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技術 差温センサ

出願人 コミサリアアレネルジーアトミックエオゼネルジーアルテルナティブホットブロック、オンボード
発明者 ギョーム、サブリジョエル、デュフルク
出願日 2015年12月18日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2015-247905
公開日 2016年7月14日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2016-128805
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 温度及び熱量の測定
主要キーワード 非統合型 冷熱側 熱電センサ 金属コネクタ 熱伝達表面積 薄層技術 熱伝導要素 電気トラック
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重要な関連分野

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図面 (20)

課題

差温センサを提供すること。

解決手段

熱電層組立体と、少なくとも1つの第1の金属コネクタピン(30)および少なくとも1つの第2の金属コネクタ・ピン(31)を含む支持部材(2)と、支持部材(2)を第1の接続パッドおよび第2の接続パッドにそれぞれ電気的に接続するように配置された第1の金属接続手段および第2の金属接続手段と、高熱源および冷熱源にそれぞれ接続されることを意図されている第1の面および反対の第2の面(8b)と第1の面(8a)を各第1の金属コネクタ・ピン(30)に接続する第1のビア(80)と第2の面(8b)を各第2の金属コネクタ・ピン(31)に接続する第2のビア(81)とを備える外部パッケージ(8)とを含み、支持部材(2)が、コネクタ・ピン(30、31)と金属接続手段との間の熱伝達手段を備えるセンサ(1)。

概要

背景

概要

差温センサを提供すること。熱電層組立体と、少なくとも1つの第1の金属コネクタピン(30)および少なくとも1つの第2の金属コネクタ・ピン(31)を含む支持部材(2)と、支持部材(2)を第1の接続パッドおよび第2の接続パッドにそれぞれ電気的に接続するように配置された第1の金属接続手段および第2の金属接続手段と、高熱源および冷熱源にそれぞれ接続されることを意されている第1の面および反対の第2の面(8b)と第1の面(8a)を各第1の金属コネクタ・ピン(30)に接続する第1のビア(80)と第2の面(8b)を各第2の金属コネクタ・ピン(31)に接続する第2のビア(81)とを備える外部パッケージ(8)とを含み、支持部材(2)が、コネクタ・ピン(30、31)と金属接続手段との間の熱伝達手段を備えるセンサ(1)。

目的

支持部材の金属コネクタ・ピンは、
電子基板等への支持部材の電気的な接続と、
−高熱源および冷熱源と支持部材との間の、第1のビアおよび第2のビアを介した良好な熱伝導
の両方を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

基板(3)と、前記基板(3)上に配置された熱電層組立体(E)であって、熱電対(100、101)の少なくとも1つの第1の接点(10)を前記組立体(E)の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対(100、101)の少なくとも1つの第2の接点(11)を前記組立体(E)の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体(E)と、各第1の接点(10)および各第2の接点(11)にそれぞれ熱を伝達するように配置された少なくとも1つの第1の接続パッド(50)および少なくとも1つの第2の接続パッド(51)とを備える、高熱源(Sc)と冷熱源(Sf)との間の差温センサ(1)であって、前記基板(3)を支持するように配置され、少なくとも1つの第1の金属コネクタピン(30)および少なくとも1つの第2の金属コネクタ・ピン(31)を備える、断熱性支持部材(2)と、前記支持部材(2)を前記または各第1の接続パッド(50)および前記または各第2の接続パッド(51)にそれぞれ電気的に接続するように配置された第1の金属接続手段および第2の金属接続手段と、熱電層の前記組立体(E)と前記支持部材(2)とを包囲する外部パッケージ(8)であって、前記高熱源(Sc)および前記冷熱源(Sf)にそれぞれ接続されることを意図されている第1の面(8a)および反対の第2の面(8b)と、前記第1の面(8a)を各第1の金属コネクタ・ピン(30)に接続する第1のビア(80)と、前記第2の面(8b)を各第2の金属コネクタ・ピン(31)に接続する第2のビア(81)とを備える外部パッケージ(8)とを備え、前記支持部材(2)が、各第1の金属コネクタ・ピン(30)から前記第1の金属接続手段に熱を伝達し且つ前記第2の金属接続手段から各第2の金属コネクタ・ピン(31)に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備えることを特徴とする、センサ(1)。

請求項2

前記外部パッケージ(8)の前記第1の面(8a)および前記第2の面(8b)が、熱伝導材料被覆されていることを特徴とする、請求項1に記載のセンサ(1)。

請求項3

前記支持部材(2)に配置されて熱電層の前記組立体(E)を包含する、好ましくは重合体ベースとする材料で作成された包含層(5)を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載のセンサ(1)。

請求項4

熱電層の前記組立体(E)を包囲する集積回路パッケージ(6)を備え、前記集積回路パッケージ(6)が、前記支持部材(2)を備え、前記外部パッケージ(8)が、前記集積回路パッケージ(6)を包囲することを特徴とする、請求項1または2に記載のセンサ(1)。

請求項5

前記集積回路パッケージ(6)が、少なくとも1つの電気コネクタ・ピン(32)を備え、前記外部パッケージ(8)が、前記電気コネクタ・ピン(32)から延在する少なくとも1つの電気トラック(90)を備えることを特徴とする、請求項4に記載のセンサ(1)。

請求項6

前記外部パッケージ(8)が、前記集積回路パッケージ(6)を支持するように配置された支持部材(9)を備えることを特徴とする、請求項4または5に記載のセンサ(1)。

請求項7

前記第1の金属接続手段および前記第2の金属接続手段が、前記または各第1の接続パッド(50)および前記または各第2の接続パッド(51)にそれぞれはんだ付けされて前記基板(3)と前記支持部材(2)とを組み立てるはんだバンプ(20、21)を備えることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項8

前記第1の金属接続手段および前記第2の金属接続手段が、前記または各第1の接続パッド(50)および前記または各第2の接続パッド(51)にそれぞれ溶接されて前記基板(3)と前記支持部材(2)とを組み立てるボンディングワイヤを備えることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項9

前記熱伝達手段が、前記第1の金属接続手段を前記または各第1の金属コネクタ・ピン(30)に接続する少なくとも1つの第1の金属トラック(40)と、前記第2の金属接続手段を前記または各第2の金属コネクタ・ピン(31)に接続する少なくとも1つの第2の金属トラック(41)とを備えることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項10

熱電層の前記組立体(E)が自由面(SL)を有し、前記センサ(1)が、前記自由面(SL)に対向し、前記自由面(SL)から離間して延在し、前記組立体(E)を前記高熱側および前記冷熱側でそれぞれ継続する、第1の熱伝導要素(7a)および第2の熱伝導要素(7b)を備えることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項11

前記基板(3)と熱電層の前記組立体(E)との間に挿入された誘電層を備えることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項12

前記基板(3)が、ガラス石英などの断熱材料で作成されることを特徴とする、請求項1乃至10のいずれかに記載のセンサ(1)。

請求項13

請求項1乃至12のいずれかに記載の複数のセンサ(1)と、各センサ(1)の前記支持部材(2)が形成される、第1の印刷回路(C1)と、各センサ(1)の熱電層の前記組立体(E)と前記支持部材(2)とを包囲する前記外部パッケージ(8)を前記第1の印刷回路(C1)と前記第2の印刷回路(C2)が共に形成するように、前記第1の印刷回路(C1)に対向して配置される、第2の印刷回路(C2)とを備える、差温測定装置

技術分野

0001

本発明は、差温センサに関する。より詳細には、本発明は、ゼーベック効果熱電センサである。さらに本発明は、複数のそのようなセンサを備える差温測定装置に関する。

0002

図1に示されているように、高熱源Scと冷熱源Sfとの間の現況技術の公知の差温センサ1は、
− 好ましくはシリコンベースとする材料で作成された基板(図示されず)と、
− 基板上に配置され、断熱材料102により分離された熱電層組立体であって、熱電対100、101の少なくとも1つの第1の接点10を組立体の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対100、101の少なくとも1つの第2の接点11を組立体の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体と、
− 各第1の接点10および各第2の接点11にそれぞれ熱を伝えるように配置された少なくとも1つの第1の接続パッドおよび少なくとも1つの第2の接続パッド(図示されず)と
を備える。

0003

高熱」および「冷熱」という用語は、相対的な意味で理解されるものであり、すなわち、「高熱」源の温度は、「冷熱」源の温度よりも高い。

0004

接続パッドは、高熱源Scおよび冷熱源Sfに熱的に接続されることが意図されている。

0005

熱電層の組立体は、N個の熱電対100、101、すなわち、第1の熱電材料100に基づくN個の層と、第2の熱電材料101で作成されたN個の層とを備える。各第1の接点10と、各第2の接点11とは、導電性材料で形成される。

0006

センサ1により生成される出力電圧Vは、以下の式
V=N×(S2−S1)×(Tc−Tf)
により提供されるが、ここで、
− Nは、熱電対100、101の数であり、
− S1およびS2は、それぞれ第1の熱電材料100および第2の熱電材料101のゼーベック係数であり、
− (Tc−Tf)は、組立体の高熱側と冷熱側との間に適用される温度勾配である。

0007

そのような現況技術のセンサ1は、チップを形成し、薄層技術範疇入り、よって巨視的なゼーベック効果熱電センサとは異なる。

0008

「チップ」とは、好ましくはシリコンで作成され、基本構成要素を備えるウェーハを意味する。

0009

したがってそのような現況技術のセンサ1は、小型化が望まれる多様な用途で使用される。非限定的な例として、超小型電子技術携帯電話スマートホーム、スマート・ビルディング、スマート・グリッド、またはある種の工業プロセスを挙げることができる。

0010

さらに、基板に対して直角な流れの温度を測定することができる非統合型平面センサが、従来技術において公知であり、詳細には、文献WO2007034048、FR2955708、WO8402037、およびFR2598803より公知である。

0011

現在、電子機能を実現するために、そのようなセンサ1を回路内の他の基本構成要素に統合する作業は、回路製造の技術プロセス中に実行される。この解決策は、隣接する基本構成要素の影響を考慮する必要がある方法ステップの実行に複雑さと複数の制約とをもたらすため、満足のいくものではない。

0012

さらに、そのようなセンサ1を集積回路パッケージ等のパッケージに直接統合すると、膨大な熱損失を生じさせ、それが組立体の高熱側と冷熱側との間に適用される温度勾配に影響を与え、よってセンサ1の適切な動作を妨げる。

先行技術

0013

WO2007034048
FR2955708
WO8402037
FR2598803

課題を解決するための手段

0014

本発明は、上述された欠点のすべてまたは一部を克服することを目指しており、この目的のために、基板と、基板上に配置された熱電層の組立体であって、熱電対の少なくとも1つの第1の接点を組立体の高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対の少なくとも1つの第2の接点を組立体の冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体と、各第1の接点および各第2の接点にそれぞれ熱を伝達するように配置された少なくとも1つの第1の接続パッドおよび少なくとも1つの第2の接続パッドとを備える、高熱源と冷熱源との間の差温センサであって、
− 基板を支持するように配置され、少なくとも1つの第1の金属コネクタピンおよび少なくとも1つの第2の金属コネクタ・ピンを備える、断熱性支持部材と、
− 支持部材を前記または各第1の接続パッドおよび前記または各第2の接続パッドにそれぞれ電気的に接続するように配置された第1の金属接続手段および第2の金属接続手段と、
− 熱電層の組立体と支持部材とを包囲する外部パッケージであって、高熱源および冷熱源にそれぞれ接続されることを意図されている第1の面および反対の第2の面と、第1の面を各第1のコネクタ・ピンに接続する第1のビア(via)と、第2の面を各第2のコネクタ・ピンに接続する第2のビアとを備える外部パッケージと
を備え、支持部材が、各第1のコネクタ・ピンから第1の金属接続手段に熱を伝達し且つ第2の金属接続手段から各第2のコネクタ・ピンに熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備える点で顕著である、センサに関する。

0015

よって、本発明に係るそのようなセンサは、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段により、支持部材に直接統合される。支持部材の金属コネクタ・ピンは、
電子基板等への支持部材の電気的な接続と、
−高熱源および冷熱源と支持部材との間の、第1のビアおよび第2のビアを介した良好な熱伝導
の両方を提供することを可能にする。

0016

第1の接続手段および第2の接続手段の金属的性質は、
−接続パッドへの支持部材の電気的な接続と、
− 支持部材と接続パッドとの間の良好な熱伝導と
の両方を提供することを可能にする。

0017

「断熱性」とは、支持部材が、約150W/m/Kの値よりも小さい熱伝導率を有することを意味する。

0018

熱伝導性」とは、実体エンティティ)が、約150W/m/Kの値よりも大きい熱伝導率を有することを意味する。

0019

支持部材は、第1の金属接続手段と第2の金属接続手段との間で、支持部材を介して熱橋(thermal path)が形成されるのを回避するために、断熱している。よって、高熱源と冷熱源との間の温度勾配は、第1の金属接続手段と第2の金属接続手段との間で伝えられ得る、したがって熱電層の組立体の高熱側と冷熱側との間で第1の接続パッドおよび第2の接続パッドを介して伝えられ得る。

0020

さらに、統合に起因する熱損失は、熱伝達手段と、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段とにより、大幅に軽減される。

0021

さらに、外部パッケージは、高熱源および冷熱源が支持部材のいずれかの側に、基板に対して直角な平面で配置されているときに、統合型のセンサチップを維持しながら、温度を測定することを可能にする。「センサチップ」とは、基板と、熱電層の組立体と、接続パッドとにより形成される構造を意味する。外部パッケージの厚さと、外部パッケージの第1の面および第2の面とは、高熱源と冷熱源とを分離する距離に適合される。外部パッケージの面およびビアは、高熱源および冷熱源から支持部材に熱を伝達する。

0022

外部パッケージの第1の面および第2の面は、熱電伝導材料で被覆されていると有利である。

0023

よって、高熱源および冷熱源とビアとの間の熱伝達が向上させられる。面は、熱伝導性を有するようになされ、ビアは、高熱源および冷熱源と支持部材との間で熱を伝達する。

0024

実施形態によると、センサは、支持部材に配置されて熱電層の組立体を包含する、好ましくは重合体をベースとする材料で作成された包含層を備える。

0025

実施形態によると、センサは、熱電層の組立体を包囲する集積回路パッケージを備え、集積回路パッケージが、支持部材を備え、外部パッケージが、集積回路パッケージを包囲する。

0026

よって、本発明に係るそのようなセンサは、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段により、集積回路パッケージに直接統合される。外部パッケージの厚さと、外部パッケージの第1の面および第2の面とは、高熱源と冷熱源とを分離する距離に適合され、一方で集積回路パッケージの寸法は、固定され得る。さらに、集積回路パッケージは、熱電層の組立体を包含することを可能にする。

0027

集積回路パッケージが、少なくとも1つの電気コネクタ・ピンを備え、外部パッケージが、電気コネクタ・ピンから延在する少なくとも1つの電気トラックを備えると有利である。

0028

よって、そのような電気トラックは、外部パッケージの電気出力画定することを可能にする。

0029

外部パッケージは、集積回路パッケージを支持するように配置された支持部材を備えると有利である。

0030

よって、外部パッケージの支持部材は、センサの機械的動作を向上させることを可能にする。

0031

実施形態によると、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段は、前記または各第1の接続パッドおよび前記または各第2の接続パッドにそれぞれはんだ付けされて、基板と支持部材とを組み立てるはんだバンプを備える。

0032

よって、そのような金属性のはんだバンプは、優れた熱伝導特性を有する。

0033

代替の実行によると、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段は、前記または各第1の接続パッドおよび前記または各第2の接続パッドにそれぞれ溶接されて、基板と支持部材とを組み立てるボンディングワイヤを備える。

0034

実施形態によると、熱伝達手段は、
− 第1の接続手段を前記または各第1の金属コネクタ・ピンに接続する少なくとも1つの第1の金属トラックと、
− 第2の接続手段を前記または各第2の金属コネクタ・ピンに接続する少なくとも1つの第2の金属トラックと
を備える。

0035

よって、そのような金属トラックは、支持部材の中で、
組立材の高熱側と冷熱側との間の熱橋を回避し、
−電気的な接続を提供し、
−金属コネクタ・ピンと対応する接続手段との間の良好な熱伝導を提供し、
トラックの良好な機械的動作を維持する
ためのパターンを与えられる。

0036

熱電層の組立体が自由面を有し、センサが、自由面に対向し、自由面から離間して延在し、組立体を高熱側および冷熱側でそれぞれ継続する、第1の熱伝導要素および第2の熱伝導要素を備えると有利である。

0037

よって、そのような熱伝導要素は、熱電層の組立体の高熱側と冷熱側との間の熱伝達を均質化することを可能にする。

0038

センサは、基板と熱電層の組立体との間に挿入された誘電層を備えると有利である。

0039

よって、そのような誘電層は、基板を電気的および熱的に絶縁することを可能にする。

0040

実施形態によると、基板は、シリコンをベースとする材料で作成される。

0041

代替の実行によると、基板は、ガラス石英などの断熱材料で作成される。

0042

さらに本発明は、
− 本発明に係る複数のセンサと、
− 各センサの支持部材が形成される、第1の印刷回路と、
− 各センサの熱電層の組立体と支持部材とを包囲する外部パッケージを、第1の印刷回路と第2の印刷回路が共に形成するように、第1の印刷回路に対向して配置される、第2の印刷回路と
を備える、差温測定装置に関する。

0043

よって、本発明に係るそのような装置は、異なる媒体の温度を同時に測定することを可能にする。

0044

上記およびその他の特徴および利点が、本発明に係るセンサおよび装置の多様な実施形態についての、添付の図面を用いた以下の非限定的な説明で詳細に説明される。

図面の簡単な説明

0045

(既に説明された)現況技術のセンサの概略上面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの部分概略側面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの概略上面図である。
図3に示された実施形態の部分概略側面図である。
本発明に係るセンサを統合することが可能な集積回路パッケージの概略斜視図である。
図5に示されたパッケージが裏返された状態を示す概略斜視図である。
本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。
本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。
本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。
本発明の実施形態に係るセンサの概略図である。
ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。
ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。
ビアの多様な実施形態を示す概略上面図である。
図11a乃至図11cに示された実施形態の概略断面図である。
図11a乃至図11cに示された実施形態の概略断面図である。
図11a乃至図11cに示された実施形態の概略断面図である。
ビアの多様な実施形態の概略上面図である。
ビアの多様な実施形態の概略上面図である。
ビアの多様な実施形態の概略上面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
図13a乃至図13cに示された実施形態の概略断面図である。
外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。
外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。
外部パッケージの電気出力の多様な位置を示す概略上面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
図16a乃至図16cに示された位置の概略断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明の実施形態に係るセンサの上面図および断面図である。
本発明に係る装置の断面図である。
図24に示された装置の部分上面図である。
図24に示された装置の部分上面図である。

実施例

0046

説明を簡単にするため、多様な実施形態について、同一の符号が同一の要素または同じ機能を実行する要素に対して使用される。多様な実施形態について以下に説明される技術的な特性は、個別に考慮されるか、または任意の技術的に可能な組み合わせに応じて考慮される。

0047

図2乃至図23cは、高熱源Scと冷熱源Sfとの間の差温センサ1であって、
−基板3(図4に示される)と、
− 基板3上に配置された熱電層の組立体Eであって(組立体Eおよび基板3は、図2および図7乃至図9において長方形として概略的に示されている)、熱電対100、101の少なくとも1つの第1の接点10を、組立体Eの高熱側と呼ばれる片側に備え、熱電対100、101の少なくとも1つの第2の接点11を、組立体Eの冷熱側と呼ばれる反対側に備える組立体Eと、
− 各第1の接点10および各第2の接点11にそれぞれ熱を伝達するように配置された、少なくとも1つの第1の接続パッド50および少なくとも1つの第2の接続パッド51と
を備える、センサ1を示している。

0048

センサ1は、
−基板3を支持するように配置され、少なくとも1つの第1の金属コネクタ・ピン30および少なくとも1つの第2の金属コネクタ・ピン31を備える、断熱性の支持部材2と、
− 支持部材2を、前記または各第1の接続パッド50および前記または各第2の接続パッド51にそれぞれ電気的に接続するように配置された、第1の金属接続手段および第2の金属接続手段と、
−熱電層の組立体Eと支持部材2とを包囲する外部パッケージ8であって、
高熱源Scおよび冷熱源Sfにそれぞれ接続されることを意図されている第1の面8aおよび反対の第2の面8bと、
第1の面を各第1のコネクタ・ピン30に接続する、好ましくは金属性である、第1のビア80と、
第2の面を各第2のコネクタ・ピン31に接続する、好ましくは金属性である、第2のビア81と
を備える外部パッケージ8と
をさらに備える。

0049

支持部材2は、各第1のコネクタ・ピン30から第1の金属接続手段に熱を伝達し、且つ第2の金属接続手段から各第2のコネクタ・ピン31に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を備える。

0050

「高熱」および「冷熱」という用語は、相対的なかたちで理解されるものであり、すなわち、「高熱」源の温度は、「冷熱」源の温度よりも高い。

0051

以後、基板3と、熱電層の組立体Eと、接続パッド50、51とにより形成される構造は、「センサチップ」と呼ばれる。

0052

そのようなセンサ1は、チップ、すなわち、好ましくはシリコンをベースとする材料で作成され、基本構成要素を備える基板形状のウェーハを形成する。

0053

「チップ」とは、好ましくはシリコンをベースとする材料で作成され、基本構成要素を備える、基板形状のウェーハを意味する。

0054

基板3は、平坦であると有利である。基板3は、基板3への熱伝達を制限するために、100から200μmまでの範囲の厚さを有すると有利である。さらに、基板3の厚さにわたり延在する方向は、「第1の方向」と呼ばれる。

0055

熱電層の組立体Eは、N個の熱電対100、101、すなわち、第1の熱電材料100に基づくN個の層と、第2の熱電材料101に基づくN個の層とを備える。第1の熱電材料100は、第1の導電型に応じて電気的にドープされていると有利である。第2の熱電材料101は、第2の導電型に応じてドープされていると有利である。各第1の接点10と、各第2の接点11とは、導電性材料で形成される。熱電層は、断熱材料102により分離される。N個の熱電対100、101と、断熱材料102とは、第1の方向に対して垂直な方向に沿って並置される。

0056

図8に示されている実施形態では、センサ1は、支持部材2に配置されて熱電層の組立体Eを包含する包含層5を備える。包含層5は、重合体をベースとする材料で作成されるのが好ましい。

0057

実施形態によると、センサ1は、熱電層の組立体Eを包囲する集積回路パッケージ6を備え、この集積回路パッケージ6が支持部材2を備える。外部パッケージ8は、集積回路パッケージ6を包囲する。

0058

非限定的な例として、集積回路パッケージ6は、SMD(表面実装型装置)型であり得る。パッケージ6は、断熱材料で作成されるのが好ましい。パッケージ6は、0.1から数mmまでの範囲の厚さを有することが好ましい。パッケージ6は、パッケージ6とセンサチップとの間の熱伝達に悪影響を与えるのを避けるために、慣習的にヒートシンクとして使用されている中央金属面を有さないことが好ましい。

0059

図6に示されているように、パッケージ6は、
− 第1の金属トラック40に接続され、第1の金属トラック40が各第1のコネクタ・ピン30から第1の金属接続手段に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を形成する、第1の金属コネクタ・ピン30の列と、
− 第2の金属トラック41に接続され、第2の金属トラック41が第2の金属接続手段から各第2のコネクタ・ピン31に熱を伝達するように配置された熱伝達手段を形成する、第2の金属コネクタ・ピン31の列と
を備えると有利である。

0060

コネクタ・ピン30、31の列は、バーを形成するように連続していてもよい。パッケージ6は、熱伝達手段としては使用されない追加の金属コネクタ・ピン32の列を備える。追加の金属コネクタ・ピン32は、単純な電気コネクタとして使用される。センサチップは、各第1の接点10および各第2の接点11に電気的に接続される電気接続パッドを備えていてもよい。コネクタ・ピン32は、それらの電気接続パッドに電気的に接続されていてもよい。熱伝達手段として使用されるコネクタ・ピン30、31、および電気コネクタとして使用されるコネクタ・ピン32に異なるレイアウトを選択することは、当業者技能の範囲に含まれる。詳細には、想定される用途、高熱源Scおよび冷熱源Sfの配置、ならびにセンサチップの統合のためのコネクタ要素に応じて、異なるレイアウトが選択される。また、少なくとも1つの金属コネクタ・ピンを、電気コネクタおよび熱伝達手段の両方として使用することも可能である。

0061

実施形態では、第1の金属接続手段は、各第1の接続パッド50にはんだ付けされたはんだバンプ20を備える。第2の金属接続手段は、各第2の接続パッド51にはんだ付けされたはんだバンプ21を備える。はんだバンプ20、21は、基板3と支持部材2とを組み立てることをさらに可能にする。この目的のために、センサ1は、接続パッド50、51に電気的に接続されないが、基板3を支持部材2と組み立てることに貢献して機械的動作を向上させる、追加のはんだバンプ22(図2に示される)を備え得る。はんだバンプ20、21、22は、Au、SnAgAu、SnAgCuを備える群より選択される材料をベースとしていることが好ましい。はんだバンプ20、21、22は、約80μmの厚さに対して、約80μmの直径を有すると有利である。そのような寸法は、小型化と、センサ1の機能のための十分な熱伝達表面積とを関連付けることを可能にする。もちろん、はんだバンプ20、21、22の直径および厚さは、たとえば数十から数百マイクロメートルまで、変化し得る。パッケージ6に属する基板3および支持部材2は、金属接続手段がはんだバンプ20、21、22を備える場合、当業者により知られているフリップチップ法により組み立てられると有利である。パッケージ6に属する基板3および支持部材2は、金属接続手段が溶接ボンディング・ワイヤを備える場合、当業者により知られているワイヤ・ボンディング法により組み立てられると有利である。

0062

第1の金属トラック40は、はんだバンプ20を第1のコネクタ・ピン30に接続する。第2の金属トラック41は、はんだバンプ21を第2のコネクタ・ピン31に接続する。

0063

図7の矢印は、センサ1内での熱伝達の方向を示す。金属トラック40、41は、支持部材2を通って形成され得る。そのような金属トラック40、41は、支持部材2の中で、
−組立材Eの高熱側と冷熱側との間の熱橋を回避し、
−電気的な接続を提供し、
−コネクタ・ピン30、31とはんだバンプ20、21との間の良好な熱接続を提供し、
−トラックの良好な機械的動作を維持する
ためのパターンを与えられる。

0064

これを実現するため、非限定的な例として、そのような金属トラック40、41は、支持部材2の約100nmの厚さに対して、約数十nmの厚さを有し得る。

0065

外部パッケージ8の第1の面8aおよび反対の第2の面8bは、熱伝導材料で被覆されるのが好ましく、高熱源Scおよび冷熱源Sfにそれぞれ接続されることを意図されている。接続は、直接的、すなわち、第1の面8aおよび第2の面8bが、高熱源Scおよび冷熱源Sfとそれぞれ直接接触するかたちでもよい。接続は、間接的、すなわち面8a、8bが熱経路を介して熱源Sc、Sfに接続されるかたちでもよい。外部パッケージ8は、断熱材料で作成されるのが好ましい。面8a、8bは、好ましくは熱伝導材料をベースとする被覆により、熱伝導性を有するようになされる。被覆の熱伝導材料は、Cu、Au、Ag等の金属、銀をベースとする合金、または陽極酸化Al、SiC、AlNを備える群より選択される材料であり得る。被覆の熱伝導材料は、化学蒸着CVD)や物理蒸着PVD)などの多様な手法に応じて、外部パッケージ8に沈着されてもよい。被覆の熱伝導材料は、外部パッケージ8に溶接またははんだ付けされてもよい。外部パッケージ8は、集積回路パッケージ6を支持するように配置された支持部材9を外部パッケージ8の内部に備えていると有利である。集積回路パッケージ6は、外部パッケージ8の支持部材9に、接着、はんだ付け、または溶接により固定されていると有利である。外部パッケージ8の支持部材9は、第2のビア81を受け入れるために支持部材9に形成されたポートを備える。外部パッケージ8は、第1のビア80と第2のビア81との間で、外部パッケージ8の支持部材9を介して熱橋が形成されるのを回避するために、断熱材料で作成されていると有利である。よって、高熱源Scと冷熱源Sfとの間の温度勾配は、各第1のコネクタ・ピン30と各第2のコネクタ・ピン31との間で伝えられ得る、したがって熱電層の組立体Eの高熱側と冷熱側との間で伝えられ得る。外部パッケージ8により画定される包囲は、熱伝達をビア80、81に集中させるために、真空下で設けられると有利であり得る。

0066

第1のビア80は冷熱源Sfに近接し得るため、第1のビア80と、外部パッケージ8の支持部材9とを、適切に幾何学的に構成することが必要である。これを実現するため、以下の式



立証される必要があり、ここで、
− esuppは、外部パッケージ8の支持部材9の厚さであり、
− eviaは、第1のビア80の厚さであり、
− λsuppは、外部パッケージ8の支持部材9の熱伝導率であり、
− λviaは、第1のビア80の熱伝導率であり、
− Ssuppは、外部パッケージ8の支持部材9の側部熱伝導表面積であり、
Sviaは、第1のビア80の側部熱伝導表面積である。

0067

「側部」とは、第1の方向、すなわち基板3の厚さにわたり延在する方向、に対して平行な方向を意味する。

0068

非限定的な例として、以下の表は、第1のビア80と外部パッケージ8の支持部材9とを適切に幾何学的に構成することを可能にするパラメータをまとめたものである。

0069

0070

ビア80、81は、熱伝導材料で作成されると有利である。ビア80、81は、金属性であると好ましい。ビア80、81は、銅または金をベースとする材料で作成されると有利である。

0071

ビア80、81は、多様な形状を有し得る。図11a乃至図11cおよび図13a乃至図13cに示されているように、ビア80、81は、基板3の平面で、長方形、正方形、または円形の断面を有し得る。

0072

ビア80、81は、ワンピースであっても(詳細には、図11aおよび図13bに示されている)、複数のウェルで形成されていても(詳細には、図11b図11c、および図13cに示されている)よい。

0073

簡単にするため、図11a乃至図15cでは第1のビア80のみが示されていることが留意される必要がある。もちろん、説明されている特性は、第2のビア81にも当てはまる

0074

実行モードによると、ビア80、81は中空ではなく中実であり、すなわち、金属等の熱伝導材料で埋められている。代替の実行によると、ビア80、81は中空であり、すなわち、中心で中空化されて、好ましくは金属性である熱伝導円筒壁を形成する。

0075

ビア80、81は、コネクタ・ピン30、31に直接接続されていても、金属トラックを介して間接的に接続されていてもよい。ビア80、81のこれらの多様なアーキテクチャにより、Φ>>1となるようにパラメータeviaおよびSviaを変更することが可能となる。

0076

集積回路パッケージ6は、熱伝達手段として使用されない少なくとも1つの電気コネクタ・ピン32を備えると有利である。外部パッケージ8は、電気コネクタ・ピン32から延在する少なくとも1つの電気トラック90を備えると有利である。詳細には想定される用途と高熱源Scおよび冷熱源Sfの配置とに応じて、電気コネクタ・ピン32に異なるレイアウトを選択することは、当業者の技能の範囲に含まれる。よって、電気コネクタ・ピン32のレイアウトに応じて電気トラック90に異なるレイアウトを選択して、外部パッケージ8の電気出力Sの異なる位置を画定することは、当業者の技能の範囲に含まれる。前記または各電気トラック90は、外部パッケージ8の支持部材9に形成されると有利である。

0077

非限定的な例として、図16a乃至16cは、外部パッケージ8の縁の周辺部に配置された、または、外部パッケージ8の2つの対向する縁の実質的に中央に配置された、2つの電気出力Sを示す。電気出力Sの数は、2に限定されず、1からN個までの範囲であってもよく、Nは自然数である。電気出力Sは、電気コネクタ・ピン32のレイアウトに応じて、外部パッケージ8の縁に無作為に分散されていると有利である。

0078

図19a乃至図19cおよび図20a乃至図20cに示されているように、外部パッケージの第1の面8aは、電気トラック90が外部パッケージ8の支持部材9に形成されるときに、電気出力Sのアクセス性を向上させるために、外部パッケージ8の支持部材9に対して窪んでいると有利である。

0079

図21a乃至図21cに示された実施形態では、センサ1は、外部パッケージ8を包囲する追加外部パッケージ8’を備えていると有利である。

0080

追加外部パッケージ8’は、
−高熱源Scおよび冷熱源Sfにそれぞれ接続されることを意図されている第1の面8’aおよび反対の第2の面8’bと、
− 第1の面8’aを外部パッケージ8の第1の面8aに接続する、外部パッケージ8の第1の面8aの上で直接延在している第1のビア80’と、
− 第2の面8’bを外部パッケージ8の第2の面8bに接続する、外部パッケージ8の第2の面8bの上で直接延在している第2のビア81’と、
− 外部パッケージ8を支持するように配置された支持部材9’と
を備える。

0081

よって、そのような追加外部パッケージ8’は、既に構成された外部パッケージ8を維持しながら、高熱源と冷熱源とを分離する距離にセンサ1を適合させることを可能にする。そのような適合は、詳細には、ビア80’、81’の厚さを変更することにより実行される。

0082

図22a乃至図22cに示された実施形態では、外部パッケージ8は、支持部材9を備えていない。

0083

図23a乃至図23cに示された実施形態では、外部パッケージ8の第1の面8aおよび反対の第2の面8bは、センサ1を可能な限り小型化するために、集積回路パッケージ6の上で直接延在している。

0084

図2および図3に示される実施形態では、熱電層の組立体Eが自由面SLを有し、自由面SLに対向し、自由面SLから離間して延在し、組立体Eを高熱側および冷熱側でそれぞれ継続する、第1の熱伝導要素7aおよび第2の熱伝導要素7bを、差温センサが備える。言い換えると、第1の熱伝導要素7aおよび第2の熱伝導要素7bは、自由面SLの側域の上に、直接接触せずに位置する。第1の熱伝導要素7aおよび第2の熱伝導要素7bは、文献WO2011012586で記載されているように、任意の熱伝導材料で作成され得る。第1の熱伝導要素7aおよび第2の熱伝導要素7bは、金属性であると有利である。第1の熱伝導要素7aおよび第2の熱伝導要素7bは、金属帯板(metal strip)の形式で作成されると有利である。

0085

実施形態では、センサ1は、基板3と熱電層の組立体Eとの間に挿入された誘電層を備える。基板3がシリコンをベースとする材料で作成されている場合、誘電層は、SiO2またはSi3N4であると有利である。誘電層は、数nmから数百μmまでの範囲の厚さを有する。

0086

図24乃至図26は、
− 複数のセンサ1と、
− 各センサ1の支持部材2(図示されず)が形成される、第1の印刷回路C1と、
− 各センサ1の熱電層の組立体Eと支持部材2とを包囲する外部パッケージ8を第1の印刷回路C1と共に形成するように、第1の印刷回路C1に対向して配置される、第2の印刷回路C2と
を備える差温測定装置を示している。

0087

第1の回路C1は、外部パッケージ8の第2の面8bを形成する外面を備える。第2の回路C2は、外部パッケージ8の第1の面8aを形成する外面を備え、第1の面8aと第2の面8bとは、相互に対向している。第1の回路C1は、第2の面8bを各センサ1の支持部材2の各コネクタ・ピン31に接続する、少なくとも1つのビア81を備える。第2の回路C2は、第1の面8aを、各センサ1の支持部材2の各第1のコネクタ・ピン30に接続する、少なくとも1つのビア80を備える。

0088

各センサ1の支持部材2は、表面実装型装置(SMD)と同じ方法で、第1の回路C1にはんだ付けにより形成されると有利である。

0089

各回路C1、C2は、ガラス繊維およびエポキシ樹脂複合物を備える、FR−4(難燃性(Flame Resistant)4の略語)型の材料801で作成されていることが好ましく、各回路C1、C2のトラック800は、銅で作成されていることが好ましい。

0090

第1の回路C1は、平坦であると有利である。第1の回路C1は、約100μmから5mm、好ましくは1mm〜2mmの範囲の厚さを有すると有利である。外部パッケージ8の第2の面8bを形成する、第1の回路C1の外面は、銅等で作成された金属面で作成されていると有利である。銅は、錫めっきまたはニッケル−金沈着により表面処理されていると有利である。

0091

第2の回路C2は、複数の空洞802を備え、それぞれの空洞802がセンサ1を受け入れるように形成されている。複数の空洞802は、フライス加工(milling)により得られることが好ましい。第2の回路C2は、センサ1の厚さよりも500μm大きい厚さを有していると有利である。第2の回路C2は、約1.6mmの厚さを有していることが好ましい。

0092

第2の回路C2は、はんだペースト220を介して、第1の回路C1に組み立てられると有利である。はんだペースト220は、Au、SnAgAu、SnAgCuを備える群より選択される材料をベースとしていることが好ましい。はんだペースト220は、シルクスクリーン印刷により、第1の回路C1上に沈着されると有利である。回路C1およびC2は、はんだ付け炉での焼鈍アニーリング)により固められると有利である。その後、回路C1と回路C2との間で存在し得る隙間を埋め、装置の機械的動作を強化するために、いわゆるアンダーフィル重合体が浸潤(infiltration)により適用され得る。

0093

1差温センサ
2支持部材
3基板
6集積回路パッケージ
7a 第1の熱伝導要素
7b 第2の熱伝導要素
8外部パッケージ
8’ 追加外部パッケージ
8a、8’a 第1の面
8b、8’b 第2の面
9、9’ 支持部材
10 第1の接点
11 第2の接点
20、21はんだバンプ
22 追加のはんだバンプ
30 第1の金属コネクタ・ピン
31 第2の金属コネクタ・ピン
32電気コネクタ・ピン、追加の金属コネクタ・ピン
40 第1の金属トラック
41 第2の金属トラック
50 第1の接続パッド
51 第2の接続パッド
80、80’ 第1のビア
81、81’ 第2のビア
90電気トラック100 第1の熱電材料
101 第2の熱電材料
102断熱材料
800トラック
801 材料
802 空洞
C1 第1の印刷回路
C2 第2の印刷回路
E熱電層の組立体
S電気出力
Sc高熱源
Sf冷熱源
SL 自由面

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