(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-17
(45)【発行日】2023-02-28
(54)【発明の名称】試験装置
(51)【国際特許分類】
G01N 25/18 20060101AFI20230220BHJP
G01R 31/26 20200101ALI20230220BHJP
【ＦＩ】
G01N25/18 E
G01R31/26 Z
G01R31/26 A
G01R31/26 B
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021139239
(22)【出願日】2021-08-27
【審査請求日】2021-08-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000114891
【氏名又は名称】ヤマト科学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】若杉 直樹
(72)【発明者】
【氏名】大串 哲朗
(72)【発明者】
【氏名】長尾 至成
【審査官】外川 敬之
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第１００４１８９４（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】国際公開第２０１９／１６３８６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－１１７９３９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２５／１８
Ｇ０１Ｒ ３１／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁基板が搭載される搭載部と、前記搭載部に搭載された前記絶縁基板の表面に配置された発熱部材を発熱させるための発熱部と、
前記搭載部を介して、前記絶縁基板を冷却する冷却部と、
前記発熱部材を前記発熱部により発熱させることによって前記絶縁基板の中央部分を加熱させるとともに、前記絶縁基板の周縁部分を前記冷却部によって冷却させた際に生じる、前記絶縁基板の水平方向の温度差を測定する測定部と、
を備え、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価する試験装置であって、
前記絶縁基板は、セラミック薄板の両面に金属層が設けられたメタライズセラミック基板であり、
前記発熱部材は、前記メタライズセラミック基板の表面側に実装された疑似発熱チップであることを特徴とする試験装置。
【請求項2】
絶縁基板が搭載される搭載部と、前記搭載部に搭載された前記絶縁基板の表面に配置された発熱部材を発熱させるための発熱部と、
前記搭載部を介して、前記絶縁基板を冷却する冷却部と、
前記発熱部材を前記発熱部により発熱させることによって前記絶縁基板の中央部分を加熱させるとともに、前記絶縁基板の周縁部分を前記冷却部によって冷却させた際に生じる、前記絶縁基板の水平方向の温度差を測定する測定部と、
を備え、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価する試験装置であって、
前記搭載部は、前記絶縁基板の裏面側の周縁部分を除く部分と接触しないようにするための空気層が形成される凹部を備えた、水冷構造の冷却プレートであることを特徴とする試験装置。
【請求項3】
絶縁基板が搭載される搭載部と、前記搭載部に搭載された前記絶縁基板の表面に配置された発熱部材を発熱させるための発熱部と、
前記搭載部を介して、前記絶縁基板を冷却する冷却部と、
前記発熱部材を前記発熱部により発熱させることによって前記絶縁基板の中央部分を加熱させるとともに、前記絶縁基板の周縁部分を前記冷却部によって冷却させた際に生じる、前記絶縁基板の水平方向の温度差を測定する測定部と、
を備え、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価する試験装置であって、
前記測定部は、サーモカメラを用いて、前記絶縁基板の表面温度分布を測定することを特徴とする試験装置。
【請求項4】
絶縁基板が搭載される搭載部と、前記搭載部に搭載された前記絶縁基板の表面に配置された発熱部材を発熱させるための発熱部と、
前記搭載部を介して、前記絶縁基板を冷却する冷却部と、
前記発熱部材を前記発熱部により発熱させることによって前記絶縁基板の中央部分を加熱させるとともに、前記絶縁基板の周縁部分を前記冷却部によって冷却させた際に生じる、前記絶縁基板の水平方向の温度差を測定する測定部と、
を備え、
前記測定部の測定結果に基づいて、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価する試験装置であって、
前記搭載部は、前記冷却部となる外部密閉式恒温水循環装置を備えた冷水プレートであり、
前記冷水プレート上には、前記絶縁基板の裏面側の周縁部分を除く部分と接触しないようにするための空気層が形成されるように、接続部材を介して、前記絶縁基板が搭載されることを特徴とする試験装置。
【請求項5】
前記接続部材は、ＴＩＭによって枠形状の冷却層の上下面を挟持した構成とされていることを特徴とする請求項４に記載の試験装置。
【請求項6】
前記搭載部の表面温度を検出するための検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の試験装置。
【請求項7】
前記絶縁基板の中央から周縁までの間の温度差を前記発熱部材の発熱量で除した熱抵抗によって、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価する評価部をさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の試験装置。
【請求項8】
前記評価部は、片対数プロットから求められる直線の勾配ａに基づいて、下記式（８）より評価対象の前記絶縁基板の熱伝導率を求めることを特徴とする請求項７に記載の試験装置。【数5】
【請求項9】
前記評価部は、温度プロファイルの２点間の距離と温度差とに基づいて、下記式（１０）より評価対象の前記絶縁基板の熱伝導率を求めることを特徴とする請求項７に記載の試験装置。【数7】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パワー半導体素子を実装可能な絶縁基板（試験片）の面内方向の熱伝達特性を評価する熱特性評価装置などに適用可能な試験装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球温暖化対策の観点から、電気エネルギーはますます主要なエネルギー利用形態となってきた。特に、その発電、送電、蓄電、利用の全てにおいて、電力変換技術は重要な役目を担っており、半導体素子を用いて電力の変換と制御とを高効率で行うパワーモジュールは極めて重要な技術となってきている。
【0003】
パワーモジュールを構成する半導体素子にあっては、長らくシリコン（Ｓｉ）が主役を務めてきた。さらなる省エネ化、高出力化、高速動作化などの点から、次世代のパワー半導体素子においては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やガリウムナイトライド（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体が大きな期待を集めている。次世代のパワー半導体素子を用いたパワーモジュールでは、高出力・高エネルギー密度化とともに、その特性を活かして高温動作化も想定されており、従来にも増して放熱設計が重要となってきている。
【0004】
特に、高出力パワーモジュールにおいては、電気的絶縁の役割を担う実装基板（絶縁基板）は重要な構成部材の一つである。パワーモジュールの高出力・高エネルギー密度化に伴い、実装されるパワー半導体素子の発熱量や発熱密度はますます高くなり、絶縁基板としてのセラミック基板にはより高い熱伝導率が求められている。
【0005】
なお、構成材料間の界面熱抵抗を小さくするため、セラミック基板には、金属層（電極パターン）が高温で接合される。このようなセラミック基板は高い放熱性を有し、メタライズセラミック基板と呼ばれている。
【0006】
メタライズセラミック基板を構成する個々の材料の熱特性（熱拡散率や熱伝導率など）を測定する手法は、既に、国際標準化機構（ＩＳＯ）や日本産業規格（ＪＩＳ）として規格化されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【文献】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】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、メタライズセラミック基板の熱特性、特に、パワー半導体素子を実装した状態での水平（面内）方向の熱伝達特性を評価する方法は確立されておらず、パワーモジュールを設計する上での課題となっている。
【0009】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、絶縁基板の熱特性を容易に評価でき、パワーモジュールの設計にも寄与することが可能な試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を達成するため、本発明の態様は、絶縁基板の熱伝達特性を評価するための試験装置であって、前記絶縁基板が搭載される搭載部と、前記搭載部に搭載された前記絶縁基板上に配置された発熱部材を発熱させるための発熱部と、前記搭載部を介して、前記絶縁基板を冷却する冷却部と、前記発熱部材を前記発熱部により発熱させることによって前記絶縁基板の中央部分を加熱させるとともに、前記絶縁基板の周縁部分を前記冷却部によって冷却させた際に生じる、前記絶縁基板の水平方向の温度差を測定する測定部と、を備え、前記測定部の測定結果に基づいて、前記絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明の態様によれば、絶縁基板の熱特性、特に、メタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性を容易に評価でき、パワーモジュールの設計にも寄与することが可能な試験装置を提供できる。
【0012】
なお、以下に説明する実施形態においては、例えば、ＩＳＯによって承認済みのパワーエレクトロニクス（パワエレ）基板の垂直方向の熱抵抗測定法を継承しつつ、メタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性についての評価法の標準化を目指す。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本実施形態に係る熱特性評価装置の構成例を示す概略図である。
【図4】（ａ）は、評価用モジュールの搭載例を示す要部の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＶｂ－ＩＶｂ線に沿って評価用モジュールを断面にして示す斜視図である。
【図5】評価用モジュールの温度分布の一例を示すコンター図（等値線図）であって、（ａ）は、チップ表面の温度分布を示す図であり、（ｂ）は、チップ断面の温度分布を示す図である。
【図6】円板を例に、熱の伝わり方を模式的に示す特性図である。
【図7】有限要素法（ＦＥＭ）解析の結果を例示するグラフであり、（ａ）は、評価用モジュールの表面温度プロファイルを、（ｂ）は、評価用モジュールの中心からの距離と温度との関係を示す片ログ（対数）プロットである。
【図8】ＦＥＭ解析に用いた装置の概略構成を示す図である。
【図9】ＦＥＭ解析で用いられるＴＥＧ部品の温度分布プロファイルを例示するコンター図である。
【図10A】第１試料を例に、ラインプロファイルＡにおける表面温度プロファイルを対比して示す図である。
【図10B】第２試料を例に、ラインプロファイルＡにおける表面温度プロファイルを対比して示す図である。
【図10C】第３試料を例に、ラインプロファイルＡにおける表面温度プロファイルを対比して示す図である。
【図10D】第４試料を例に、ラインプロファイルＡにおける表面温度プロファイルを対比して示す図である。
【図11】熱電対モジュールを用いて、ＴＥＧ部品の表面温度を測定する装置の概略図である。
【図12】熱電対モジュールの構成例を示すもので、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。
【図13】熱電対モジュールによる温度測定位置を例示するＴＥＧ部品の平面図である。
【図14】熱電対モジュールの位置ずれの影響を考察するためのシミュレーションの結果を例示する図である。
【図15】（ａ）～（ｄ）は、それぞれシミュレーションの結果を対比して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に、本発明の一実施形態に係る熱特性評価装置（試験装置）について、図面を参照して説明する。
【0015】
ここでは、ＩＳＯによって承認済みのパワエレ基板の垂直方向の熱抵抗測定法を継承しつつ、メタライズセラミック基板（絶縁基板）の面内方向の熱伝達特性を評価する手法について説明する。
【0016】
即ち、前回（２０１７年度～２０１９年度）の「次世代パワエレ基板の熱特性評価方法に関する国際標準化」事業にて検討してきた、疑似発熱チップを実装したセラミック基板を冷却プレートに搭載した状態において、疑似発熱チップの発熱量並びに疑似発熱チップと冷却プレートとの温度差から、セラミック基板を含むデバイスの垂直方向の実効的な熱抵抗を測定する手法については、既に、ＩＳＯ／専門委員会（ＴＣ）２０６にて新規の業務項目提案（ＮＰ－４８２５１）として承認されている。
【0017】
そこで、本実施形態に係る熱特性評価装置においては、例えば、本出願の発明者らによって特許出願された、疑似発熱チップを実装したセラミック基板の垂直方向の熱抵抗測定法として例示の、基板評価装置（再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）をできるだけ共有する形で実現するようにした場合について説明する。
【0018】
なお、上記の公報に開示された基板評価装置は、疑似発熱チップの発熱量Ｑと疑似発熱チップと冷却プレートとの温度差ΔＴから、実装を模した状態での界面熱抵抗Ｒｔｈ＝Δ／Ｑを算出する。そして、その熱抵抗Ｒｔｈを主要な指標として、セラミック基板の垂直方向の熱伝達特性を評価するようにしたものである。つまり、垂直方向の熱伝達特性とは、疑似発熱チップの発熱量Ｑと熱抵抗Ｒｔｈとからチップ温度（いわゆる、ジャンクション温度に相当）を推測することに基づいた、実用性に重点をおいた指標である。
【0019】
（熱特性評価装置の構成）
図１は、本実施形態に係る熱特性評価装置の構成例を概略的に示すものである。
図１は、本実施形態に係る熱特性評価装置の構成例を概略的に示すものである。
【0020】
この熱特性評価装置は、例えば図１に示すように、平板四角形状の試験片であるメタライズセラミック基板３０上に発熱部材としてのヒータチップ（疑似発熱チップ）２０が実装されてなるパワーモジュールを評価用試料１０として用いて、図中に矢印で示す、面内方向の熱伝達特性を評価するための試験を行うものである。
【0021】
即ち、熱特性評価装置は、荷重印加用の荷重制御部（サンプルホルダ）１と、冷却部としての恒温水循環装置１２と、発熱部としての直流安定化電源１４と、温度測定器（熱電対）１６ａ，１６ｂやサーモカメラ（ＩＲカメラ）１８と、を備える。温度測定器１６ｂまたはサーモカメラ１８によって測定部が、温度測定器１６ａによって検出部が、それぞれ構成されている。
【0022】
なお、評価用試料１０の詳細については、後述する。
【0023】
荷重制御部１は、搭載される評価用試料１０を冷却するための、例えば銅（Ｃｕ）製の水冷式のヒートシンク（搭載部）１００を備える。ヒートシンク１００は、例えば外部密閉式の恒温水循環装置１２によって所定の温度に恒温制御された冷媒（冷却水）１２ｗが循環する循環路（図示省略）を有した水冷構造の冷却プレート（冷却プレート）である。
【0024】
ヒートシンク１００は、その表面部に、搭載される評価用試料１０のメタライズセラミック基板３０の裏面側からの放熱を抑えつつ、面内方向に対する熱伝達特性を確保するための、例えば１ｍｍ程度の深さの空洞部（凹部）１０２が設けられている。そして、空洞部１０２に近接するヒートシンク１００の周辺部は、例えば、放熱グリースＳＧなどを介して、搭載される評価用試料１０のメタライズセラミック基板３０の裏面側の周縁部分を保持するための、重なり部１０４として機能する。
【0025】
ここで、熱特性評価装置は、具体的な構成を開示していないものの、上述した基板評価装置（例えば、再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）に準拠した構成とされている。
【0026】
即ち、ヒートシンク１００には、評価用試料１０の周囲を取り囲むようにして、例えば８本の支柱（図示省略）がほぼ等間隔で設けられている。この支柱によって、評価用試料１０の上方において、絶縁性の支持板（図示省略）が支持されるようになっている。
【0027】
支持板には、荷重制御用のネジ付きシャフト（図示省略）の回転により評価用試料１０に所定の荷重［Ｎ］を加えるための支持剛体（図示省略）や、例えば４本の電極棒１３０が共通に支持されている。
【0028】
各電極棒１３０は、それぞれの先端側の下端部に、評価用試料１０との接触部分である当接面が半球状とされた当接部１３２が設けられている。
【0029】
本実施形態に係る熱特性評価装置においては、４本の電極棒１３０によって評価用試料１０をヒートシンク１００に押し付けた状態で、直流安定化電源１４による評価用試料１０への加熱用の定常電力Ｑ［Ｗ］の供給（通電）が行われる。そして、サーモカメラ１８または温度測定器１６ｂによって評価用試料１０の表面の温度分布が、また、温度測定器１６ａによってヒートシンク１００の重なり部１０４の温度が、それぞれ測定される。
【0030】
なお、恒温水循環装置１２としては、評価用試料１０の発熱量に対して十分な冷却能力（例えば、２５０Ｗ、５．４Ｌ／ｍｉｎ）を備えたものが用いられる。
【0031】
また、本実施形態に係る熱特性評価装置としては、例えば、サーモカメラ１８の測定結果に基づいて、メタライズセラミック基板３０の面内方向の熱伝達特性を評価する評価部２を備えるものであっても良い。評価部２は、周知のパーソナルコンピュータ（パソコン）などにより構成可能であり、熱特性評価装置を制御する制御装置（図示省略）と兼用させることも可能である。
【0032】
【0033】
図２に示すように、評価用試料１０は、メタライズセラミック基板３０の裏面の電極パターン（金属層）３４ｂｐ側が、例えば放熱グリースＳＧを介して、ヒートシンク１００の上面に搭載される。放熱グリースＳＧ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ースである。
【0034】
詳細については後述するが、評価用試料１０は、メタライズセラミック基板３０と、例えば接合用ＡｇペーストＨＰを介して、このメタライズセラミック基板３０上に実装されたヒータチップ２０と、ボンディング用のワイヤ（Ａｕワイヤなど）２４と、を有して構成されている。
【0035】
そして、評価（試験）時には、評価用試料１０のメタライズセラミック基板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の重なり部１０４に押し付けられた状態において、評価用試料１０がＴＥＧ（Test Engineering Group）部品として実際に駆動される。
【0036】
即ち、メタライズセラミック基板３０上に実装されたヒータチップ２０は、直流安定化電源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、２００Ｗ／２５ｍｍ２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］）となるように加熱される。
【0037】
なお、ヒートシンク１００は、評価時に、恒温水循環装置１２によって所定の温度（例えば、２５℃）に恒温制御される。これにより、評価用試料１０のメタライズセラミック基板３０の裏面側の周縁部分が、ヒートシンク１００の重なり部１０４を介して直接的に冷却されるとともに、それ以外の部分からの放熱が、空洞部１０２内の空気層によって抑えられる。
【0038】
評価用試料１０において、メタライズセラミック基板３０は、例えば、次世代ＷＢＧパワー半導体素子を実装可能なＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板であって、セラミックス製の薄板（以下、セラミック薄板ともいう）３２と、そのセラミック薄板３２の一方面（表面）に形成された回路層としての表面側のＣｕ電極パターン（金属層）３４と、セラミック薄板３２の他方面（裏面）に形成された回路層としての裏面側のＣｕ電極パターン（金属層）３４ｂｐと、を備える。
【0039】
セラミック薄板３２には、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、または、Ａｌ２Ｏ３などが材料として用いられる。
【0040】
表面側のＣｕ電極パターン３４は、Ｃｕ薄膜からなり、ヒータチップ２０が接合されるチップボンディングパターン（ダイパッドともいう）３４ｄｐと、各電極棒１３０の当接部１３２が当接されるとともに、Ａｕワイヤ２４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。
【0041】
表面側のＣｕ電極パターン３４としては、例えば図３（ａ），（ｃ）に示すように、セラミック薄板３２の中央部分に、セラミック薄板３２の水平および垂直方向に対してほぼ十字形状を有する１つのチップボンディングパターン３４ｄｐが配置されている。また、セラミック薄板３２の中央部分を除く、周辺部分の各角部に、ほぼ四角形状を有する４つのパッドボンディングパターン３４ｅｐが配置されている。
【0042】
裏面側のＣｕ電極パターン３４ｂｐは、例えば図３（ｂ），（ｃ）に示すように、Ｃｕ薄膜からなり、セラミック薄板３２の裏面側のほぼ全面に配置されている。
【0043】
各Ｃｕ電極パターン３４ｄｐ，３４ｅｐ，３４ｂｐは、部材間の界面熱抵抗を小さくするために、セラミック薄板３２に対して高温接合されて形成される。
【0044】
そして、評価用試料１０は、例えば図２に示したように、チップボンディングパターン３４ｄｐ上に接合用ＡｇペーストＨＰを介してヒータチップ２０が接合される。また、各パッドボンディングパターン３４ｅｐに、ヒータチップ２０の各電極部（電極パッドともいう）２２がＡｕワイヤ２４を介して接続されるとともに、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。
【0045】
ここで、評価用試料１０においては、メタライズセラミック基板３０のサイズが３０ｍｍ角程度とされるとともに、パッドボンディングパターン３４ｅｐおよびヒータチップ２０のサイズが５ｍｍ角程度とされている。また、ヒータチップ２０の厚さは０．３５ｍｍ程度である。
【0046】
なお、便宜上、各Ａｕワイヤ２４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。
【0047】
また、メタライズセラミック基板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。
【0048】
また、評価用試料１０において、表面側のＣｕ電極パターン３４のパターン形状（デザイン）は、そのパターン形状によって変化する、メタライズセラミック基板３０内の熱流路の影響を考慮して最適化するのが望ましい。
【0049】
一方、評価用試料１０において、ヒータチップ２０としては、例えば、既知の基板評価装置（再公表 WO2019／163862号公報参照）に開示の疑似発熱チップを転用可能である。即ち、ヒータチップ２０は、図示していないが絶縁性の半導体層（基板）上にＰｔ薄膜などの金属膜によって平坦に形成された、ほぼＭ字形状の加熱用パターン（ヒータパターンとも称する）を備える。また、絶縁性の半導体層上には、加熱用パターンの各電極部（図示省略）が設けられている。
【0050】
ヒータチップ２０において、絶縁性の半導体層は、熱伝導率を大よそ２５０Ｗ／ｍ・Ｋ前後（少なくとも２５０Ｗ／ｍ・Ｋ、好ましくは４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度）とすることによって、発熱によるほぼ全ての熱量をメタライズセラミック基板３０へと効率的に伝導させることが可能である。
【0051】
また、絶縁性の半導体層としては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膜など）を形成することによって、絶縁性の半導体層における耐圧の確保が可能である。
【0052】
即ち、本実施形態に係るヒータチップ２０は、例えば、ｎドープ型のＳｉＣ系単結晶基板からなる絶縁性の半導体層と、この絶縁性の半導体層上に成膜された５μｍ厚程度のＡｌ２Ｏ３膜と、このＡｌ２Ｏ３膜上に３０ｎｍ厚程度のＴｉ膜を介して成膜された２００ｎｍ厚程度のＰｔ薄膜からなる加熱用パターンと、加熱用パターンの両端部に形成された電極部と、を備える。なお、加熱用パターンのＴｉ／Ｐｔ薄膜抵抗体の抵抗値は４０Ω以下（＜４０Ω）とされている。
【0053】
そして、加熱用パターンの各電極部は、３０ｎｍ厚程度のＣｒ膜を介して成膜された１μｍ厚以上のＣｕ膜と、Ｃｕ膜上に３０ｎｍ厚程度のＣｒ膜を介して成膜された２００ｎｍ厚程度のＡｕ膜と、を備える。これにより、低抵抗化とともに、高温下での酸化を抑制できる。
【0054】
また、ヒータチップ２０の裏面側には、絶縁性の半導体層下に３０μｍ厚程度のＴｉ膜を介して成膜された、２μｍ厚程度のＡｇ膜を備える。
【0055】
ここで、加熱用パターンは、図示していないが、絶縁性の半導体層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（ここでは、ほぼＭ字形状）と寸法とを有して形成されている。
【0056】
即ち、本実施形態に係るヒータチップ２０は、加熱用パターン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できるようにするために、加熱用パターンのサイズや屈曲部の曲率などがデザインされている。
【0057】
特に、評価用試料１０の量産化においては、ヒータチップ２０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。
【0058】
また、絶縁性の半導体層の温度はメタライズセラミック基板３０へと伝導され、メタライズセラミック基板３０の温度を上昇させる。したがって、絶縁性の半導体層の上昇温度ΔＴを、例えば温度測定器１６ｂやサーモカメラ１８によって高精度に測定できるようにすることで、ヒータチップ２０からメタライズセラミック基板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、メタライズセラミック基板３０の面内方向の熱伝達特性（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。
【0059】
（有限要素法（ＦＥＭ）による解析）
ここで、熱伝達特性の評価に先立って、ＦＥＭによるメタライズセラミック基板３０の温度分布解析を行った際の結果について説明する。
ここで、熱伝達特性の評価に先立って、ＦＥＭによるメタライズセラミック基板３０の温度分布解析を行った際の結果について説明する。
【0060】
【0061】
評価用試料１０において、例えば、メタライズセラミック基板３０は、表面側のＣｕ電極パターン３４ｄｐ，３４ｅｐとなる０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜（メタル層）と、セラミック薄板３２となる０．６４ｍｍ厚程度のＡｌＮ薄板（セラミックス）と、裏面側のＣｕ電極パターン３４ｂｐとなる０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜（メタル層）と、の積層構造を有する。また、そのメタライズセラミック基板３０の表面側のＣｕ電極パターン３４ｄｐの中央部分に、例えば、５ｍｍ角×０．３５ｍｍ厚程度のヒータチップ２０がダイアタッチ層としての焼結Ａｇ（接合用ＡｇペーストＨＰ）により接合されて、評価用試料１０は構成されている。
【0062】
そして、メタライズセラミック基板３０の裏面側のＣｕ電極パターン３４ｂｐの周縁部分が、数ｍｍ程度の幅で、ヒートシンク１００の重なり部１０４と放熱グリース（放熱ペースト）ＳＧを介して接合されるようになっている。
【0063】
なお、冷却プレートであるヒートシンク１００は、恒温水循環装置１２によって水温が２５℃程度に保たれた冷却水１２ｗにより温度制御されるようになっている。ヒートシンク１００から冷却水１２ｗへの熱伝達は、熱伝達係数Ｗ（ｍ２・Ｋ）によって規定される。
【0064】
また、解析ソフトは富士通社製のＦＪＫＳＷＡＤ（ｘ６４） Ｖ７Ｌ２－０８、解析方法は定常熱伝導解析、計算次元は３次元モデル、計算モデルはソリッド要素（１／４対称構造）、ヒータチップ２０の発熱は一様、荷重制御部１による総荷重とした。
【0065】
表１は、温度分布解析に用いた評価用試料１０の各層を構成する材料、厚み（ｍｍ）、および、熱伝導率Ｗ／（ｍ・Ｋ）を一覧にして示すものである。
【0066】
【表1】
【0067】
図５は、評価用試料１０の温度分布の一例を示すコンター図であって、ヒータチップ２０の発熱量（印加電力）を７５Ｗとした場合の例である。なお、この温度分布コンター図において、図５（ａ）は、チップ表面での温度分布を示す表面コンター図であり、図５（ｂ）は、チップ断面での温度分布を示す断面コンター図である。
【0068】
表面コンター図からも明らかなように、チップ表面側の温度分布は、ヒータチップ２０の近傍より同心円状に拡がっている。
【0069】
これに対し、断面コンター図からも明らかなように、チップ断面側の温度分布は、ヒータチップ２０の端部より数ｍｍ離れた位置から垂直方向にほぼ一様な温度分布となっている。即ち、メタライズセラミック基板３０の面内（水平）方向に対しては、ほぼ同じ距離において、チップ表面側のＣｕ電極パターン３４ｄｐとセラミック薄板３２との間に温度差は存在しない。
【0070】
このことから、評価用試料１０の中心より約５ｍｍ～１３ｍｍの位置におけるメタライズセラミック基板３０の温度分布は、例えば図６に示すように、チップ表面側のＣｕ電極パターン３４ｄｐの厚さとセラミック薄板３２の厚さとを合わせた厚さｔの円板（ｄｉｓｋ）ＤＳの、中心から外周に向けての一様な熱伝達として近似できると考えられる。
【0071】
図６に示した構造の円板ＤＳにおいて、熱伝達は、フーリエの法則より、下記式（１）により示される。
【0072】
【数1】
【0073】
ここで、Ｑは中心から外周に移動する熱量（Ｗ）、Ｔは中心からの距離ｒにおける温度（Ｋ）、Ａｒは中心からの距離ｒにおける面積（ｍ２）、ｋは熱伝導率Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ｔは円板ＤＳの厚さ（ｍｍ）を示す。
【0074】
上記式（１）について、変数分離を行うことによって下記式（２）が得られる。
【0075】
【数2】
【0076】
上記式（２）において、境界条件として、中心からの距離ｒ０における温度をＴ０とし、任意の距離ｒにおける温度をＴとすると、下記式（３）が得られる。
【0077】
【数3】
【0078】
上記式（３）において、下記式（４）を用いて両辺を積分すると、下記式（５）、式（６）、式（７）が得られる。
【0079】
【数4】
【0080】
したがって、上記式（７）において、ｌｎ（ｒ）と温度Ｔとをプロットした直線の傾き（勾配）ａから、下記式（８）における、厚さｔに相当するメタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率ｋを求めることができる。
【0081】
【数5】
【0082】
上記式（８）において、境界条件として、さらに中心からの距離ｒｉにおける温度をＴｉとすると、下記式（９）が得られる。
【0083】
【数6】
【0084】
上記式（９）による２点（多点）での位置および温度から、下記式（１０）により、メタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率ｋｉを求めることができる。
【0085】
【数7】
【0086】
図７は、上記した構成のメタライズセラミック基板３０について、ＦＥＭによる解析により求められる温度分布プロファイルを例示するものである。なお、図７（ａ）は、中心からの距離（ｒ）が５ｍｍ～１３ｍｍの範囲について、自然対数を横軸とし、縦軸に温度をプロットしたものであり、図７（ｂ）は、中心からの距離と温度との関係を示す片対数プロットである。
【0087】
図７（ａ）に示す範囲については、例えば図７（ｂ）に示すように、プロットはほぼ直線状となり、その傾きａから求められるメタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率ｋ（＝２７６．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、下記式（１１）に示す単純複合則から求められる、メタライズセラミック基板３０の面内方向の合成熱伝導率ｋｅ（＝２８１．６Ｗ／（ｍ・Ｋ））とほぼ一致する。
【0088】
【数8】
【0089】
ここで、ｋｍ，ｋｃは、ＣｕおよびＡｌＮの熱伝導率、Ｖｍ，Ｖｃは、ＣｕおよびＡｌＮの体積分率である。
【0090】
表２は、メタライズセラミック基板３０を対象にＦＥＭ解析を行って温度プロファイルから合成熱伝導率ｋを求めた際の結果を示すもので、上記式（１０）から求められる合成熱伝導率ｋｉと上記式（１１）に示す単純複合則から求められる合成熱伝導率ｋｅとともに対比して示している。
【0091】
【表2】
【0092】
表２に示すように、比較のために、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌ２Ｏ３薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板、および、０．８ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．８ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板についても、同様に、ＦＥＭ解析を行って温度プロファイルから合成熱伝導率を求めた。
【0093】
なお、Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４の熱伝導率は、それぞれ、３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。
【0094】
表２からも明らかなように、各メタライズセラミック基板について求めた合成熱伝導率ｋ，ｋｉ，ｋｅは、いずれの場合も、ほぼ一致することが分かった。
【0095】
以上のことから、ヒータチップ２０の発熱量とメタライズセラミック基板３０の表面温度とに基づいて、メタライズセラミック基板３０の面内方向の合成熱伝導率の算出が可能であると理解される。
【0096】
そこで、メタライズセラミック基板３０上にヒータチップ２０を実装した評価用試料１０の表面温度をより確に測定することによって、上述した解析の結果と比較し、検討を行うこととした。
【0097】
（面内方向の熱伝達特性の評価）
（サーモカメラによる温度分布の測定と合成熱伝導率の算出）
図８に示すように、このＦＥＭ解析用の装置においては、赤外線カメラをサーモカメラ１８とし、冷却プレートをヒートシンク１００とし、ＴＥＧ部品を評価用試料１０として、温度分布の測定が行われる。
（サーモカメラによる温度分布の測定と合成熱伝導率の算出）
図８に示すように、このＦＥＭ解析用の装置においては、赤外線カメラをサーモカメラ１８とし、冷却プレートをヒートシンク１００とし、ＴＥＧ部品を評価用試料１０として、温度分布の測定が行われる。
【0098】
即ち、図示省略の恒温水循環装置１２によって２５℃に制御された冷却水が循環するヒートシンク１００と、評価用試料１０をヒートシンク１００に押し付けるための当接部１３２を有する電極棒１３０と、評価用試料１０への加熱用の定常電力Ｑ［Ｗ］の供給を行うための図示省略の直流安定化電源１４と、評価用試料１０の表面の温度分布を測定するためのサーモカメラ１８と、を備える。
【0099】
なお、ここでは表面が平坦とされたヒートシンク１００を用い、評価用試料１０は、接続部材４０を介して、ヒートシンク１００の上面に搭載される。
【0100】
接続部材４０は、例えば、枠形状の冷却層となる銅製の円形リング（内径φ２５、外径φ２９、厚さ２ｍｍ）４２の上下をＴＩＭ４１によって挟持したものである。ＴＩＭ４１は、例えば表１に示したように、１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。
【0101】
したがって、評価用試料１０のヒータチップ２０で生じた熱は、主にメタライズセラミック基板３０を通り、円形リング４２を介して、外部のヒートシンク１００へと伝えられる。
【0102】
このように、接続部材４０を介して評価用試料１０をヒートシンク１００上に搭載させるようにすることで、表面部に空洞部を備えていないヒートシンク１００の場合にも、評価用試料１０とヒートシンク１００との間に空気層を設けることが可能となる。これにより、評価用試料１０のヒータチップ２０で生じた熱がメタライズセラミック基板３０の面内方向にのみ効率良く伝わるようにすることができる。
【0103】
ここで、当該装置は、荷重印加用の荷重制御部として、例えば、ヒートシンク１００にアクリル製のジグ（図示省略）が取り付けられるとともに、評価用試料１０の四隅に４本の電極棒１３０が配置されて、その内の２本が電力供給用、残りの２本が温度センサ用とされることにより、評価用試料１０が電気的に接続されるように設計されている。
【0104】
また、恒温水循環装置１２によって２５℃に制御されたヒートシンク１００の温度をモニタするために、該ヒートシンク１００の表面には、図示していない温度測定器１６ａが配置されている。
【0105】
そして、評価用試料１０を、例えば黒色スプレーによって黒化処理することで、サーモカメラ１８による撮影が良好に行われるようにすることができる。なお、黒色スプレーは合成樹脂（シリコーン樹脂）系のものを使用することで、耐熱性と絶縁性とに配慮することができる。
【0106】
また、シミュレーション用のメタライズセラミック基板３０としては、ＤＢＣ基板（試料番号１０Ａ（第１試料），１０Ｂ（第２試料），１０Ｃ（第３試料））の他に、例えば表３に示すように、ＤＢＡ基板（試料番号１０Ｄ（第４試料））を用いて、サーモカメラ１８による撮影を行った（回路パターン（電極パターン）については、図３参照）。
【0107】
【表3】
【0108】
ここでは、試料番号１０Ａとして、例えば、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板が用いられる。また、試料番号１０Ｂとして、例えば、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌ２Ｏ３薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板が用いられる。また、試料番号１０Ｃとして、例えば、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌＮ薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板が用いられる。また、試料番号１０Ｄとして、例えば、０．３ｍｍ厚程度のＡｌ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌＮ薄板と０．３ｍｍ厚程度のＡｌ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板が用いられる。
【0109】
図９は、サーモカメラ１８により撮影されたＴＥＧ部品となる評価用試料１０の温度分布（プロファイル）を例示するものである。なお、ＤＢＣ基板１０Ｃに対し、直流安定化電源１４による印加電圧（ヒータチップ２０の発熱量）を８２Ｗとした場合の例である。
【0110】
図１０Ａ～図１０Ｄは、ヒータチップ２０の発熱量ごとに温度分布上のラインプロファイルＡにおける温度を解析した結果を示すものである。なお、図１０Ａは、評価用試料１０が表３の試料番号１０Ａの場合を、図１０Ｂは、評価用試料１０が表３の試料番号１０Ｂの場合を、図１０Ｃは、評価用試料１０が表３の試料番号１０Ｃの場合を、図１０Ｄは、評価用試料１０が表３の試料番号１０Ｄの場合を、それぞれ示している。
【0111】
【0112】
なお、図中の黒丸は、後述する熱電対モジュールによる温度測定結果をプロットしたものである。
【0113】
図１０Ａ～図１０Ｄにおいて、横軸は、評価用試料１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの左端を基準とする距離（位置ｍｍ）であり、縦軸は、温度（℃）であり、図９におけるラインプロファイルＡの温度をプロットした際の温度曲線を示している。
【0114】
【0115】
即ち、中心に熱源がある動径方向の温度分布は上記した式（７）で表され、動径方向の距離ｒの自然対数を横軸、縦軸を温度とした片対数プロットの直線の傾きａから、上記した式（８）を用いて、メタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率を見積もることができる。
【0116】
【0117】
【表4】
【0118】
表４（ａ）～表４（ｄ）に示すように、いずれの場合も、算出された合成熱伝導率は、単純複合則（上記した式（１１））により計算された値からのずれが１０％程度であり、本実施形態に係る熱特性評価装置による合成熱伝導率の算出が可能であることが確認できた。
【0119】
算出された合成熱伝導率が単純複合則から算出した値よりも高くなったのは、上記した式（８）が、固体内の熱伝達のみを仮定して導出されたものであり、実際の評価では、外気への熱伝達やヒートシンク１００側への熱伝達が生じており、熱量を過大に見積もっていることによるものと推察される。
【0120】
また、算出された合成熱伝導率は印加電力が小さいほど大きくなるが、これは印加電力が小さい場合には空気中への損失の影響が相対的に大きくなるためと推察される。
【0121】
上記したように、例えば評価部２において、温度測定結果である温度曲線の片対数プロットから直線の傾きａを求め、上記の式（８）を用いることによって熱伝導率を算出することが可能である。しかも、熱伝導率は、プロット数の増加に応じて、より高い精度での算出が可能となる。
【0122】
（熱電対モジュールによる温度測定と合成熱伝導率の算出）
次に、熱電対モジュールを用いて、メタライズセラミック基板３０の表面温度の測定を行う場合について説明する。
次に、熱電対モジュールを用いて、メタライズセラミック基板３０の表面温度の測定を行う場合について説明する。
【0123】
図１１は、熱電対モジュール５０を用いて評価用試料１０の表面温度を測定する装置の概略を示すもので、本装置では、サーモカメラ１８による撮影に代えて、温度測定器としての熱電対モジュール５０によって評価用試料１０の温度分布の測定が行われる。それ以外の、例えばヒートシンク１００による評価用試料１０の冷却やヒータチップ２０の加熱条件などは、図８に示した装置の場合と同様なので、詳しい説明は省略する。
【0124】
本装置において、熱電対モジュール５０は、例えば図１２（ａ），（ｂ）に示すように、逆Ｕ字型の絶縁樹脂からなるブロック５１を有している。そして、そのブロック５１の両端部である、メタライズセラミック基板３０に当接される当接部には、例えば、ヒータチップ２０の中心から左右対称に、それぞれ、電極部（熱電対）５２ａ，５２ｂ，５２ｃが埋め込まれている。各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、例えば２．５ｍｍの間隔を有して配置されている。
【0125】
各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃは、ブロック５１に巻回された配線パターンに繋がる配線部５３を介して、図示していない評価部２に接続されている。
【0126】
これにより、評価用試料１０は、例えば図１３に示すように、熱電対モジュール５０が押し当てられることによって、各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃが対応する、メタライズセラミック基板３０のヒータチップ２０の中心からそれぞれ等間隔（例えば、７ｍｍ、１０ｍｍ、１３ｍｍ）の各測定位置１０ａｐ，１０ｂｐ，１０ｃｐの表面温度が測定されるようになっている。
【0127】
即ち、熱電対モジュール５０は、メタライズセラミック基板３０の中心から左右対称に、それぞれ、７ｍｍ、１０ｍｍ、１３ｍｍずつ離れた各測定位置１０ａｐ，１０ｂｐ，１０ｃｐの表面温度を測定できるように設計されている。
【0128】
【0129】
【0130】
【表5】
【0131】
【表6】
【0132】
【表7】
【0133】
【表8】
【0134】
表５～表８は、評価用試料１０の任意の２点間、例えば、測定位置１０ａｐ，１０ｃｐでの測定温度に基づいて、上記式（１０）から求めた４種類のメタライズセラミック基板（試料番号１０Ａ～１０Ｄ）３０の合成熱伝導率をそれぞれ示すものである。
【0135】
なお、表５～表８においては、合成熱伝導率を、熱電対モジュール５０の左右の電極部５２ａ，５２ｃのそれぞれの測定値（２点間データ）から算出しており、試料番号１０Ａ～１０Ｄの各メタライズセラミック基板３０に対する２つの合成熱伝導率（算出１，２）と、その平均値とを示している。
【0136】
２点間データを基に算出した合成熱伝導率は、概ね片対数プロットの傾きから求めた値に近似する。
【0137】
ただし、左右のそれぞれの温度差から求めた値には、最大で２０％程度の違いが生じる。その原因としては、熱電対モジュール５０およびメタライズセラミック基板３０の位置ずれ、メタライズセラミック基板３０をヒートシンク１００に押し付ける際の荷重の不均一さなどが考えられる。
【0138】
また、印加電力が１２Ｗ、２５Ｗのときには、温度差が１０℃以下であり、わずかな温度差が合成熱伝導率の大きな差となって現れる。したがって、印加電力は、少なくとも温度差が１０℃以上になるように設定するのが望ましい。
【0139】
上記したように、例えば評価部２において、温度測定結果である温度プロファイルの２点間の距離と温度差とに基づいて、熱抵抗を求めるための上記の式（１０）を用いて熱伝導率を算出することも可能である。
【0140】
（ＦＥＭ解析による各種パラメータの影響検討）
（熱電対モジュール５０の位置ずれの影響）
図１４は、熱電対モジュール５０の押し当てが所定の位置からずれた場合に、その位置ずれが成熱伝導率に及ぼす影響について考察するためにした、ＦＥＭ解析によるシミュレーションの結果を例示するものである。
（熱電対モジュール５０の位置ずれの影響）
図１４は、熱電対モジュール５０の押し当てが所定の位置からずれた場合に、その位置ずれが成熱伝導率に及ぼす影響について考察するためにした、ＦＥＭ解析によるシミュレーションの結果を例示するものである。
【0141】
即ち、熱電対モジュール５０によって測定された２点間データを基に合成熱伝導率を算出する場合、熱電対モジュール５０の押し当て時の位置ずれが合成熱伝導率の算出結果に影響を及ぼすことが懸念される。
【0142】
そこで、図１４に示すように、各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃの間隔を３ｍｍとした熱電対モジュール５０を用意し、メタライズセラミック基板３０の内側方向（－側）に標準位置から０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍずらした場合と外側方向（＋側）に標準位置から０．５ｍｍ、１．０ｍｍずらした場合とについて、シミュレーションを行った。
【0143】
なお、標準位置とは、熱電対モジュール５０の押し当て時に、各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃがメタライズセラミック基板３０の各測定位置１０ａｐ，１０ｂｐ，１０ｃｐにずれなく当接される位置（（ｒ１，Ｔ１）、（ｒ２，Ｔ２）、（ｒ３，Ｔ３））である。
【0144】
シミュレーションは、以下の４種類のメタライズセラミック基板３０を対象とし、ヒータチップ２０の発熱量を７５Ｗとした場合について行った。
【0145】
また、メタライズセラミック基板３０とヒートシンク１００とを接着させる接続部材４０の、ＴＩＭ４１の熱伝導率は、２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）との２種類とした。
【0146】
図１５（ａ）～図１５（ｄ）は、シミュレーションの結果を示すもので、図１５（ａ）は、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌＮ薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０の場合を示している。また、図１５（ｂ）は、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．６４ｍｍ厚程度のＡｌ２Ｏ３薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０の場合を示している。また、図１５（ｃ）は、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０の場合を示している。また、図１５（ｄ）は、０．８ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．８ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０の場合を示している。
【0147】
図１５（ａ）～図１５（ｄ）に示すように、熱電対モジュール５０の位置がメタライズセラミック基板３０の外側方向（＋側）にずれるにしたがって、メタライズセラミック基板３０の熱伝導率は高くなる傾向にあるが、そのばらつきは１０％程度に収まっている。
【0148】
さらに、ずれを±０．５ｍｍ以下にした場合、そのばらつきは５％以内であることが分かる。
【0149】
なお、接続部材４０のＴＩＭ４１の熱伝導率の違い、つまり、メタライズセラミック基板３０の端部からヒートシンク１００への熱抵抗も、合成熱伝導率の算出に影響を及ぼす。しかしながら、そのはらつきも５％程度であり、影響は小さいと考えられる。
【0150】
（熱電対モジュール５０の各電極間の２点間距離の誤差の影響）
次に、熱電対モジュール５０に設けられた各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ間の距離の誤差の影響について検討する。
次に、熱電対モジュール５０に設けられた各電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ間の距離の誤差の影響について検討する。
【0151】
シミュレーションは、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０を対象に行った。また、ヒータチップ２０の印加電力を７５Ｗとし、中心から７ｍｍの測定位置１０ａｐと１３ｍｍの測定位置１０ｃｐとに対応する各電極部５２ａ，５２ｃが内外方向に０．５ｍｍずれた場合を想定して行った。
【0152】
【表9】
【0153】
表９は、シミュレーションの結果を示すものである。
【0154】
なお、表９においては、例えば、ヒータチップ２０の中心から１３ｍｍの測定位置１０ｃｐに対して、熱電対モジュール５０の電極部５２ｃが位置ずれなく正確に配置されている場合を「１３＿７」と表記し、電極部５２ｃが外側方向に０．５ｍｍずれている場合（計算上では、１３ｍｍの位置）を「１３．５＿７」と表記している。
【0155】
表９からも明らかなように、位置ずれがある場合には、位置ずれがない「１３＿７」の場合に比して、熱伝導率が±１０％程度変動しており、熱電対モジュール５０に埋め込む電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ間の距離を正確に計測しておく必要があるものと考える。
【0156】
（熱電対モジュール５０の測定温度の誤差の影響）
次に、熱電対モジュール５０の測定温度の誤差の影響について検討する。
次に、熱電対モジュール５０の測定温度の誤差の影響について検討する。
【0157】
シミュレーションは、０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜と０．３２ｍｍ厚程度のＳｉ３Ｎ４薄板と０．３ｍｍ厚程度のＣｕ薄膜との積層構造を有するメタライズセラミック基板３０を対象に行った。
【0158】
表１０は、ヒータチップ２０の印加電力を７５Ｗとし、低温部（１０ｃｐ）側および高温部（１０ａｐ）側で測定される熱電対温度が、それぞれ、±０．５℃および±１．０℃ほど変動した場合を想定して行った結果である。
【0159】
【表10】
【0160】
表１０からも明らかなように、例えば、基準の温度に対して、低温部および高温部の温度をそれぞれ変化させてシミュレーションを行ったところ、基準となる熱伝導率に対する合成熱伝導率の変動は±５％以下であった。
【0161】
このように、低温部と高温部との温度差を十分にとった場合（例えば、二桁以上とした場合）には、熱電対温度を±１．０℃とした場合の変動の影響は小さいことが分かる。
【0162】
（まとめ）
上記したように、既知の基板評価装置（再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）をできるだけ共有する形で、チップ実装状態でのメタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性の評価について検討した。
上記したように、既知の基板評価装置（再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）をできるだけ共有する形で、チップ実装状態でのメタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性の評価について検討した。
【0163】
具体的には、ヒータチップ２０が実装されたメタライズセラミック基板３０の下方部に空洞部１０２を設け、メタライズセラミック基板３０の周端部を、放熱グリースＳＧを介して、ヒートシンク１００の重なり部１０４によって保持・冷却させた状態において、ヒータチップ２０を定常電力Ｑにより加熱させ、メタライズセラミック基板３０の温度変化をサーモカメラ１８によって測定する。
【0164】
このようにして、評価対象のメタライズセラミック基板３０の面内方向の熱伝達特性の評価を行った。
【0165】
また、本実施形態においては、既知のモデル用絶縁基板として各種のメタライズセラミック基板３０の表面側の温度分布を、サーモカメラ１８により測定した。
【0166】
さらに、ＦＥＭによって温度分布の解析を行った。
【0167】
結果は、下記の通りであった。
【0168】
サーモカメラ１８による温度測定から、メタライズセラミック基板３０の表面側の温度分布は、該メタライズセラミック基板３０の中心に実装したヒータチップ２０の周辺部からメタライズセラミック基板３０の周縁部にかけて、ほぼ同心円状の等温線を描くことが分かった。
【0169】
さらに、ＦＥＭによる温度分布の解析により、熱は、ヒータチップ２０から数ｍｍほど離れた位置からメタライズセラミック基板３０の内部を一様に伝わることが分かった。
【0170】
そこで、メタライズセラミック基板３０の水平方向の熱伝達を評価する方法として、例えば、円板ＤＳの中心側から外周側に一様に熱が伝わるものと想定し、二次元極座標系で距離ｒ、温度Ｔ、熱量Ｑの関係を表す式を適用した。
【0171】
ＦＥＭ解析により得られる温度分布に上記の関係式を適用し、メタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率を求めた結果、単純複合則から算出される値とほぼ一致した。
【0172】
サーモカメラ１８による温度分布の測定結果を用いた場合も、単純複合則からの算出される値に近い合成熱伝導率が得られた。この場合、複合則よりも約１０％程度高い値となった。
【0173】
これらの結果から、メタライズセラミック基板３０の合成熱伝導率、さらには、この値にメタライズセラミック基板３０の厚みを掛けた合成熱コンダクタンスは、メタライズセラミック基板３０の面内方向の熱伝達特性を示す指標として有望なものと考えられる。
【0174】
また、より簡便な温度測定法として、熱電対モジュール５０を用いた方法についても検討を行った。
【0175】
即ち、絶縁樹脂製のブロック５１に電極部５２ａ，５２ｂ，５２を埋め込んだ熱電対モジュール５０を作製し、メタライズセラミック基板３０の表面温度の測定を行った結果、サーモカメラ１８による測定とほぼ同じ測定値を得ることができた。ただし、電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃによる２点間の測定温度から算出した合成熱伝導率は、ばらつきが２０％程度と大きく、電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃを配置する位置など、さらなる検討が必要である。
【0176】
なお、熱電対モジュール５０による温度測定に関しては、ＦＥＭ解析を用いた誤差要因（熱電対モジュール５０の位置ずれや電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃの測定精度、電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ間の距離の誤差など）についての検討を行った結果、電極部５２ａ，５２ｂ，５２ｃ間の距離の誤差が合成熱伝導率に及ぼす影響が最も顕著であることが分かった。
【0177】
上記したように、本実施形態に係る熱特性評価装置によれば、メタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性を容易に評価でき、パワーモジュールの設計にも容易に寄与することが可能となる。
【0178】
特に、既知の基板評価装置（再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）を利用して、本実施形態に係る熱特性評価装置を実現するようにしているため、メタライズセラミック基板の面内方向の熱伝達特性の評価を簡単に行い得る。
【0179】
なお、上記した熱特性評価装置においては、既知の基板評価装置（再公表ＷＯ２０１９／１６３８６２号公報参照）を利用することなく、実現することも可能である。
【0180】
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。
【符号の説明】
【0181】
１ 荷重制御部
２ 評価部
１０ 評価用試料
１２ 恒温水循環装置（冷却部）
１４ 直流安定化電源（発熱部）
１６ａ 温度測定器（検出部）
１６ｂ 温度測定器（測定部）
１８ サーモカメラ（測定部）
２０ ヒータチップ（発熱部材）
３０ メタライズセラミック基板（絶縁基板）
３２ セラミック薄板
４０ 接続部材
５０ 熱電対モジュール
１００ ヒートシンク（搭載部）
１０２ 空洞部
１０４ 重なり部
ＳＧ 放熱グリース
２ 評価部
１０ 評価用試料
１２ 恒温水循環装置（冷却部）
１４ 直流安定化電源（発熱部）
１６ａ 温度測定器（検出部）
１６ｂ 温度測定器（測定部）
１８ サーモカメラ（測定部）
２０ ヒータチップ（発熱部材）
３０ メタライズセラミック基板（絶縁基板）
３２ セラミック薄板
４０ 接続部材
５０ 熱電対モジュール
１００ ヒートシンク（搭載部）
１０２ 空洞部
１０４ 重なり部
ＳＧ 放熱グリース
【要約】
【課題】パワー半導体素子を実装可能な絶縁基板の面内方向の熱伝達特性を容易に評価できる試験装置を提供する。
【解決手段】熱特性評価装置は、評価用の試料１０が搭載されるヒートシンク１００と、ヒートシンク１００に搭載された試料１０のメタライズセラミック基板３０上に配置されたヒータチップ２０を発熱させるための直流安定化電源１４と、ヒートシンク１００を介して、メタライズセラミック基板３０を冷却する恒温水循環装置１２と、ヒータチップ２０を発熱させることによってメタライズセラミック基板３０を加熱させるとともに、メタライズセラミック基板３０の周縁部分を冷却させた際に生じる、メタライズセラミック基板３０の水平方向の温度差を測定するサーモカメラ１８と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】熱特性評価装置は、評価用の試料１０が搭載されるヒートシンク１００と、ヒートシンク１００に搭載された試料１０のメタライズセラミック基板３０上に配置されたヒータチップ２０を発熱させるための直流安定化電源１４と、ヒートシンク１００を介して、メタライズセラミック基板３０を冷却する恒温水循環装置１２と、ヒータチップ２０を発熱させることによってメタライズセラミック基板３０を加熱させるとともに、メタライズセラミック基板３０の周縁部分を冷却させた際に生じる、メタライズセラミック基板３０の水平方向の温度差を測定するサーモカメラ１８と、を備える。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】