（ａ）―４（ｄ）に示すように、表面側電極パターン３４のパターン形状（デザイン）が異なる複数のセラミック配線基板３０のうち、表面側電極パターン３４のパターン形状によって変化する、セラミック配線基板３０内の熱流路の影響を考慮して、最適なものが採用される。
【００５４】
即ち、表面側電極パターン３４のパターン形状によって変化すると思われる、セラミック配線基板３０内の熱流路の影響を考慮して、例えば図４（ｂ）に示すような、セラミック板３２とほぼ同等サイズの１つのチップボンディングパターン３４ｄｐが、セラミック板３２の中央部分に＋字状に配置され、４つのパッドボンディングパターン３４ｅｐが、その中央部分を除く、周辺部分の各角部に配置されてなる、表面側電極パターン３４を採用するようにしても良い。
【００５５】
また、図４（ｃ）、４（ｄ）に示すような、１つのチップボンディングパターン３４ｄｐが、セラミック板３２の中央部分に配置され、４つのパッドボンディングパターン３４ｅｐを含む複数のパターンが、その中央部分を囲む、周辺部分に配置されてなる、表面側電極パターン３４を採用するようにしても良い。
【００５６】
なお、図４（ａ）―４（ｄ）においては、裏面側電極パターン３６の図示を省略している。また、電極棒１３０の本数を「４」とし、４つのパッドボンディングパターン３４ｅｐを配置するようにした場合について、それぞれ例示している。
【００５７】
また、セラミック配線基板３０としては、ＤＢＣ基板に限定されず、例えば、ＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板やＡＭＢ（Active Metal Bonding）基板なども適用可能である。
【００５８】
一方、評価用試料２０において、疑似発熱チップ４０は、例えば図５に示すように、絶縁基板４２の表面に、Ｐｔ薄膜などの金属膜によって平坦に形成された、加熱用パターン（ヒータパターン）４６と測温用パターン（プローブパターン）４８とを備える。また、絶縁基板４２の表面には、加熱用パターン４６の各電極部５０ａ、５０ｂと、測温用パターン４８の各電極部５２ａ、５２ｂと、が設けられている。
【００５９】
絶縁基板４２は、２５０［Ｗ／ｍＫ］以上、好ましくは４００［Ｗ／ｍＫ］程度の熱伝導率を有することによって、発熱によるほぼ全ての熱量をセラミック配線基板３０へと効率的に伝導させることが可能である。
【００６０】
絶縁基板４２としてはＳｉＣ系の真性半導体（高品質ウェハ）が望ましいが、ｎドープ型のＳｉＣ系単結晶基板（例えば、ｎ−doped 4H ＳｉＣウェハ）であっても良い。ＳｉＣ系単結晶基板の表面部に絶縁膜（例えば、Ａｌ２Ｏ３膜）４４を形成することによって、絶縁基板４２における耐圧の確保が可能である。
【００６１】
即ち、実施形態の疑似発熱チップ４０は、図６（ａ）―６（ｃ）に示すように、ｎドープ型のＳｉＣ系単結晶基板からなる絶縁基板４２と、絶縁基板４２の表面に成膜された５［μｍ］厚程度のＡｌ２Ｏ３膜４４と、Ａｌ２Ｏ３膜４４の表面に３０［ｎｍ］厚程度のＴｉ膜５４を介して成膜された２００［ｎｍ］厚程度のＰｔ薄膜からなる加熱用パターン４６及び測温用パターン４８と、加熱用パターン４６の両端部に形成された電極部５０ａ、５０ｂと、測温用パターン４８の両端部に形成された電極部５２ａ、５２ｂとを備える。加熱用パターン４６のＴｉ／Ｐｔ薄膜抵抗体の抵抗値は４０［Ω］未満（＜４０［Ω］）とされ、測温用パターン４８のＴｉ／Ｐｔ薄膜抵抗体の抵抗値は５０〜８０［Ω］程度とされている。
【００６２】
加熱用パターン４６の各電極部５０ａ、５０ｂ及び測温用パターン４８の各電極部５２ａ、５２ｂは、各々、３０［ｎｍ］厚程度のＣｒ膜５５を介して成膜された１［μｍ］厚以上のＣｕ膜５６と、Ｃｕ膜５６の上に３０［ｎｍ］厚程度のＣｒ膜５７を介して成膜された２００［ｎｍ］厚程度のＡｕ膜５８とを備える。これにより、低抵抗化と共に、高温下での酸化を抑制できる。
【００６３】
疑似発熱チップ４０の裏面側には、絶縁基板４２の下に３０［μｍ］厚程度のＴｉ膜５９を介して成膜された、２［μｍ］厚程度のＡｇ膜６０を備える。
【００６４】
加熱用パターン４６は、図７（ａ）、７（ｂ）に示すように、絶縁基板４２をできるだけ均一に加熱させることが可能なように、熱抵抗測定の観点から最適化された、所定の形状と寸法とを有して形成されている。
【００６５】
即ち、実施形態に係る疑似発熱チップ４０は、加熱用パターン４６に与えられる定常電力Ｑが高精度に制御されることによって、可能な限り均一な高精度の発熱を実現するために、加熱用パターン４６のサイズや屈曲部の曲率などがデザインされている。
【００６６】
特に、評価用試料２０の量産化においては、疑似発熱チップ４０の成膜の条件を揃えることが、熱特性の再現性にとって重要である。
【００６７】
一方、測温用パターン４８は、図７（ａ）、７（ｂ）に示すような寸法と形状とを有して、疑似発熱チップ４０の中央付近に配置されて、加熱用パターン４６の発熱に伴う、疑似発熱チップ４０の代表的な表面温度をより正確に測定できるようになっている。疑似発熱チップ４０の代表的な表面温度を正確に測定できることによって、間接的ではあるが、絶縁基板４２の上昇温度ΔＴ（温度差）を高精度に測定することが可能となる。
【００６８】
また、絶縁基板４２の温度はセラミック配線基板３０へと伝導され、セラミック配線基板３０の温度を上昇させる。従って、絶縁基板４２の上昇温度ΔＴを高精度に測定できるようにすることで、疑似発熱チップ４０からセラミック配線基板３０へと発熱により定量的に伝導される熱量と上昇温度ΔＴとから、疑似的ではあるものの、セラミック配線基板３０の熱抵抗特性（定常熱抵抗値Ｒth＝ΔＴ／Ｑ）を高精度に評価することが可能となる。
【００６９】
なお、図７（ａ）、７（ｂ）における各寸法の単位は［ｍｍ］である。
【００７０】
ここで、加熱用パターン４６に関して、有限要素法（ＦＥＭ）による温度分布及び熱測定のシミュレーションを行った際の結果について説明する。例えば、セラミック配線基板３０の熱抵抗を０．６１５［Ｋ／Ｗ］と仮定し、疑似発熱チップ４０に１００［Ｗ］を通電したところ、加熱用パターン４６での最大温度は１１０［℃］であり、測温用パターン４８での平均温度は大よそ８７［℃］であった。この測温用パターン４８での平均温度から、セラミック配線基板３０の熱抵抗は０．６７［Ｋ／Ｗ］となり、仮定した抵抗値に近い値が得られた。
【００７１】
実施形態においては、疑似発熱チップ４０の裏面側のＡｇ膜６０が、接合用Ａｇペースト２２を介して、セラミック配線基板３０の表面側電極パターン３４のチップボンディングパターン３４ｄｐと接合される。また、各電極部５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂのＡｕ膜５８が、ＡｕワイヤＢＷを介して、セラミック配線基板３０の表面側電極パターン３４のいずれかのパッドボンディングパターン３４ｅｐと接続される。こうして、疑似発熱チップ４０がセラミック配線基板３０の表面に実装されてなる評価用試料２０が構成される。
【００７２】
加熱用パターン４６の各電極部５０ａ、５０ｂが接続されるパッドボンディングパターン３４ｅｐ、３４ｅｐに対しては、加熱電源１４に接続された２本の電極棒１３０が個々に当接される。また、測温用パターン４８の各電極部５２ａ、５２ｂが接続されるパッドボンディングパターン３４ｅｐ、３４ｅｐに対しては、測温センサ１６に接続された２本の電極棒１３０が個々に当接される。
【００７３】
試験時、評価用試料２０は、放熱グリース２４を介して、ヒートシンク１００の上面に配置されるが、熱抵抗特性は、評価用試料２０とヒートシンク１００との間の界面熱抵抗（Ｒth）に依存するため、放熱グリース２４の塗布状態によっては熱抵抗特性をばらつかせる要因となる。
【００７４】
そこで、評価用試料２０に対しては、例えば４本の電極棒１３０により適度な荷重（最大で、７０［Ｎ］程度）をかけることによって、ヒートシンク１００との界面熱抵抗（Ｒth）をより安定させるようにしている。
【００７５】
即ち、界面熱抵抗（Ｒth）は、評価用試料２０をヒートシンク１００に押し付ける際の荷重の大きさに影響される。
【００７６】
そこで、実施形態の評価用試料２０においては、実験（プレ試験）を行って、例えば、定常電力Ｑを１２７［Ｗ］に固定し、荷重を５［Ｎ］から３０［Ｎ］までサイクリックに変化させたところ、荷重を２５〜３０［Ｎ］とした場合に、ヒートシンク１００との界面熱抵抗（Ｒth）が最も安定すること（０．６１〜０．６３［Ｋ／Ｗ］程度）が分かっている。
【００７７】
また、この実験を繰り返し行うことによって、荷重と熱抵抗との間にはサイクル依存性があることや、熱抵抗は、荷重を増加させる場合よりも低下させる場合の方が、より安定することも分かった。
【００７８】
一方、実験により、一定荷重（例えば、３０［Ｎ］）とし、定常電力Ｑを変化させるようにした場合、評価用試料２０とヒートシンク１００との界面熱抵抗（Ｒth）は、定常電力Ｑの増加に伴って収束する傾向を示した。
【００７９】
また、この実験を繰り返し行うことによって、定常電力と熱抵抗との間にはサイクル依存性があることも分かった。
【００８０】
さらに、荷重（例えば、３０［Ｎ］）及び定常電力Ｑの電圧値（例えば、８０［Ｖ］）を一定とした定常状態の評価用試料２０においては、実験の繰り返しにより、ヒートシンク１００との界面熱抵抗（Ｒth）に、測温センサ１６の測定温度（例えば、Ｔ＿Ｐｔ［℃］）がクリティカルに影響していることも推察された。
【００８１】
これらのことから、荷重が大きい程、放熱グリース２４による界面熱抵抗の影響が小さくなり、試験の精度は高くなると推測される。
【００８２】
なお、実施形態においては、疑似発熱チップ４０の測温用パターン４８の温度特性を、例えば評価時の温度に応じて校正可能とすることによって、より高精度な評価を実現できる。
【００８３】
（疑似発熱チップの特性）
ここで、実施形態に係る評価用試料２０における疑似発熱チップ４０の特性について説明する。
【００８４】
図８は、実施形態の評価用試料２０との対比のために、対比例の疑似発熱チップ４０Ａの構成例を示す概略斜視図である。
【００８５】
図８に示す対比例の疑似発熱チップ４０Ａは、加熱用パターン４６Ａの形状が、例えば図５に示した実施形態の疑似発熱チップ４０の加熱用パターン４６の形状と相違しており、それ以外は同様なので詳細な説明は省略する。
【００８６】
即ち、実施形態の疑似発熱チップ４０は、絶縁基板４２をできるだけ均一に加熱させることが可能な所定の形状を有して加熱用パターン４６が形成されているのに対して、対比例の疑似発熱チップ４０Ａは、若干、その点で劣っている。
【００８７】
図９（ａ）は、実施形態の疑似発熱チップ４０における熱抵抗Ｒth［Ｋ／Ｗ］とプローブ温度［℃］との関係のシミュレーション結果を示すグラフであり、図９（ｂ）は、対比例の疑似発熱チップ４０Ａにおける熱抵抗Ｒth［Ｋ／Ｗ］とプローブ温度［℃］との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００８８】
図９（ａ）、９（ｂ）からも明らかなように、実施形態の疑似発熱チップ４０によれば、対比例の疑似発熱チップ４０Ａに比べて、温度分布の改善が可能である。
【００８９】
図１０は、実施形態の疑似発熱チップ４０と対比例の疑似発熱チップ４０Ａの特性について、シミュレーションを行った際の結果として、熱抵抗Ｒth［Ｋ／Ｗ］と計算により求めた熱抵抗（計算値）Ｒcalc［Ｋ／Ｗ］との関係を対比して示すグラフである。
【００９０】
図１０からも明らかなように、実施形態の疑似発熱チップ４０によれば、対比例の疑似発熱チップ４０Ａに比して、予め設定したサンプル熱抵抗（図中に破線で示す）を、より忠実に再現できる。
【００９１】
即ち、実施形態の疑似発熱チップ４０の加熱用パターン４６と対比例の疑似発熱チップ４０Ａの加熱用パターン４６Ａに関して、上述した有限要素法（ＦＥＭ）による温度分布及び熱測定のシミュレーションを行って、例えば、実施形態の疑似発熱チップ４０の疑似発熱チップ４０と対比例の疑似発熱チップ４０Ａの加熱用パターン４０Ａに１００［Ｗ］を通電し、セラミック配線基板３０の熱抵抗を０．６［Ｋ／Ｗ］から２．０［Ｋ／Ｗ］まで変化させたところ、実施形態の疑似発熱チップ４０の方がセラミック配線基板３０の本来の熱抵抗により近似することが分かった。
【００９２】
なお、疑似発熱チップの加熱用パターンとしては様々な形状のデザインが考えられる。図１１は、例えば対比例の疑似発熱チップ４０Ａの加熱用パターン４６Ａに対して、さらに複数のフィン４７を取り付けたフィン付き加熱用パターン４６Ｂを例示している。複数のフィン４７によって、疑似発熱チップでの熱のより均一な拡散が期待できる。
【００９３】
図１２（ａ）、１２（ｂ）は、実施形態の疑似発熱チップ４０の加熱用パターン４６（図７（ｂ）等参照）と図１１のフィン付き加熱用パターン４６Ｂを均一に加熱させた場合（例えば、定常電力Ｑ＝２００［Ｗ］）を対比して示すものである。図１２（ａ）は、実施形態の加熱用パターン４６が配置された疑似発熱チップ４０の上面側と下面側の温度分布を示しめしている。図１２（ｂ）は、図１１のフィン付き加熱用パターン４６Ｂが配置された疑似発熱チップの上面側と下面側の温度分布を示している。
【００９４】
図１２（ｂ）からも明らかなように、フィンのない実施形態の加熱用パターン４６よりも、複数のフィン４７が取り付けられたフィン付き加熱用パターン４６Ｂの方が、疑似発熱チップを全体的に加熱でき、特に、上面側をより均一に加熱させることが可能である。
【００９５】
ここで、実施形態の加熱用パターン４６において、さらに複数のフィン４７を取り付けたフィン付き加熱用パターンとすることもできる。
【００９６】
（評価のための試験）
以上のことから、実施形態の疑似発熱チップ４０を実装した評価用試料２０を用いて基板評価装置１によりセラミック配線基板３０の熱特性を評価するための試験を実施することによって、セラミック配線基板３０の定常熱抵抗特性を精度良く評価することが可能となる。
【００９７】
即ち、実施形態の基板評価装置１においては、まず、ヒートシンク１００の表面に評価用試料２０が配置された後、操作者によって、操作ハンドル１５４が操作される。操作時、荷重センサ素子１８ａによって検出される荷重が、荷重センサ指示計１８をモニタしながら調整されることにより、支持剛体１４０に対して、所定の荷重（例えば、３０［Ｎ］）がかけられる。この荷重に応じて、電極棒１３０によって評価用試料２０が所定の温度（例えば、２５［℃］）に恒温制御されたヒートシンク１００に押し付けられる。
【００９８】
この状態において、加熱電源１４によって、これに接続された２本の電極棒１３０を介して、評価用試料２０に加熱用の定常電力Ｑ（例えば、２００［Ｗ］程度）での通電が行われる。この定常電力Ｑの通電に応じて、例えば、評価用試料２０の疑似発熱チップ４０がジュール熱により加熱されることによって、加熱用パターン４６の発熱に伴って絶縁基板４２が加熱される。
【００９９】
そして、通電の開始から所定時間が経過し、定常状態になったところで、評価用試料２０における疑似発熱チップ４０の表面温度が、測温用パターン４８及び測温センサ１６に接続された２本の電極棒１３０を介して、測温センサ１６によって測定される。これにより、絶縁基板４２の上昇温度ΔＴの測定が間接的に可能となる。
【０１００】
ここで、定常状態でのセラミック配線基板３０の厚さ方向の温度勾配（上昇温度）がΔＴ［℃］になったとすると、セラミック配線基板３０の熱抵抗Ｒth［Ｋ／Ｗ］は、下記式（１）より求められる。
【０１０１】
Ｒth = ΔＴ／Ｑ  …  （１）
ここで、Ｑは、疑似発熱チップ４０の発熱量、つまりは通電時の定常電力［Ｗ］である。
【０１０２】
以上により、絶縁基板４２の上昇温度ΔＴが測定されることによって、この上昇温度ΔＴと定常電力Ｑとから、セラミック配線基板３０の定常熱抵抗値Ｒthが求められる。
【０１０３】
定常熱抵抗値Ｒthは、例えば、基板評価装置１を制御するコンピュータ（図示省略）などによって自動的に算出されるようにすることで、実際のパワーモジュールを実際に駆動させた場合とほぼ同様な状態での、セラミック配線基板３０の熱特性の評価が疑似的に可能となる。その結果、セラミック配線基板３０の熱特性の高精度な評価と、その標準的な方法の確立とを容易に実現できる。
【０１０４】
実施形態に係る評価用試料２０及び基板評価装置１によれば、評価用試料２０を可能な限り均一に発熱させると同時に、疑似発熱チップ４０の表面の代表的な温度を測定することによって、セラミック配線基板３０の上昇温度をより正確に測定することが可能となる。従って、セラミック配線基板３０の定常熱抵抗特性を精度良く評価でき、評価の標準化が容易に可能となる。
【０１０５】
特に、実施形態においては、電力供給と抵抗測定のための電極棒１３０を介して評価用試料２０に荷重を加えるようにしたので、簡素な構成でありながら、評価のための試験を高精度に行うことができる。
【０１０６】
しかも、各電極棒１３０の当接部１３２の、各パッドボンディングパターン３４ｅｐとの電気的・熱的な接触が最小限の面積となるようにしている。これにより、温度測定の精度が低下されるのを抑制でき、評価の精度の改善が可能となる。
【０１０７】
また、実施形態によれば、評価用試料２０を押し付ける際の荷重を正確に検出できるため、ヒートシンク１００とセラミック配線基板３０との界面熱抵抗Ｒthを高精度に制御可能である。
【０１０８】
実施形態に係る評価用試料２０及び基板評価装置１によれば、定常熱抵抗特性に限らず、例えば、セラミック配線基板３０の放熱特性や熱衝撃特性などの試験にも適用することが可能である。
【０１０９】
なお、測温用パターン４８による疑似発熱チップ４０の表面温度の測定を必要としない場合には、疑似発熱チップ４０の構成から、測温用パターン４８と、測温用パターン４８の両端部に形成された電極部５２ａ、５２ｂとを省略しても良い。
【０１１０】
また、対流の影響を受けないようにするために、周囲をカバー部材（図示省略）で囲うようにしても良い。
【０１１１】
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、実施形態は一例であり、特許請求の範囲に記載される発明の範囲は、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更できるものである。
【図１】
2019163862.tif 000003
【図２】
2019163862.tif 000004
【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】
2019163862.tif 000009
【図８】
2019163862.tif 000010
【図９】
2019163862.tif 000011
【図１０】
2019163862.tif 000012
【図１１】
2019163862.tif 000013
【図１２】
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【国際調査報告】
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2019163862.tif 000016
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