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
大 部 分 の 半 導 体 デ バ イ ス は バ ー ン イ ン（ 以 後 ，BIと 呼 ぶ ）テ ス ト を 行 な っ て 出 荷 さ れ て い る .こ の テ ス ト は ，専 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 境 負 荷 を か け ， 初 期 不 良 品 を 取 り 除 く 非 常 に 重 要 な 評 価 試 験 で あ る .し か し ， 従 来 のBIテ ス ト 装 置 で は ソ ケ ッ ト 起 因 の 実 装 数 の 制 限 ， 温 度 分 布 精 度 の 低 さ に よ る 試 験 時 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 ニ ッ ト の 性 能 評 価 を 基 に ， い く つ か の 課 題 や 新 た な 製 品 価 値 が 抽 出 さ れ た た め ， 本 年 度 は こ れ ら 問 題 の 解 決 を 目 的 に 研 究 開 発 を 進 め た ． セ ン タ ー で は ， 自 己 発 熱 デ バ イ 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 た の で ， 本 報 で は こ れ ら の 結 果 に つ い て 報 告 す る ．
2. 最適 なプ レー ト材 質お よ び形 状の 設定
2.1 プ レ ー ト 材 質 と 形 状 の 検 討
温 調 プ レ ー ト の 最 適 な 材 質 と 形 状 を 検 討 す る た め に ， 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
に 示 す ． 温 調 プ レ ー ト は 側 面 図 の 上 か ら ， ト レ ー ベ ー ス 板 ， プ レ ー ト ， ヒ ー タ ー ， 押 さ え 板 の 順 と な っ て い る ． こ の 温 調 プ レ ー ト を 基 礎 に ， 今 回 検 討 し た 材 質 と 形 状 の 模 式 図 をFig.2に 示 す ． プ レ ー ト の 材 質 は 熱 伝 導 性 の 高 い ア ル ミ ニ ウ ム と 銅 を ， そ し て 形 状 は プ レ ー ト と ヒ ー タ ー の 間 に10mmの ア ル ミ 板 を 挟 み 込 ん だ も の と し ，こ れ ら の 組 み 合 わ せ4つ の モ デ ル を 検 討 し た ．
トレーベ ース板 プレート 押さえ板 ヒーター トレーベ ース板
プレート 押さえ板 ヒーター トレーベ ース板
プレート 押さえ板 ヒーター
Fig.1 温 調 プ レ ー ト の 構 成
10mmアルミ板 プレート材質
アルミ
銅
10mmアルミ板 形状
Fig.2 検 討 し た プ レ ー ト 材 質 と 形 状
27
5 / 1 60 . 0 l l Ra Nu
Pr
Gr
Ra
･
2.2 伝 熱 解 析伝 熱 解 析 を 行 う ソ フ ト に はANSYS 11.0を 用 い た ．解 析 モ デ ル の 俯 瞰 図 をFig.3に 示 す ．
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 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 ） の2種 類 あ る が ， 発 熱 に よ る プ レ ー ト の 温 度 履 歴 を 見 る 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 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 ） は ， ソ フ ト ウ ェ ア 内 の 材 料 デ ー タ を 利 用 し た ． 輻 射 率 は モ デ ル と 同 種 の ア ル ミ 材 （ A 5052番 ） と 銅 材 （ 無 垢 銅 ） をサーモグラフィ（日本アビオニクス(株)製 TVS-8200MK）とK熱 電 対（ 理 化 学 工 業 製ST-60K）で 計 測 し た 温 度 補 正 に よ り 求 め ， そ れ ぞ れAl=0.09とCu=0.02 の 値 を 用 い た ． 雰 囲 気 温 度 は 21℃ と し た ． 熱 伝 達 率 は ， 空 気 と プ レ ー ト が 接 触 す る 部 分 に 設 定 し ， 以 下 の ① チ ャ ン バ ー 内 部 ，② プ レ ー ト -床 間 の 空 気 に ふ れ る 部 分 ，③ そ れ 以 外 の 部 分 に 分 け て 入 力 し た ． 熱 伝 達 係 数 は 以 下 の 式 (1)で 求 め ら れ る ．
こ こ で ， L は 代 表 長 さ ， は 空 気 の 熱 伝 導 率 ，Nu l
は 平 均 ヌ セ ル ト 数 で あ る ． 1)の 熱 伝 達 は 自 然 対 流 と 仮 定 し ， (2)～ (4)の 式
1)
に よ り 平 均 ヌ セ ル ト 数 を 求 め た ．
Prは プ ラ ン ト ル 数 =0.7， gは 重 力 加 速 度 =9.81m/s 2
， は 空 気 の 動 粘 性 係 数 ， は 体 膨 張 係 数 ，T
w
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 ．
チャンバー枠
デバイス
チャンバー枠
デバイス
Fig.3 解 析 モ デ ル
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
時間(s)
発
熱
量
(W
)
温調プレート デバイス
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
時間(s)
発
熱
量
(W
)
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
時間(s)
発
熱
量
(W
)
温調プレート デバイス 温調プレート デバイス
Fig.4 ヒ ー タ ー お よ び デ バ イ ス の 発 熱 パ タ ー ン
2.3 解 析 結 果
過 渡 応 答 の 結 果 をFig.5に ， 発 熱 後2000sの4つ の モ デ ル に お け る プ レ ー ト 表 面 温 度 をTable 1に 示 す ． こ こ 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 ．
過 渡 応 答 で は 発 熱 に 対 す る 応 答 性 は ア ル ミ プ レ ー ト の み が 最 も 良 く ，プ レ ー ト 銅 ＋ 10mmア ル ミ 板 の 温 調 プ レ ー ト が 最 も 悪 い こ と が わ か っ た ． ま た ， 急 な 外 乱 （ 温 調 プ レ ー ト の ヒ ー タ ー 熱 量 を0と し た 部 分 ） を 加 え た 時 も 同 様 な 傾 向 と な っ た ． プ レ ー ト の 温 度 分 布 幅 は ， ア ル ミ よ り 銅 の 方 が 小 さ く ，10mmア ル ミ 板 を 加 え た も の は さ ら に 温 度 分 布 が 小 さ く な っ て い る ．
以 上 の 結 果 か ら ， 自 己 発 熱 型 デ バ イ ス に 対 応 で き る 温 調 プ レ ー ト の 材 質・形 状 は 銅 の プ レ ー ト に10mmア ル ミ 板 を 追 加 す る と 良 い こ と が わ か っ た ． し か し な が ら ， 銅 は ア ル ミ よ り 高 価 で 加 工 性 も 悪 く ， な お か つ 重 さ も ア ル ミ 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 し た ．
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
プレート(アルミ)
プレート(銅)
プレート(アルミ)+アルミ板10mm
プレート(銅)+アルミ板10mm
時間(s)
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
プレート(アルミ)
プレート(銅)
プレート(アルミ)+アルミ板10mm
プレート(銅)+アルミ板10mm
0 50 100 150 200
0 500 1000 1500 2000
プレート(アルミ)
プレート(銅)
プレート(アルミ)+アルミ板10mm
プレート(銅)+アルミ板10mm
時間(s)
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
Fig.5 各 プ レ ー ト の 過 渡 応 答 （ プ レ ー ト 表 面 温 度 ）
Table 1 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℃
L l out
Nu h
3 L
L
T
T
g
Gr
w・・・・・(1)
・・・・・(2)
・・・・・(3)
・・・・・(4)
28
3. 試作 機の 温度 分布 評価
3.1 試 作 機 の 評 価 方 法
試 作 し た 温 調 プ レ ー ト 評 価 の 様 子 をFig.6に 示 す ． ヒ 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 い る ．温 度 制 御 は 通 常BIテ ス ト を 行 な う125℃ に 保 持 す る よ う 設 定 し た ． ま た ， 制 御 用 温 度 セ ン サ ー は プ レ ー ト 中 央 部 に 設 置 し て あ る ．
自 己 発 熱 型 デ バ イ ス は ， 実 際 の 製 品 を 用 い る こ と が 評 価 の 性 質 上 困 難 で あ っ た ． そ こ で ， 30mm×30mm× 2mm の ア ル ミ 板2枚 の 間 に30mm× 30mm× 0.2mmの フ ィ ル ム ヒ ー 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 し ， こ れ を 用 い た (以 降 ， デ バ イ ス と 呼 ぶ )． な お ， デ バ イ ス は 発 熱 量 を 変 化 で き る よ う 安 定 化 電 源 に つ な い だ ． プ レ ー ト の 温 度 分 布 測 定 に は ， K 熱 電 対 （ 理 化 学 工 業 製 ST-55K） を ト レ ー ベ ー ス 板 へFig.6に 示 す8ヵ 所 に 取 り 付 け ， ロ ガ ー （ キ ー エ ン ス 製 NR-TH8） に て 読 み 取 っ た ． 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 分 布 精 度 に 与 え る 影 響 を 評 価 す る た め に ， 以 下 の ２ つ の 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 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 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 ー プ2.2W/deviceの 模 式 図 をFig.7に 示 す ．
3.3 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， 2.5， 2.7W/device と 変 化 さ せ た 場 合 の 評 価 結 果 を 示 す ． 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 測 さ れ た 発 熱 に 対 す る 速 い 応 答 性 が 要 因 と 考 え ら れ る ．
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
果 か ら ， 温 度 分 布 精 度 を 保 て る デ バ イ ス 発 熱 量 は 2.5W/device ま で で あ る ． 温 度 分 布 幅 は 許 容 値 よ り も ま だ 余 裕 が あ る こ と か ら ， プ レ ー ト 全 体 を 均 一 に 冷 却 す る 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 る 可 能 性 が 示 さ れ た ．
Fig.9 に グ ル ー プ 毎 に 発 熱 量 を 変 化 さ せ た 場 合 の 評 価 結 果 を 示 す ． 許 容 範 囲 は ， す べ て の グ ル ー プ に お い て 収 ま っ て い る こ と が わ か る ． ま た ， 温 度 分 布 幅 は グ ル ー プ A，D=1.7W/deviceの も の は ，他 の グ ル ー プ を1.7W/device に し た も の よ り 若 干 広 く な る 傾 向 が 見 ら れ た が ， ほ と ん ど 影 響 は 無 い ． し た が っ て ， こ の 試 作 機 は こ の 程 度 の 発 熱 バ ラ ツ キ で は ， 温 度 分 布 精 度 に 支 障 は 出 な い こ と が わ か っ た ． 今 回 は 温 調 プ レ ー ト の 表 面 温 分 布 が 最 も 悪 く な る デ バ イ ス 発 熱 パ タ ー ン （ 中 央 部 分 デ バ イ ス の み 発 熱 ） を 行 っ て い な い ． 温 調 プ レ ー ト に 冷 却 機 能 を 取 り 付 け た 評 価 も 含 め て ， 今 後 実 施 し た い ．
1 2
3 4
5 6 7
8
1 2
3 4
5 6 7
8
Fig.6 評 価 の 様 子
Group A B C D
1.7W/device 2.2W/device
Group A B C D
Group A B C D
Group A B C D
1.7W/device 2.2W/device
Fig.7 デ バ イ ス の グ ル ー プ 分 け 模 式 図
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
0W 1.6W 1.9W 2.2W 2.5W 2.7W
時間(s)
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128 129
4000 4600 5200 5800 6400 7000 7600
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧ ①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
0W 1.6W 1.9W 2.2W 2.5W 2.7W
時間(s)
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128 129
4000 4600 5200 5800 6400 7000 7600
0W 1.6W 1.9W 2.2W 2.5W 2.7W
時間(s)
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128 129
4000 4600 5200 5800 6400 7000 7600
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128 129
4000 4600 5200 5800 6400 7000 7600
Fig.8 デ バ イ ス 発 熱 量 を 変 化 さ せ た 評 価 結 果
29
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128
5200 5800 6400 7000 7600 8200
時間(s)
GroupA GroupD GroupB GroupC
プ
レ
ー
ト
表
面
温
度
(
℃
)
122 123 124 125 126 127 128
5200 5800 6400 7000 7600 8200
時間(s)
GroupA GroupD GroupB GroupC
122 123 124 125 126 127 128
5200 5800 6400 7000 7600 8200
時間(s)
GroupA GroupD GroupB GroupC
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧ ①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
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 ) , 2009
30
