JP3795352B2 - 半導体モジュールの温度制御装置及び温度制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体モジュールの温度制御装置及び半導体モジュールの温度制御方法に関し、とくに環境温度試験の被試験体である半導体モジュールの温度を試験温度に精密に制御する装置及び方法に関する。
半導体モジュール、例えばレーザ等の光半導体素子を搭載する光モジュールは、インターネットに代表される高速通信網の中核部品として広く使用されている。なかでも、小型のクーラレスモジュールは、中短距離の光通信用として需要が拡大している。
【０００２】
かかる半導体モジュールは、海底中継器のように高信頼性が要求される場所、あるいは屋外のように温度環境の厳しい場所で使用されることも多いため、厳しい環境温度試験を経て信頼性を担保している。
この環境温度試験では、半導体モジュールの温度を所定の温度シーケンスに従って変動させてその間の光入出力特性を観測し、観測された半導体モジュールの温度依存性に基づき半導体モジュールの良否を判定する。このため、温度依存性を正確に測定するために、半導体モジュールの温度を正確に制御することが必要とされている。
【０００３】
【従来の技術】
従来、半導体モジュール、例えば光モジュールの環境温度試験では、試験温度に制御された均熱ブロック上に半導体モジュールを載置することで、半導体モジュールの温度を試験温度に保持していた。以下、従来の試験装置について説明する。
【０００４】
図５は従来例側面図であり、半導体モジュールの環境温度試験装置を表している。図５を参照して、従来の試験装置では、装置基台５０上に、熱交換器５３、ペルチェ素子５１及び均熱ブロック５２が、この順序で密着して積み重ねられている。ペルチェ素子５１は、その上面に接触する均熱ブロック５２への吸熱又は放熱を通して均熱ブロック５２の温度を可変する。この均熱ブロック５２の温度は、均熱ブロック５２の上面近くの空洞内に置かれた白金抵抗温度センサ５４により検出され、その検出された均熱ブロック５２の温度が試験温度、即ち試験仕様に規定する環境温度に一致するようにペルチェ素子を駆動する。
【０００５】
半導体モジュール１０は、下面の放熱板１２とその放熱板を覆う蓋１１とを有するパッケージ１３内に、何れも図外の半導体レーザ素子、その温度制御をするための内蔵ペルチェ素子、及び光学部品を内蔵する。環境温度試験の被試験体である半導体モジュール１０は、放熱板１２の下面を均熱ブロック５２上面に密着させて載置され、均熱ブロック５２上面からの熱伝導により均熱ブロックと等温度に維持される。この等温度に維持された状態で、半導体モジュール特性の測定、例えば光入出力特性の測定が行われる。
【０００６】
上述した従来の環境温度試験装置では、試験仕様に定める所定温度に均熱ブロック５２を温度制御する。そして、被試験体である半導体モジュール１０をこの均熱ブロック５２上に載置することで半導体モジュール１０の温度を均熱ブロックの所定温度に到達させている。
しかし、半導体モジュール１０は均熱ブロック５２上に載置されるのみであるから、半導体モジュール１０と均熱ブロック５２間の熱抵抗が接触不良により大きくなりやすい。一方、半導体モジュール１０の上面（均熱ブロック５２と接する面と反対側に位置する面）は、通常は放熱を考慮して、雰囲気との熱抵抗が小さくなるように設計される。この結果、半導体モジュール１０上面からの大きな放熱が、均熱ブロック５２と半導体モジュール１０との間にその間の熱抵抗に起因する大きな温度差を発生させる。その結果、半導体モジュール１０の温度は、所定温度（試験温度）とその温度差分だけ異なることになる。環境温度試験の仕様では、試験温度を半導体モジュール１０の表面温度として定義することが多い。かかる場合、均熱ブロック５２と半導体モジュール１０との間の温度差は、環境温度試験の試験温度の精度を劣化させる要因として無視することができない。
【０００７】
かかる温度差を回避するため、半導体モジュール１０の表面にサーミスタ等の温度センサを貼付し、この温度センサにより半導体モジュール１０の温度を監視する方法が試みられた。しかしこの方法では、温度センサを貼付した部分の熱伝達率が著しく変化して温度分布が変動するため、正確に半導体モジュール１０の温度を測定することができない。
【０００８】
加えて、半導体モジュール１０は、半導体レーザ素子やペルチェ素子等の多量の発熱又は吸熱を伴う素子を内蔵するため、半導体モジュール１０と接する周辺部品の温度分布、例えば均熱ブロック５２の上面近傍の温度分布を変化させてしまう。均熱ブロック５２の温度センサ５４は、必ずしもこの温度分布を正確に検知できる位置にはない。このため、正確な半導体モジュールの表面温度の測定及び制御は一層困難となる。
【０００９】
上述した従来の環境温度試験装置の他の問題は、室温近傍での半導体モジュールの温度制御が難しいことである。
環境温度試験では、通常、常温での試験が要求される。この常温は一般に２５℃近傍の温度として規定され、常温と室温との温度差が極めて近い場合が生ずる。この場合、常温に保持される均熱ブロック５２と室温の雰囲気との間の温度差が小さいため、温度制御が困難になる。さらに、半導体パッケージ表面に接する雰囲気温度の変化が、直ちに半導体パッケージの温度変動を引き起こす。このように、室温に近い常温に半導体パッケージ温度を維持することは、非常に困難であった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の環境温度試験装置に使用されていた半導体モジュールの温度制御装置では、均熱ブロックを試験温度に制御して、その均熱ブロック上に半導体モジュールを載置することで、半導体モジュールの温度を試験温度にまで到達させていた。しかし、均熱ブロックと半導体モジュールとの間の熱抵抗に起因して生ずる温度差のため、半導体モジュールの温度を正確に制御することができないという問題がある。
【００１１】
また、制御温度が室温に近い場合には、半導体モジュールと雰囲気との温度差が小さいため、温度制御が困難になる。さらに、室温の変化に伴う半導体モジュールの温度変動が大きいという問題がある。
本発明は、半導体モジュールの温度を所定温度に精密に制御することができる温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、半導体モジュールを常温近傍の温度に精密に制御することができ、かつ雰囲気の温度変動に影響されることがない半導体モジュールの温度制御装置及び温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の第一実施形態例組立側面図であり、半導体モジュールの支持ユニットの構造を表している。図２は本発明の第一実施形態例断面図であり、ソケットに装着された半導体モジュールを支持ユニットで支持した状態を表している。
【００１４】
本発明の第一の構成では、図１及び図２を参照して、第一の支持ユニット２０の第一の伝熱面２５及び第二の支持ユニット３０の第二の伝熱面３１が、それぞれ半導体モジュール１０の異なる部位、例えば上面と下面とに接触する。この両伝熱面２５、３１を通して、第一及び第二の支持ユニット２０、３０と半導体モジュール１０間の熱の交換がなされる。
【００１５】
第二の支持ユニット３０はさらに、温度センサ３４と断熱部３３とを備える。この断熱部３３は、第二の伝熱面３１と温度センサ３４とを含む領域の周囲に設けられ、この領域への熱の流出入を第二の伝熱面３１からのみの熱流に制限する。なお、この制限は、第二の伝熱面以外からの熱の流出入を完全に遮断するものに限られず、少なくともその一部を抑制するものであればよい。
【００１６】
この第一の構成では、温度センサ３４の測定値（即ち、第二の支持ユニット３０の上記領域の温度の測定値）が所定の制御目標温度に一致するように、第一の支持ユニット２０の温度を制御する。なお、第一の支持ユニット２０は、温度センサ３４により測定される第二の支持ユニット３０の温度が目標温度に一致するように温度制御されるのであり、第一の支持ユニット２０が単独で予め定められた温度に制御されるものではない。
【００１７】
第二の支持ユニット３０より第一の支持ユニット２０の温度が低い場合、熱は、第二の伝熱面３１からこれと接触する半導体モジュール１０の部位を通して半導体モジュール１０に流入し、さらに半導体モジュール１０の他の部位からこの他の部位に接触する第一の伝熱面３１を通して第一の支持ユニットに流入する。逆に、第二の支持ユニット３０より第一の支持ユニット２０の温度が高い場合、熱は逆方向に流れる。従って、第一及び第二の支持ユニット２０、３０と半導体モジュール１０間には、それぞれ第一及び第二の伝熱面２５、３１と半導体モジュール１０間の熱抵抗に基づき、これらの伝熱面２５、３１を流れる熱量に比例する温度差が生ずる。
【００１８】
上述した本発明の第一の構成では、第二の支持ユニット３０の一部領域、即ち温度センサ３４及び第二の伝熱面３１を含む領域が、断熱部３３により熱遮蔽されており、この領域への周囲からの熱の流出入が少ない。一方、第二の伝熱面３１を通して半導体モジュール１０に流れる熱量は、この領域の温度を制御目標温度に一致させるに必要な熱量と、この領域の周囲から流出入する熱量との和である。本構成ではこの領域周囲から流出入する熱量が小さいので、第二の伝熱面３１を流れる熱量も少ない。その結果、第二の支持ユニット３０（正確には第二の伝熱面３１と温度センサ３４を含む領域）と半導体モジュール１０との間の温度差は小さい。従って、半導体モジュール１０の温度を、第二の支持ユニット３０の温度と小さな温度差で一致させることができる。この第二の支持ユニット３０の温度は、温度センサ３４により測定され、その結果に基づき温度制御されるので、正確に所定温度に保持されている。従って、半導体モジュール１０は、所定温度と僅かな温度差内で一致するように温度制御される。
【００１９】
さらに、半導体モジュール１０内部からの発熱がある場合、この発熱による半導体モジュール１０の温度上昇は第二の支持ユニット３０の第二の伝熱面３１近傍の温度を上昇させる。この温度上昇は、第二の伝熱面３１近傍に配置される温度センサ３４により直ちに検知され修正される。この修正は、第一の支持ユニット２０の降温により、半導体モジュール１０から第一の伝熱面２５を通り第一の支持ユニット２０に流入する熱量を増加することでなされる。従って、半導体モジュール１０の発熱は主に第一の伝熱面２５と半導体モジュール１０間の温度差の増加又は減少により吸収され、第二の伝熱面３１を流れる熱量はあまり変わらない。このため、第二の支持ユニット３０と半導体モジュール１０の温度差の変動が少なく、発熱する半導体モジュール１０についても精密な温度制御が可能となる。
【００２０】
なお、上記の熱遮蔽された領域を第二の支持ユニット３０の一部分に制限することで、その領域の熱容量を小さくし、半導体モジュール１０の温度変動を鋭敏に感知することができる。また、第二の支持ユニット３０に設けられた断熱部３３は、第二の支持ユニット３０と外部環境、例えば室内雰囲気との間の熱抵抗を大きくする。従って、外部環境の温度変化が半導体モジュール１０の温度制御に及ぼす影響は小さくなる。
【００２１】
図４は本発明の第二実施形態例組立断面図であり、半導体モジュールの支持ユニットを表している。
図４を参照して、上述した本発明の第一の構成の断熱部３３を設けず、代わりに第二の支持ユニット３０の温度を昇降する温度可変部３６を設けることもできる。この温度可変部３６は、第二の支持ユニット３０がほぼ制御目標温度に保持されるように、又は、少なくとも制御目標温度に近づく温度に保持されるように駆動される。この駆動は、温度センサ３４を含む領域以外の第二の支持ユニット３０の部分を予め定める温度に制御するものでもよく、あるいは、予め定める温度シーケンスに従い所定の発熱又は吸熱を行うものでもよい。本構成では、温度センサ３４を含む領域とその周囲との温度差が小さいので、温度センサ３４を含む領域への熱の流出入が少なく、断熱部３３を設けたと同様の効果を奏することができる。
【００２２】
本発明の第二の構成では、図４を参照して、既述の第一の構成と同様に、第一の支持ユニット２０の第一の伝熱面２５及び第二の支持ユニット３０の第二の伝熱面３１が、それぞれ半導体モジュール１０の異なる部位に接触し、この両伝熱面２５、３１を通して、支持ユニット２０、３０と半導体モジュール１０間の熱の交換を行う。
【００２３】
本第二の構成では、第一及び第二の支持ユニット２０、３０は、それぞれ異なる所定の温度に制御されている。半導体モジュール１０には、この第一及び第二の支持ユニット２０、３０間の温度差に基づく熱流が生ずる。この熱流は、両支持ユニット２０、３０が一定温度に制御されている限り定常流である。即ち、両伝熱面２５、３１を流れる熱量は一定であり、その結果、半導体モジュール１０と両支持ユニット２０、３０間の温度差も時間変動のない一定値になる。従って、半導体モジュール１０は、第一及び第二の支持ユニット２０、３０の中間の一定温度に保持される。なお、支持ユニット２０、３０の所定の温度が温度シーケンスに従い準定常に変化する場合も，定常流が準定常流に変わるのみで同様に論ずることができる。
【００２４】
この半導体モジュール１０の温度は、第一及び第二の支持ユニット２０、３０の温度と、半導体モジュール１０と第一及び第二の伝熱面２５、３１間の熱抵抗とにより決定される。半導体モジュール１０と第一及び第二の伝熱面２５、３１との間の熱抵抗は、半導体モジュール１０が支持ユニット２０、３０に装着された後は一定不変であり、支持ユニット２０、３０の温度変化あるいは時間経過によっては変動しない。従って、２つの伝熱面２５、３１の熱抵抗又はその熱抵抗比が予め知得されていれば、半導体モジュール１０の温度が所定温度になるように、第一及び第二の支持ユニット２０、３０の温度を定めることができる。言い換えれば、半導体モジュール１０を、温度差なく正確に所定温度に一致させることができる。なお、熱抵抗は、例えば半導体モジュール１０の温度を測定することで知ることができる。
【００２５】
さらに、半導体モジュール１０の温度を所定温度に保持することができる第一及び第二の支持ユニット２０、３０の温度は、ただ一組の温度に限られない。例えば、一方をより高温に他方をより低温にした連続する温度の組を用いて実現することもできる。従って、第一及び第二の支持ユニット２０、３０の温度差を大きくして、半導体モジュール１０を所定温度に制御することができる。このように支持ユニット２０、３０間の温度差を大きくすることで、伝熱面２５、３１を流れる熱量を大きくし温度制御の安定性を向上させることができる。また、所定温度が室温に近い場合、温度制御対象である支持ユニット２０、３０と室温との温度差を大きくとることができるので、支持ユニット２０、３０の温度制御も安定する。なお、伝熱面２５、３１を流れる熱量が大きくても、半導体モジュール１０と伝熱面２５、３１間の温度差に関係なく半導体モジュール１０は常に熱抵抗の比に応じた所定の温度に正確に制御される。
【００２６】
上記本発明の第二の構成において、半導体モジュール１０の発熱量が一定のときは、その発熱により生ずる半導体モジュール１０の温度上昇分を単に加えることで半導体モジュール１０を正確な温度に制御することができる。他方、発熱量が変わる場合、例えば半導体モジュール１０の温度に依存する場合でも、発熱による温度上昇分が知得できれば、発熱量が一定の場合と同様に正確な温度に制御することができる。しかし、発熱量が変わる場合に温度上昇分を常に知ることは難しい。かかる場合でも、支持ユニット２０、３０間の温度差を大きくして伝熱面２５、３１を流れる熱量を大きくすることで、半導体モジュール１０の発熱により生ずる熱流量の変化の割合を小さくし、発熱による温度変動を小さくすることができる。
【００２７】
本発明の第三の構成は、複数の伝熱面を通して半導体モジュールと熱交換させる温度制御方法に関する。なお、上述の本発明の第二の構成で採用された温度制御方法は、本第三の構成において伝熱面が２面の場合に相当する。
本第三の構成では、複数の伝熱面はそれぞれ所定の温度に制御されており、その複数の伝熱面のうち少なくとも１面は他の伝熱面と異なる温度に制御されている。従って、本発明の第二の構成で説明したように、これらの伝熱面に接触する半導体モジュールを所定温度に一致するように温度制御することができる。また、温度制御の安定性がよいこと、室温等の影響が小さいこと等、ほぼ第二の発明と同様の作用及び効果を奏する。
【００２８】
上述した第一〜第二の構成において、伝熱面２５、３１を対向させて配し、その間に半導体モジュール１０を挟持することができる。挟持することにより、伝熱面２５、３１を半導体モジュール１０に押圧することができるので、その間の熱抵抗を小さくすることができる。
さらに、第一〜第二の構成において、特殊な構造の支持ユニットとソケットとを用いることで、ソケットに装着した状態の半導体モジュールを温度制御することができる。以下、この支持ユニット及びソケットを説明する。
【００２９】
図３は本発明の第一実施形態例斜視図であり、ソケット及び支持ユニットのヘッド部を表している。図３（ａ）はソケットの透視図、図３（ｂ）はヘッド部の斜視図、図３（ｃ）はヘッド部の図３（ｂ）中のＡＢ破断面を表している。
図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、半導体モジュール１０が装着されるソケット４０は、ソケット基体４１の中央に貫通穴４２が開設されている。他方、支持ユニットにはヘッド部３２が突設され、そのヘッド部３２の先端は伝熱面３１となっている。このヘッド部３２は貫通穴４２を嵌通し，伝熱面３１がソケット基体４１から突出する。この突出した伝熱面３１が、ソケット基体４１に装着された半導体モジュール１０の表面に当接する。この支持ユニット及びソケットを用いることで、半導体モジュールをソケットに装着したまま既述の本発明の第一及び第二の構成に係る温度制御装置を適用することができる。なお、ソケット４０の貫通穴４２を嵌通するヘッド部３２は、第一及び第二の支持ユニット２０、３０のいずれに設けられていても差し支えない。
【００３０】
本発明の第四の構成では、半導体モジュールの温度制御を行う第一ユニットと、半導体モジュールの温度を測定する第二ユニットとが、別ユニットとして離間している。半導体モジュールは、温度制御を行うに好適な部位と、温度測定を行うに好適な部位とが異なる場合がある。本構成によれば、それらの部位に独立に熱的な接続を行うことが可能になる。
【００３１】
また、半導体モジュールの内部は均質ではないので、半導体モジュールの温度を所定温度だけ変化しようとしても、その温度の時間変化の傾き（単位時間当たりの温度変化）は、温度制御を行う第一ユニットの温度の時間変化の傾きとは異なることがある。本構成によれば、温度制御を行う第一ユニットの温度を測定するのではなく、それとは別個に半導体モジュールに熱的に接触する第二ユニットによって、その温度を測定するので、半導体パッケージの温度の時間変化の傾きが第一ユニットの温度を測定するよりも正確に取得することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の第一実施形態例は、光モジュールの環境温度試験に使用される本発明の第一の構成に係る半導体モジュールの温度制御装置に関する。
まず、環境温度試験の被試験体である半導体モジュールを説明する。図１を参照して、本実施形態例に供された半導体モジュール１０は、半導体レーザ素子（図外）を内蔵する光モジュールであり、底面を構成する取り付け用金具を兼ねた放熱板１２とその放熱板１２上面を箱状に覆う蓋１１とからなるパッケージ１３を有する。パッケージ１３内には、放熱板１２上にいずれも図外のレーザ素子温度制御用のペルチェ素子と光部品とが設けられ、図外の半導体レーザ素子はそのペルチェ素子上に搭載されている。パッケージ１３の両側面には、ＤＩＰ（デュアルインラインパッケージ）のリードピン１５が列設され、パッケージ１３の先端から光ファイバ１４が引き出される。
【００３３】
この半導体モジュール１０は、温度制御装置の冶具であるソケット４０に装着されて環境温度試験に供される。ソケット４０は、図３（ａ）を参照して、ソケット基体４１上面に、半導体パッケージ１０のピン１５が挿入されるピン穴４５を左右２列に設ける。ソケット基体４１の両側面に，各ピン穴４５に対応してパッド４３が設けられている。なお、図３（ａ）中には、一部のパッド４３が省略されている。ピン穴４５にはピン１５と電気的に接続するための接触子（図外）が設けられており、この接触子は内部配線により対応するパッド４３に電気的に接続されている。このパッド４３は、環境温度試験の際に測定器類と半導体モジュール１０との電気的接続のために使用される。
【００３４】
このソケット４０は、ソケット基体４１の中央部分に貫通穴４２が開設されている。この貫通穴４２は、図３（ｂ）を参照して、支持ユニット３０に突設されたヘッド部３２が嵌通するように、ヘッド部３２の形状に合わせた形状とする。貫通穴４２は、嵌通したヘッド部３２の上面（伝熱面３１）が半導体モジュール１０表面の熱伝達率の大きな部位に当接する位置に設けることが好ましい。また、貫通穴４２の面積は大きいことが、ヘッド部３２上面の伝熱面３１の面積を大きくする観点から好ましい。なお、貫通穴４２は、完全にソケット基体４１の内部に設けられる場合に限られず、一部がソケット基体４１の側面に表出しても差し支えない。
【００３５】
環境温度試験は、図１及び図２を参照して、ソケット４０に装着された半導体モジュール１０を支持ユニット２０、３０により上下から挟持した状態で行われる。
温度制御装置を構成する下側の支持ユニット２０は、図１、図２及び図３を参照して、支持ユニット２０の台座をなすユニット台３５上面に、断熱材の層からなる断熱部３３を介在させて、良熱伝導材料からなる、例えば銅製の直方体のヘッド部３２が設けられている。このヘッド部３２は、ソケット４０の貫通穴４２に緩く嵌合して貫通し、ヘッド部３２上面がソケット基体４１上面から突出する。ヘッド部３２上面は平坦な伝熱面３１として形成されており、支持ユニット２０、３０により挟持された半導体モジュール１０の放熱板１２の下面に密接する。また、ヘッド部３２には下面から穿設された空洞３８が設けられ、この内部に白金抵抗温度センサ３４が貼付される。この下側の支持ユニット２０は、ヒートシンクを兼ねる温度試験装置の装置基台５０上に設置される。
【００３６】
温度制御装置を構成する上側の支持ユニット２０は、ペルチェ素子からなる温度可変部２１の下面に、良熱伝導材料からなる均熱ブロック２２が密着している。温度可変部２１は、この均熱ブロック２２への熱の放出又は吸収を通して、均熱ブロック２２の温度を可変する。温度可変部２１の上面には熱交換器２３が設けられ、温度可変部２１の廃熱及び吸熱を処理する。この熱交換器２３は、例えば空冷式又は液冷式のものが使用できる。均熱ブロック２２の下面は平坦な伝熱面２５として形成されている。熱交換器２３の上方にはバネ２４が設けられ、このバネ２４により均熱ブロック２２、温度可変部２１及び熱交換器２３を押下する。これにより、伝熱面２５が半導体モジュール１０のパッケージ１３上面に押圧され密着する。このバネ２４の押圧は、伝熱面２５とパッケージ１３との密着をよくする観点からは高いほど好ましい。このため、パッケージ１３強度の許容される範囲内でバネ２４の押圧を高くする。本実施形態例では、押圧はパッケージ材料に応じて自動的に選択された値に設定される。パッケージ１３強度は通常はパッケージ材料によりおおよそ定まるから、このようにして押圧を選択することで簡単に適切な圧力となすことができる。
【００３７】
次に、環境温度試験における半導体モジュールの温度制御について説明する。図１を参照して、ソケット４０のピン穴４５に半導体モジュール１０のピン１５を挿入して、ソケット基体４１上に半導体モジュール１０を装着する。次いで、図２を参照して、下側の支持ユニット３０のヘッド部３２がソケット基体４１の貫通穴４２を貫通し、ヘッド部３２上面の伝熱面３１が半導体モジュール１０の放熱板１２下面に密着するように、ソケット４０を支持ユニット３０上に装着する。このとき、半導体モジュール１０及びソケット４０は、伝熱面３１上に放熱板１２が載置されて支持される。
【００３８】
次いで、半導体モジュール１０の上方から上側の支持ユニット２０を下降し、半導体モジュール１０のパッケージ１３上面に均熱ブロック２２下面の伝熱面２５を密着させて押圧する。従って、半導体モジュール１０は上下から支持ユニット２０、３０の伝熱面２５、３１に挟まれ支持される。このとき、複数のバネ２４を用いて押圧する。これにより、パッケージ１３上面が水平から傾斜している場合でも、伝熱面２５はパッケージ１３上面に沿って傾き密着する。
【００３９】
次いで、測定器（図外）のプローブをソケット基体４１側面のパッド４３に当接して、半導体モジュール１０と電気的に接続する。また、光ファイバ１４を図外の光測定器、例えば光強度測定器及び光波長測定器に接続する。
次いで、半導体モジュール１０を駆動し、光測定を開始する。その後、試験使用に定める温度シーケンスに従い半導体モジュール１０の温度制御を開始する。この温度制御は、上側の支持ユニット２０の温度可変部２１への制御電力を調整し、温度センサ３４で測定される下側の支持ユニット３０のヘッド部３２の温度が温度シーケンスに定める所定温度に一致するように制御する。これにより、半導体モジュール１０は所定温度に精密に制御される。
【００４０】
本発明の第二実施形態例に係る温度制御装置は、上下の支持ユニットに温度可変部を有する装置に関する。図４は本発明の第二実施形態例組立断面図であり、温度制御装置の構造を表している。
本実施形態例の半導体モジュール及びソケットは、図４を参照して、上述した第一実施形態例の半導体モジュール及びソケットと同様である。
【００４１】
本実施形態例の下側の支持ユニット３０は、図４を参照して、上述した第一実施形態例の下側の支持ユニット（図１及び図２の支持ユニット３０）と、以下の点で異なる。第一点は、ヘッド部３２をユニット台３５から熱遮蔽する断熱部３３を備えないことである。従って、ヘッド部３２とユニット台３５との間の熱交換は妨げられない。むしろ、この実施形態例では、ユニット台３５を良熱伝導材料で制作して、ヘッド部３２とユニット台３５との温度差を少なくすることが好ましい。第二点は、支持ユニット３０の温度を変化することができる温度可変部３６を備えることである。温度可変部３６は例えばペルチェ素子から構成され、ユニット台３５の下面に密接させて設けられる。さらに、温度可変部３６の廃熱処理をする熱交換器３７を温度可変部３６の下面に設ける。その他の点は、ソケット４０の貫通穴４２に嵌通するヘッド部３２の上面に伝熱面３１が形成されること、ヘッド部３２の温度を測定する温度センサ３４が設けられること、を含めて第一実施形態例の下側の支持ユニット３０と同様である。
【００４２】
本実施形態例の上側の支持ユニット２０は、均熱ブロック２２の温度を測定する温度センサ２６が設けられる点を除き、第一実施形態例の上側の支持ユニット３０と同様である。
上述した本発明の第二実施形態例に係る温度制御装置は、２通りの方法で使用される。以下、図４を参照して、半導体モジュール１０を上下の支持ユニット２０、３０により挟持した後、半導体モジュール１０を温度制御する手順を説明する。
【００４３】
第一の使用方法では、第一実施形態例と同様に、ヘッド部３２の温度が所定温度に保持されるように上側の支持ユニット２０の温度可変部２１を制御する。まず、下側の支持ユニット３０の温度可変部３６への電力をコントロールし、温度センサ３４で測定されるヘッド部３２の温度を、所定温度（例えば２５℃）に近い温度（例えば２４℃〜２６℃の範囲の一定温度）に保持する。ヘッド部３２の温度が定常状態に到達した後、温度可変部３６への電力をその値に固定する。この電力を固定する代わりに、温度可変部３６上面又はユニット台３５の温度を測定して、その温度が一定になるように電力を制御してもよい。これにより、室温等の装置環境の温度変化が、ヘッド部３２の温度制御に与える影響を抑制することができる。
【００４４】
次いで、上側の支持ユニット２０の温度可変部２１に電力を供給し、均熱ブロック２２の温度を可変し始める。この均熱ブロック２２の温度は、ヘッド部３２の温度が所定温度に一致するように制御される。ヘッド部３２が所定温度に到達したら、半導体モジュール１０の電気的及び光学的試験を開始する。
この使用方法では、ユニット台３５とヘッド部３２との温度差が小さいので、ヘッド部３２へ流出入する熱量が少ない。このため、ヘッド部３２と半導体モジュール１０間の温度差も小さくなり、半導体モジュール１０を精密に所定温度に制御することができる。また、均熱ブロック２２の温度を温度センサ２６で監視することもできる。この場合、半導体モジュールは、上下の支持ユニット２０、３０に設けられた２個の温度センサ２６、３４により測定される温度範囲内に制御されていることが確認できる。
【００４５】
第二の使用方法では、上下の支持ユニット２０、３０をそれぞれ異なる温度に保持して、半導体モジュール１０を所要温度に制御する。この方法では、上側の支持ユニット２０の温度可変部２１を制御して、温度センサ２６により測定される均熱ブロック２２の温度を予め定める温度に一致させる。他方、下側の支持ユニット３０の温度可変部３６を制御して、温度センサ３４により測定されるヘッド部３２の温度を、均熱ブロック２２と異なる予め定める温度に一致させる。例えば、半導体モジュール１０の温度を２５℃に制御したい場合、均熱ブロック２２を２６℃に、ヘッド部３２を２４℃に一致するように温度可変部２１、３６を制御する。このとき、均熱ブロック２２とヘッド部３２との温度差を大きくすると、伝熱面２５、３１を流れる熱量が多くなり温度制御の安定性が増す。この制御ループは、上下の支持ユニット２０、３０毎に独立になされる。例えば、均熱ブロック２２の温度制御は、この均熱ブロック２２内に設けられた温度センサ２６の出力により上側の支持ユニット２０の温度可変部２１を制御して行う。一方、ヘッド部３２の温度制御は、このヘッド部３２内に設けられた温度センサ３４の出力により下側の支持ユニット３０の温度可変部３６を制御して行う。
【００４６】
この第二の使用方法では、半導体モジュール１０の温度は、常に均熱ブロック２２とヘッド部３２との中間の温度範囲に保持されることが保証されている。また、半導体モジュール１０と均熱ブロック２２及びヘッド部３２との間の熱抵抗又はその比が知得できれば、均熱ブロック２２及びヘッド部３２の温度から正確な半導体モジュールの温度を算出することができる。従って、半導体モジュール１０の温度を試験仕様に定める所定温度、例えば２５℃に正確に一致させることができる。
【００４７】
熱抵抗の比は、熱平衡状態で半導体モジュール１０の温度が一定に維持されるように、支持ユニット２０、３０の一方を昇温し、他方を降温することで求めることができる。即ち、この昇温分と降温分の比が熱抵抗の比となる。半導体モジュール１０の温度が一定に維持されているかどうかは、半導体モジュール１０の温度を放射温度計を用いて直接観測する他、半導体モジュール１０の光特性、例えば光強度及び波長が一定に維持されているかどうかを観測することによって確認できる。なお、半導体モジュール１０の温度が直接測定できれば、直ちに熱抵抗が算出される。
【００４８】
本発明の第三実施形態例の温度制御装置を、上述した本発明の第一実施形態例の温度制御装置を参照しつつ説明する。図１、２及び３を参照して、本実施形態例の第一ユニットは、第一実施形態例の第一の支持ユニット２０と同様のもので、温度可変部２１の一面に均熱ブロック２２を、他面に熱交換器２３を備える。均熱ブロック２２には伝熱面２５が形成され、半導体パッケージ１３にバネ２４で押圧されて熱的に接触する。ここで、第一ユニットの温度は、半導体モジュール１０の特定部位の温度が所定温度になるように制御される。ここで、特定部位は、通常は半導体モジュール１０の温度制御に好適な部位、例えば放熱板１２に選択される。本実施形態例の第二ユニットは、半導体モジュール１０の上記特定部位以外の部位の表面温度を測定するユニットであればよく、第一実施形態例の第二の支持ユニット３０と同様のものを用いることができる。また、第一実施形態例の第二の支持ユニット３０の断熱部を設けないものを用いることもできる。なお、第二ユニットを、上記特定部位の表面温度を測定するユニットとすることもできる。この場合、第二ユニットにより測定された半導体パッケージ１０の温度が所定温度になるように、第一ユニットを温度制御する。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体モジュールを接触させる領域の周囲を熱遮蔽してこの領域に流入又は流出する熱量を小さくするので、半導体モジュールと温度センサとの温度差が小さくなり、半導体モジュールを精密に所定温度に制御することができる
また、本発明の他の発明によれば、互いに異なる温度に制御された伝熱面に半導体モジュールを接触させて半導体モジュールの温度を所定温度に保持するので、半導体モジュールを正確に所定温度に一致させることができる。
【００５０】
このように、本発明によれば半導体モジュールを精密に温度制御することができるので、精密な温度試験が可能となり半導体装置の信頼性の向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態例組立側面図
【図２】本発明の第一実施形態例断面図
【図３】本発明の第一実施形態例斜視図
【図４】本発明の第二実施形態例組立断面図
【図５】従来例側面図
【符号の説明】
１０ 半導体モジュール
１１ 蓋
１２ 放熱板
１３ パッケージ
１４ 光ファイバ
１５ ピン
２０、３０ 支持ユニット
２１、３６ 温度可変部
２２ 均熱ブロック
２３、３７ 熱交換器
２４ バネ
２５、３１ 伝熱面
２６、３４ 温度センサ
３２ ヘッド部
３３ 断熱部
３５ ユニット台
４０ ソケット
４１ ソケット基体
４２ 貫通穴
４３ パッド
４５ ピン穴
５０ 装置基台

Claims (8)

1. 第一の伝熱面を半導体モジュールの第一の部位に接触させて該半導体モジュールを支持する、第一の所定温度に制御された第一の支持ユニットと、
   第二の伝熱面を該半導体モジュールの第二の部位に接触させて該半導体モジュールを支持する、該第一の所定温度と異なる第二の所定温度に制御された第二の支持ユニットとを備え、
   前記半導体モジュールの周囲温度に近い温度に前記半導体モジュールを設定する場合に、前記半導体モジュールの温度が前記第一の所定温度と前記第二の所定温度との間になるように、前記第一の所定温度と前記第二の所定温度とを設定することを特徴とする半導体モジュールの温度制御装置。
2. 該第一及び第二の支持ユニットは、対向する該第一及び第二の伝熱面により該半導体モジュールを挟持することを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
3. 該第一又は該第二の支持ユニットに突設された凸部の先端に該伝熱面が設けられたヘッド部と、該半導体モジュールを装着するソケットに開設された該ヘッド部が嵌通する貫通穴とを備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
4. 該半導体モジュールは、光半導体素子を搭載する光モジュールであることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
5. 環境温度試験の被試験体である該半導体モジュールを、試験温度に制御することを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
6. 該第一又は該第二の支持ユニットは、ペルチェ素子により昇降温されることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュールの温度制御装置。
7. 半導体モジュールの周囲温度に近い温度に前記半導体モジュールを設定する場合に、
   前記半導体モジュールの複数の部位のうちの第一の部位を、第一の温度に保持された第一の伝熱面に接触させ、
   該複数の部位のうちの他の部位を、前記半導体モジュールの温度が前記第一の温度と第二の温度との間になるような前記第二の温度に保持された他の伝熱面に接触させて、
   該半導体モジュールの温度を制御することを特徴とする半導体モジュールの温度制御方法。
8. 該半導体モジュールは、光半導体素子を搭載する光モジュールであることを特徴とする請求項７記載の半導体モジュールの温度制御方法。

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