特許 7696500 冷熱衝撃試験装置及び冷熱衝撃試験方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-12

(45)【発行日】2025-06-20

(54)【発明の名称】冷熱衝撃試験装置及び冷熱衝撃試験方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 3/60 20060101AFI20250613BHJP

【ＦＩ】

G01N3/60 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2024517697

(86)(22)【出願日】2022-04-27

(86)【国際出願番号】 JP2022019075

(87)【国際公開番号】W WO2023209865

(87)【国際公開日】2023-11-02

【審査請求日】2024-03-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 浩次

【審査官】外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２７０３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－１２２３５２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開平０５－０８４８４６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１４－１４５６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６３２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０２４０７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２００９－０１０９５９７（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被評価試料が載置されるとともに密閉された試料室と、
前記試料室内に冷媒を循環させて前記試料室内を冷却するチラーと、
前記試料室内に設置され前記被評価試料を加熱するヒータと、
前記被評価試料の温度を検出する温度センサと、
前記温度に基づいて前記チラーの操作及び前記ヒータへの通電、遮断を制御する制御装置と、を備え、
前記チラーにより前記試料室内が所定温度に冷却された後、前記ヒータに通電され、前記被評価試料が目標温度まで加熱された後、前記ヒータへの通電が遮断され、前記被評価試料が冷却されることを特徴とする冷熱衝撃試験装置。

【請求項2】

前記ヒータは、ランプヒータの平行光型のものであることを特徴とする請求項１に記載の冷熱衝撃試験装置。

【請求項3】

前記ランプヒータは、前記被評価試料に対向して設置され、前記被評価試料の寸法は、前記ランプヒータの管表面のピーク温度の均熱長に対して、８０％以内であることを特徴とする請求項２に記載の冷熱衝撃試験装置。

【請求項4】

被評価試料を試料室内に載置し密閉する工程と、
前記試料室内にチラーの冷媒を循環させて前記試料室内を所定温度に冷却する工程と、
前記試料室内に設置されたヒータに通電して前記被評価試料を目標温度まで加熱する工程と、
前記ヒータへの通電を遮断して前記被評価試料を冷却する工程と、
を備えたことを特徴とする冷熱衝撃試験方法。

【請求項5】

前記ヒータは、ランプヒータの平行光型のものであることを特徴とする請求項４に記載の冷熱衝撃試験方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、冷熱衝撃試験装置及び冷熱衝撃試験方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、省エネルギーの観点から次世代デバイスとしてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）を基材とした半導体デバイスをパワーモジュールに適用するための開発が盛んに行われている。パワーモジュールに使用される半導体デバイスは、パワーロスを低減させる観点から、その動作温度は、１７５℃以上に設定されており、また、将来的には、３００℃にも達するものと考えられており、高い信頼性が求められている。また、高い動作温度と高い信頼性とを両立させようとすると、長寿命であることが要求されるため、それに従って評価期間も伸びてしまうという課題がある。

【0003】

更に、昨今では、半導体デバイスの使用用途が多種多様になり、例えば、冷熱衝試験をした後に、低温保持試験を行い、さらに、そのあとで半導体デバイスを動作させて通電加熱するパワーサイクル試験を加えた複合サイクル試験というユーザー独自の試験方法もあり、試験条件は多岐に渡る。このように新たな試験方法が必要となると信頼性評価期間が更に長期化し、新規のパワーモジュールの開発期間が長期化するという課題がある。

【0004】

これに対し、特許文献１の環境試験装置では、被試験体を格納する試験槽を、それぞれ熱源機器である低温調整機，高温調整機を備えた低温恒湿部，高温恒湿部に区分する回転断熱壁を設け、この回転断熱壁を、試験槽の中心を支点として少なくとも１８０°回動させることができる支点及び電動機を備えた環境試験装置が開示されている。また、回転断熱壁に被試験体を搭載できるので試験槽内に空間が確保され、その試験槽内の適切な空間領域に、例えば、遠赤外線ランプを始めとする局所加熱装置あるいはスポット式冷風機を始めとする局所冷却装置が設けられており、被試験体に対して温湿度試験を実施しながら、さらに局所加熱、あるいは冷却を行うことが可能とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平０５－２１５６５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記特許文献１の環境試験装置では、環境試験槽内の温度の調整を、遠赤外線ランプを始めとする局所加熱装置あるいはスポット式冷風機を始めとする局所冷却装置を設けて行っているが、槽内が予め低温あるいは高温に保たれていないため、短時間に加熱、あるいは冷却を行うことは困難であるという課題があった。

【0007】

本願は、上記の課題を解決するためになされたものであり、被評価試料の冷熱衝撃試験を短時間でかつ高速に行うことが可能な冷熱衝撃試験装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願に開示される冷熱衝撃試験装置は、被評価試料が載置されるとともに密閉された試料室と、前記試料室内に冷媒を循環させて前記試料室内を冷却するチラーと、前記試料室内に設置され前記被評価試料を加熱するヒータと、前記被評価試料の温度を検出する温度センサと、前記温度に基づいて前記チラーの操作及び前記ヒータへの通電、遮断を制御する制御装置と、を備え、前記チラーにより前記試料室内が所定温度に冷却された後、前記ヒータに通電され、前記被評価試料が目標温度まで加熱された後、前記ヒータへの通電が遮断され、前記被評価試料が冷却されることを特徴とするものである。

【0009】

また、本願に開示される冷熱衝撃試験方法は、被評価試料を試料室内に載置し密閉する工程と、前記試料室内にチラーの冷媒を循環させて前記試料室内を所定温度に冷却する工程と、前記試料室内に設置されたヒータに通電して前記被評価試料を目標温度まで加熱する工程と、前記ヒータへの通電を遮断して前記被評価試料を冷却する工程と、を備えたことを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本願の冷熱衝撃試験装置によれば、試料室がチラーにより所定温度に冷却された状態で、被評価試料を低温環境下から局部的かつ急昇温が可能なヒータを利用して、加熱することにより、被評価試料に冷熱衝撃を加えることが可能となり、信頼性の高い冷熱衝撃評価試験を短時間でかつ高速で行うことができ、評価時間の短縮化を図ることが可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置の全体を示す概略構成図である。

【図2】実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置に使用されるランプヒータの管表面の温度分布の例を示す図である。

【図3】実施の形態２に係る冷熱衝撃試験方法のフローチャートを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置の全体を示す概略構成図である。図２は、実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置に使用されるランプヒータの管表面の温度分布の例を示す図である。

【0013】

まず、図１を用いて、実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置１０の全体構成について、説明する。冷熱衝撃試験装置１０は、被評価試料１１が室内に載置され密閉された試料室４と、冷媒管３を通して冷媒５が循環されて試料室４内を所定温度に冷却するチラー２と、試料室４内に被評価試料１１に対向して設置されて被評価試料１１を加熱するランプヒータ６と、被評価試料１１の温度を検出する温度センサ７と、被評価試料１１の温度によりチラー２の操作とランプヒータ６への通電、遮断を制御する制御装置１と、により構成されている。

【0014】

冷熱衝撃試験は、電子部品あるいは装置が周囲温度の変化にどのくらいの耐性があるかを確認する環境試験のひとつである。高温と低温の温度差を繰り返し与えることにより、温度変化に対する耐性を短時間で評価するものである。パワー半導体素子は、大電流に対する高温ストレス耐性が求められるため、目標とする高温側の温度は２５０°Ｃから３００°Ｃ、保持される低温側の温度は－７０°Ｃから０°Ｃの範囲の試験が要求される。実際には、高温の目標温度及び低温に保持される所定温度は、被評価試料の評価試験の要求に応じて決定される。

【0015】

冷熱衝撃試験では、低温から高温へ、また高温と低温への高速の切替えが要求される。本願では、被評価試料１１を高温と低温のさらし試験の切替えを、試料室４の冷却を行うチラー２と被評価試料１１を加熱するランプヒータ６との組み合わせにより迅速に行っている。

【0016】

被評価試料１１の例としては、本実施の形態では、図１に示すようにリードフレーム１５上に接合材１４を介して半導体素子１３が実装されている半導体モジュールを挙げている。ここでは、さらに、半導体素子１３が実装された部分にはモールド樹脂１２により封止されている。この被評価試料１１は、任意の構成材料で形成されていてもよく、特に構成材料による制約は無い。しかし、一般的にアルミあるいは光沢のある材料は、ランプヒータ６の熱を吸収し難く、加熱には時間を要するが、他の部分が加熱されることにより全体として加熱されていくので問題無く加熱することが可能である。例えば、光沢アルミの表面にカーボンスプレーを塗布することにより熱が吸収され、加熱することが可能となる。被評価試料１１の表面改質を任意に行っても構わない。

【0017】

試料室４は、被評価試料１１を載置し、密閉された状態でチラー２により、冷媒管３を通じて循環された冷媒５によって所定温度（ここでは、０°Ｃ未満からマイナス１０°Ｃ程度の低温）に冷却された状態で保持される。一般的に、試料室４に被評価試料１１を出し入れする際には、試料室４内がポンプで排気され（図示せず）、あるいは大気に戻される。冷媒（循環液）５としては、フッ素系を始めアルコール系冷媒あるいはその混合液を目的とする冷却温度に応じて選択、使用することができる。冷媒５の材質は、試料室４の内壁及び被評価試料１１に使用される材料を勘案し、腐食、着氷の問題が生じないように考慮して決めればよい。

【0018】

試料室４の内壁面には、例えば、着氷を抑制するコーティング剤が塗布されていてもよい。あるいは水分が付着しないような撥水コーティング、撥水を可能とする表面構造を有する表面改質を行っていてもよい。また、試料室４の外側の周囲をガラスウールを始めとする断熱部材で覆うことにより、試料室４内を効率よく冷却、一定の温度に保持することが可能である。また、試料室４を真空断熱構造としてもよい。

【0019】

被評価試料１１を加熱するヒータとして、ランプヒータ６は、被評価試料１１が載置された試料室４内に被評価試料１１に対向する位置に設置されている。
ランプヒータ６としては、ここでは、ハロゲンランプをヒータとして使用した場合をランプヒータと呼ぶ。ハロゲンランプは、例えば、タングステンを主成分とするフィラメントに通電して高温にし、そこから放射される光（波長は、近赤外域から可視域の電磁波である。）を利用している。可視光に変換する効率は１０％以下と非常に効率が低いが、赤外域の光を含めた全電磁波に変換する効率は、９０％前後となり非常に効率の良い加熱手段である。フィラメントの温度は、凡そ２５００℃から３０００℃となり、集光すると１３００℃から１５００℃と非接触でクリーンな加熱も可能となる。

【0020】

しかし、集中光を使用すると被評価試料１１の一部しか加熱することができない。そこで本願では、一定の範囲内において均熱加熱が可能な平行光型と呼ばれるランプヒータを用いている。これは、例えば、実際の半導体装置の冷熱衝撃試験においては、数千℃のような試験を行うことはない（モールド樹脂が溶解、あるいは接合材が溶解して破断が発生する。）。そのため、集光させる必要もないため、平行光型のランプヒータを採用している。

【0021】

図２にランプヒータ６の管表面の温度分布の例を示す。ここでは、ピーク温度の９５％を均熱長Ａとしている。被評価試料１１の寸法Ｂは、ランプヒータ６の長手方向の管表面のピーク温度の均熱長Ａに対して、８０％以内とすることが好ましい。これにより、被評価試料１１に均一な熱負荷を与えることが可能となる。

【0022】

温度センサ７は、被評価試料１１の温度を検出するもので、図１では、半導体素子１３が実装されているリードフレーム１５に熱電対が取り付けられており、被評価試料１１の温度を検出し、後述する制御装置１に信号を送る。温度センサ７としては、ここでは、熱電対を用いる場合について説明する。温度センサ７としては、試料室４の壁に窓を設け、非接触で光学的に被評価試料１１の温度を検出するものであってもよい。

【0023】

制御装置１は、試料室４を冷却するチラー２の操作及び温度センサ７により検出された被評価試料１１の温度が所定の低温及び目標とする高温になったことを判定し、ランプヒータ６への通電、遮断の実行を制御するものである。被評価試料１１には、温度センサ７として熱電対が取り付けられており、その熱電対は制御装置１に接続されている。熱電対により検出された温度に基づいて、制御装置１は、チラー２の操作、ランプヒータ６の通電、遮断を実行する。また、ランプヒータ６の出力を調整することで昇温速度を制御することが可能となる。

【0024】

ランプヒータ６表面の着氷の問題は、さらに、例えば、試料室４の冷却により、ランプヒータ６の表面に氷が付着し、ランプヒータ６の放射光が、被評価試料１１に正常に吸収されないことを防ぐため、ランプヒータ６を常に低出力で動作させておき、ランプヒータ６の表面だけには着氷しないようにしておくことも有効である。あるいは、ランプヒータ６表面には着氷を抑制できるような撥水性のコーティング剤などを施すことで対応することが可能となる。上記は、冷媒５が水分を含む場合であり、例えば、フッ素系冷媒であれば少なくとも試料室４を密閉空間にして、水分の侵入を防ぐ構造にすることで着氷を抑止することが可能である。また、エタノールを始めとするアルコール系冷媒についても対応温度に応じて使用してもよい。また、複数の冷媒を混合してもよい。チラー２は、冷却する温度に応じて対応可能なチラーを選定すればよい。また、冷却手段については、試料室が低温（マイナス温度）であればよいので、冷媒を直接流さなくとも、試料室を構成する上面、壁面、底面のいずれかに流路があってその流路内に冷媒が流れて、試料室を低温に保つことも可能である。

【0025】

冷熱衝撃試験を行う際には、まず、試料室４に被評価試料１１を載置し、温度センサ７を被評価試料１１取り付け（図１では、リードフレーム１５に取り付けられている。）。その後、試料室４を密閉した後、ポンプにより排気し、試料室４内にチラー２の冷媒５を循環させて冷却する。制御装置１が温度センサ７により被評価試料１１の温度が所定の低温まで冷却されたことを確認した後、ランプヒータ６への通電を開始し、被評価試料１１を目標温度まで加熱する。被評価試料１１の温度が目標とする高温に達したことを確認した後、ランプヒータ６への通電を遮断する。その後、チラー２の冷媒５により被評価試料１１は冷却される。この温度サイクルを繰り返すことで冷熱衝撃試験が実施される。

【0026】

なお、本実施の形態では、局所的に加熱することが可能なヒータとして、ランプヒータを使用する場合について説明したが、他の熱源を使用してもよい。また、ランプヒータで被評価試料を加熱する際、冷媒を循環させた状態で加熱する場合について説明したが、冷媒の循環を一時的に停止させた状態でも構わない。また、被評価試料として、ここでは、半導体モジュールを例に挙げたが、他の被試験材料にも適用することができる。被評価試料を試料室に載置する場所は、底面に限定されるものではなく、他の場所でも可能である。この場合には、ランプヒータの位置を被評価試料と対向する位置に配置すればよい。

【0027】

このように、本実施の形態１に係る冷熱衝撃試験装置によれば、試料室にチラーの冷媒を循環させて所定温度に冷却された状態で、被評価試料を低温環境下から局部的かつ急昇温が可能なランプヒータを利用して、高温まで加熱することにより、被評価試料に冷熱衝撃を加えることが可能になり、信頼性の高い冷熱衝撃評価試験を短時間でかつ高速で行うことができ、評価時間の短縮化を図ることが可能となるという効果がある。

【0028】

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る冷熱衝撃試験方法を説明するためのフローチャートを示す図である。冷熱衝撃試験装置１０及びその構成については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

【0029】

図１を参照しながら、冷熱衝撃試験方法について図３のフローチャートを用いて説明する。ここでは、被評価試料１１を低温と高温の２つの温度間で冷熱衝撃試験を実施する場合を例に説明する。

【0030】

まず、ステップＳ０１の工程では、被評価試料１１に温度センサ７を取り付け、試料室４内に載置する。その後、試料室４内を密閉し、試料室４内を排気する（図示せず。）。

【0031】

次に、ステップＳ０２の工程では、試料室４内に冷媒５を循環させ、温度センサ７により、被評価試料１１が所定温度の低温に冷却されたことを確認する。

【0032】

続いて、ステップＳ０３の工程では、予め決められた時間、所定の低温が保持され、その後、ランプヒータ６に通電し、温度センサ７により、被評価試料１１が目標温度とする高温まで加熱されたことを確認する。

【0033】

さらに、ステップＳ０４の工程では、被評価試料１１を予め決められた時間、高温を保持し、その後、ランプヒータ６への通電を遮断し、被評価試料１１を冷却する。これにより、冷熱衝撃試験の工程は終了となる。

【0034】

目的とする冷熱衝撃試験内容に応じて、上記、低温と高温の工程を必要な回数を繰り返し行って、冷熱衝撃試験を実施する。また、必要に応じて、他の温度パターンで試験を実施することも可能である。なお、上記一連の工程において、制御装置１は、温度センサ７で検出された温度に基づいてチラー２及びランプヒータ６を制御する。

【0035】

このように、本実施の形態２に係る冷熱衝撃試験方法によれば、試料室にチラーの冷媒を循環させて所定の温度に冷却し、被評価試料を低温環境下からランプヒータにより局部的かつ急昇温させて、高温まで加熱することにより、被評価試料に冷熱衝撃を加え、信頼性の高い冷熱衝撃評価試験を短時間でかつ高速で行い、評価時間の短縮化を図ることが可能となるという効果がある。

【0036】

また、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0037】

１ 制御装置、２ チラー、３ 冷媒管、４ 試料室、５ 冷媒、６ ランプヒータ、７ 温度センサ、１０ 冷熱衝撃試験装置、１１ 被評価試料、１２ モールド樹脂、１３ 半導体素子、１４ 接合材、１５ リードフレーム。

【図1】

【図2】

【図3】