平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

テストトレー上で BI テストを低消費コスト，省スペースで実現する手段の研究開発―自己発熱型デバイス対応温調プレートの温度分布評価－
橋口智和*・大塚裕俊*・水江宏*・清水慎吾*・宮川末晴***

機械・金属担当・**合同会社 PLESON

Development of Burn-in Test Stage Unit with Low Cost and Space-Saving Design―Temperature Distribution Assessment of the Plate used to Self-Heating Type Device―
Tomokazu HASHIGUCHI*・Hirotoshi OTSUKA*・Hiroshi MIZUE*・Shingo SHIMIZU*・Sueharu MIYAKAWA***

Mechanical and Metallurgical Engineering Group・**PLESON LLC

要 旨
自己発熱型デバイスに対応した温調プレートの形状・材質の検討に CAE（Computer Aided Engineering）による伝熱解析を用い，その結果から試作した温調プレートの温度分布評価を行なった．その結果，温調プレートの温度分布を目標範囲に収めるデバイス発熱量の許容値は 2.5W/device 程度であり，プレート全体を均一に冷却することができれば更に高い発熱量のデバイスに対応できる可能性が示された．また，デバイスの発熱バラツキによる温度分布への影響についても調査した．

1.

はじめにに示す．温調プレートは側面図の上から，トレーベース大部分の半導体デバイスはバーンイン（以後，BI と呼板，プレート，ヒーター，押さえ板の順となっている．

ぶ）テストを行なって出荷されている.このテストは，専

この温調プレートを基礎に，今回検討した材質と形状の用の装置により出荷前のデバイスに温度や電圧などの環模式図を Fig.2 に示す．プレートの材質は熱伝導性の高境負荷をかけ，初期不良品を取り除く非常に重要な評価

いアルミニウムと銅を，そして形状はプレートとヒータ試験である.しかし，従来の BI テスト装置ではソケットーの間に 10mm のアルミ板を挟み込んだものとし，これら起因の実装数の制限，温度分布精度の低さによる試験時の組み合わせ 4 つのモデルを検討した．

間の増大，長い昇・降温時間による装置稼働率の低さ等，消費コストが多大であることが課題であった.
そこで，H23 年度から合同会社 PLESON は上記課題を解決するために，テストトレー上で BI テストを低消費コスト・省スペースで実現する手段の開発を行い，従来の BIテストにおける温度分布精度 125±3℃を満たす試作機を完成させた．昨年度に試作機であるテストステージユ

トレーベース板
プレート

ニットの性能評価を基に，いくつかの課題や新たな製品ヒーター押さえ板価値が抽出されたため，本年度はこれら問題の解決を目

Fig.1

的に研究開発を進めた．センターでは，自己発熱デバイ

プレート材質温調プレートの構成
形状ス対応として試作した温調プレートの温度評価を担当しアルミたので，本報ではこれらの結果について報告する．

10mmアルミ板

2.
2.1

最適なプレート材質および形状の設定
プレート材質と形状の検討
銅温調プレートの最適な材質と形状を検討するために，10mmアルミ板

Computer Aided Engineering （以降，CAE と呼ぶ）を用いた．ここで，試作した温調プレートの構成図を Fig.1

Fig.2

27

検討したプレート材質と形状

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

2.2

伝熱解析

200
温調プレート

伝熱解析を行うソフトには ANSYS 11.0 を用いた．解析デバイス

モデルの俯瞰図を Fig.3 に示す．
発熱量 (W)

150

モデルはプレートがほぼ対称形であるので，1/2 モデルとした.また，チャンバー枠，基盤を取り付け，そして自己発熱デバイス（30mm×30mm×4mm）をトレーベース板

10050上に等間隔で 12 個配置した．
ANSYS の伝熱解析には定常応答と過渡応答（時刻歴）0の 2 種類あるが，発熱によるプレートの温度履歴を見る

0500

1000

1500

2000

時間 (s)ために，過渡応答にて検討した．デバイスと温調プレー
トの熱量は，材質と形状の特性を顕著に表すため，Fig.4

Fig.4

ヒーターおよびデバイスの発熱パターンで示す発熱パターンとして入力した．
解析に必要な材質の物性値（熱伝導率，比熱，密度）2.3

解析結果

は，ソフトウェア内の材料データを利用した．輻射率は過渡応答の結果を Fig.5 に，発熱後 2000s の 4 つのモモデルと同種のアルミ材（A 5052 番）と銅材（無垢銅）デルにおけるプレート表面温度を Table 1 に示す．ここをサーモグラフィ（日本アビオニクス(株)製

でプレート表面温度はトレーベース板の最大温度である．

TVS-8200MK）と K 熱電対（理化学工業製 ST-60K）で計測

過渡応答では発熱に対する応答性はアルミプレートのした温度補正により求め，それぞれ Al=0.09 と Cu=0.02

みが最も良く，プレート銅＋10mm アルミ板の温調プレーの値を用いた．雰囲気温度は 21℃とした．熱伝達率は，トが最も悪いことがわかった．また，急な外乱（温調プ空気とプレートが接触する部分に設定し，以下の①チャレートのヒーター熱量を 0 とした部分）を加えた時も同ンバー内部，②プレート-床間の空気にふれる部分，③そ様な傾向となった．プレートの温度分布幅は，アルミよれ以外の部分に分けて入力した．熱伝達係数は以下の式

り銅の方が小さく，10mm アルミ板を加えたものはさらに(1)で求められる．

温度分布が小さくなっている．

hout

NulL

以上の結果から，自己発熱型デバイスに対応できる温・・・・・(1)調プレートの材質・形状は銅のプレートに 10mm アルミ板

ここで，L は代表長さ， は空気の熱伝導率，Nul は平を追加すると良いことがわかった．しかしながら，銅は均ヌセルト数である．1)の熱伝達は自然対流と仮定し，アルミより高価で加工性も悪く，なおかつ重さもアルミ

1)(2)～(4)の式 により平均ヌセルト数を求めた．

Nu l0.60 Ra

1/ 5lの約 3 倍あるため，実用的ではない事から，アルミのプレートに 10mm アルミ板を加えたものを試作することに・・・・・(2)Ra Gr･Prg Tw T L3GrLした．

・・・・・(3)200・・・・・(4)プレート表面温度 (℃)

Pr はプラントル数=0.7，g は重力加速度=9.81m/s2，は空気の動粘性係数， は体膨張係数， Tw はプレートの温度，T は空気の温度である．②，③の熱伝達については，当てはまる経験式が見あたらなかったため，ソフトウェア内にある空気の熱伝達データを用いた．

プレート(アルミ)150

プレート(銅)100
プレート(アルミ)+アルミ板10mm

プレート(銅)+アルミ板10mm

500

デバイス

0500

1000

1500

2000

時間 (s)

Fig.5

各プレートの過渡応答（プレート表面温度）

Table 1
チャンバー枠

Fig.3

解析モデル

28

各プレートの温度分布幅（2000s 後）

材質・形状

プレートのみ（アルミ）

プレートのみ（銅）プレート（アルミ）＋10mmアルミ板

プレート(銅)＋10mmアルミ板

温度分布幅

2.3℃

1.4℃

1.5℃

1.1℃

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3.
3.1

試作機の温度分布評価

果から，温度分布精度を保てるデバイス発熱量は試作機の評価方法

2.5W/device までである．温度分布幅は許容値よりもま試作した温調プレート評価の様子を Fig.6 に示す．ヒだ余裕があることから，プレート全体を均一に冷却するーター端部は温度コントローラを介して電源と繋がってことができればさらに高い発熱量のデバイスに対応できいる．温度制御は通常 BI テストを行なう 125℃に保持する可能性が示された．

るよう設定した．また，制御用温度センサーはプレート

Fig.9 にグループ毎に発熱量を変化させた場合の評価中央部に設置してある．

結果を示す．許容範囲は，すべてのグループにおいて収自己発熱型デバイスは，実際の製品を用いることが評まっていることがわかる．また，温度分布幅はグループ価の性質上困難であった．そこで，30mm×30mm×2mm のA，D=1.7W/device のものは，他のグループを 1.7W/device

アルミ板 2 枚の間に 30mm×30mm×0.2mm のフィルムヒーにしたものより若干広くなる傾向が見られたが，ほとん

ターを挟込みデバイスの発熱構造と近しい発熱体を作成

ど影響は無い．したがって，この試作機はこの程度の発し，これを用いた(以降，デバイスと呼ぶ)．なお，デバ

熱バラツキでは，温度分布精度に支障は出ないことがわ

イスは発熱量を変化できるよう安定化電源につないだ．

かった．今回は温調プレートの表面温分布が最も悪くな

プレートの温度分布測定には，K 熱電対（理化学工業製

るデバイス発熱パターン（中央部分デバイスのみ発熱）ST-55K）をトレーベース板へ Fig.6 に示す 8 ヵ所に取りを行っていない．温調プレートに冷却機能を取り付けた付け，ロガー（キーエンス製 NR-TH8）にて読み取った．

評価も含めて，今後実施したい．

なお，温調プレートの温度分布精度の目標値は，従来 BIテストと同等の 125±3℃とした．
3.2

評価手順

自己発熱型デバイスをテストした場合の試作機の温度8分布精度に与える影響を評価するために，以下の２つの4567123手順で評価を行なった．
まず，温調プレートに設置した全てのデバイスの 1 個当たり発熱量を 0，1.6，1.9，2.2，2.5，2.7W/device

Fig.6

評価の様子

ABと段階的に上昇させて評価を行なった．そして，デバイスの個体差による発熱バラツキの影響を調べるため，デGroupC

D

バイスを其々A，B，C，D の 4 つのグループに分け，1 グ
ループをデバイス 1 個当たり発熱量 1.7W/device に，その他のグループは 2.2W/device として評価を行なった．
グループにした理由は，発熱のバラツキ量を顕著にするためである．例に，A グループ 1.7W/device-その他グル
1.7W/device

ープ 2.2W/device の模式図を Fig.7 に示す．

Fig.7
3.3

2.2W/device

デバイスのグループ分け模式図

評価結果

Fig.8 にデバイス発熱量をそれぞれ 0，1.6，1.9，2.2，

129

2.5，2.7W/device と変化させた場合の評価結果を示す．

0W

1.6W

1.9W2.2W

2.5W

2.7W

①②③④⑤⑥⑦⑧128

プレート表面温度 (℃)

プレート表面温度はデバイス発熱量が上昇するにしたがって増加している．また，温度分布幅も発熱量の増加に伴い僅かに広がる傾向となることがわかった．目標の温度 許 容範囲 125±3℃ に収ま る デバ イス 発熱 量は 0～2.5W/device までであった．また，2.7W/device では目標範囲を超えて急激に温度上昇した．これは，解析から予127126125124123122

測された発熱に対する速い応答性が要因と考えられる．

40004600

5200

5800

6400

7000

7600

時間 (s)

また，プレート表面の温度分布幅は発熱量の増加に伴って微増しているが，約 2℃以下に収まった．以上の結Fig.829

デバイス発熱量を変化させた評価結果

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プレート表面温度 (℃)

128GroupDGroupAGroupB GroupC127①②③④⑤⑥⑦⑧1261251241231225200

5800

6400

7000

7600

8200

時間 (s)

Fig.9

デバイスの発熱バラツキを考慮した評価結果

4.

おわりにCAE による伝熱解析を用いて仕様の検討，試作した自己発熱デバイス対応温調プレートの温度分布評価を行ない，以下の結論を得た．
1) 試作機のデバイス発熱量の許容値は約 2.5W/deviceである．プレート全体を均一に冷却することができれば，更に高い発熱量のデバイスに対応できることを示
唆した．
2)

試作機は 0.5W 程度の発熱バラツキでは，温度分布精度に支障が出ないことがわかった．

追記

本研究は，平成 24 年度大分県 LSI クラスター研究開発事により実施しました．

参考文献(1) 日本機械学会：伝熱資料第 5 版, 丸善(株) , 200930