CN101785375B - 水套 - Google Patents

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Abstract

水套(50)具备可容纳MCM(22A)并可流通制冷剂的通路(51)，所述通路(51)在MCM(22A)上游具有与其它部分相比流路截面积小的缩颈部(54)。

Description

水套
技术领域
本发明涉及一种用于冷却基板上安装的电子元件而安装在基板上的水套，以及具备此水套的电子元件冷却装置、电子元件测试装置。
背景技术
半导体集成电路元件等各种电子元件(以下也简称为DUT(Device UnderTest))的制造过程中，电子元件测试装置被用来测试DUT的性能和作用。该电子元件测试装置具备：向DUT发出测试信号并检查应答信号的测试机主体、与测试机主体连接并具有用于与DUT电接触的插座的测试头和将DUT依次运送到测试头上方并按照测试结果对完成测试的DUT进行分类的处理机(handler)。利用该电子元件测试装置的测试是在通过处理机对DUT施加高温或低温的热应力的状态下实行的。
这样的电子元件测试装置的测试头具备作为DUT与测试机主体之间电气接口使用的多个管脚电路卡(Pin Electronics Card)，每个管脚电路卡由安装有许多测试用的高频电路、电源电路等各种测试用器件的基板构成。
管脚电路卡上安装的测试用器件中，在DUT测试时存在由于自发热而呈现高温的情况。对此，为将因自发热呈现高温的测试用器件直接浸泡在制冷剂(refrigerant)中，管脚电路卡上安装有覆盖测试用器件的水套，这是历来为人所知的(例如参照专利文献1和2)。
上述水套中，制冷剂流通的通路的流路截面积是一定的。因此，在可向水套供给的制冷剂的流量限制于一定量的情况下，在冷却效率的提高上存在界限。
专利文献1：日本特开平10-51169号公报
专利文献2：日本特开平10-303586号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于，提供一种可提高冷却效率的水套，以及具备该水套的电子元件冷却装置、电子元件测试装置。
解决技术问题的方法
为了达成上述目的，依据本发明，提供一种水套，用于通过制冷剂冷却基板上安装的电子元件并安装于所述基板上，具备容纳所述电子元件并流通所述制冷剂的通路，所述通路在所述电子元件上游具有与其它部分相比小的流路截面积的缩颈部(参照权利要求1)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述缩颈部具有比所述电子元件小的开口宽度(参照权利要求2)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述缩颈部沿所述制冷剂的流通方向与所述电子元件具有的半导体芯片设在同一直线上(参照权利要求3)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述水套具备使所述制冷剂朝向电子元件具有的半导体芯片的指向部件(参照权利要求4)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述缩颈部也设在所述电子元件的下游(参照权利要求5)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述通路容纳多个排列的所述电子元件，多个所述缩颈部分别设在各所述电子元件的上游(参照权利要求6)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述多个缩颈部具有与所述电子元件发热量相对应的彼此不同的开口宽度(参照权利要求7)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述多个缩颈部的开口宽度越趋向下游越小(参照权利要求8)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述通路具有将各所述电子元件隔开的间隔壁，所述缩颈部设在所述间隔壁上(参照权利要求9)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述间隔壁包括第1间隔壁和与所述第1间隔壁邻接的第2间隔壁，所述第1间隔壁为从所述第2间隔壁上引出的分岔(参照权利要求10)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述通路在具有所述电子元件的第1半导体芯片和具有所述电子元件的第2半导体芯片之间具有从上游向下游使流路截面积变小的台阶部(参照权利要求11)。
对上述发明无特别限定，优选地，所述通路具有生成所述制冷剂湍流的湍流生成部件(参照权利要求12)。
为了达成上述目的，依据本发明，提供一种电子元件冷却装置，通过制冷剂对基板上安装的电子元件进行冷却，具备上述水套和向所述水套的所述通路供给制冷剂的制冷剂供给部件(参照权利要求13)。
另外，为了达成上述目的，依据本发明，还提供一种电子元件测试装置，用于对被测试电子元件进行测试，具备安装有与所述被测试电子元件电接触的接触部和测试用电子元件并与所述接触部电接触的基板和上述电子元件冷却装置，所述电子元件冷却装置具有的所述水套安装在所述基板上以通过制冷剂冷却所述测试用电子元件(参照权利要求14)。
发明的有益效果
本发明中，使制冷剂通过通路中流路截面积比其它部分小的缩颈部，从而使制冷剂的流速上升，由此能够提高制冷剂对电子元件的冷却效率。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的电子元件测试装置的概略截面图。
图2是沿图1中II-II线的测试头的截面图。
图3是沿图2中III-III线的截面图。
图4是表示本发明第1实施例的电子元件冷却装置的框图。
图5是表示沿图3中V-V线的水套的截面图。
图6是沿图5中VI-VI线的截面图。
图7是图5中VII部分的放大图。
图8是表示沿图7中A1-A2线的通路的流路截面积的曲线图。
图9是表示沿图7中A1-A2线的制冷剂的流速分布曲线图。
图10是表示沿图7中B1-B2线的制冷剂的流速分布曲线图。
图11是表示沿图7中A1-A2线的截面图。
图12是本发明的第1实施例的水套与从前结构的水套的冷却性能比较的曲线图。
图13是表示本发明第2实施例的水套的截面图。
图14是表示本发明第3实施例的水套的放大截面图。
图15是表示本发明第4实施例的水套的放大截面图。
图16是表示本发明第5实施例的水套的缩颈部的放大截面图。
图17是表示本发明第6实施例的水套的缩颈部的放大截面图。
图18A是表示冷却对象-电子元件的第1变形例的平面图。
图18B是沿图18A中XVIIIB-XVIIIB线的截面图。
图19A是表示冷却对象-电子元件的第2变形例的平面图。
图19B是沿图19A中XIXB-XIXB线的截面图。
图20A是表示冷却对象-电子元件的第3变形例的平面图。
图20B是沿图20A中XXB-XXB线的截面图。
符号说明
10...测试头
20...管脚电路卡
21...测试用器件
22A...MCM
24...卡基板
30...电子元件冷却装置
40...冷却器
50...水套
51...通路
51d...台阶部
52...间隔壁
53...区块
54，541～549...缩颈部
55...整流板
56A，56B...挡板
57...密封构件
60...封装半导体
具体实施方式
下面基于附图对本发明的实施例进行说明。
图1是表示本发明第1实施例的电子元件测试装置的概略截面图，图2和图3是本发明第1实施例的测试头的截面图，图4是表示本发明第1实施例的电子元件冷却装置的框图，图5是表示沿图3中V-V线的水套的截面图，图6是沿图5中VI-VI线的截面图，图7是图5中VII部分的放大图，图8是表示沿图7中A1-A2线的通路的流路截面积的曲线图，图9是表示沿图7中A1-A2线的制冷剂的流速分布的曲线图，图10是表示沿图7中B1-B2线的制冷剂的流速分布的曲线图，图11是表示沿图7中A1-A2线的截面图，图12是本发明的第1实施例的水套与从前结构的水套的冷却性能比较的曲线图。
本发明第1实施例的电子元件测试装置，如图1所示，例如由处理DUT的处理机1、与DUT电连接的测试头10和借助于测试头10向DUT发出测试信号并对DUT实行测试的测试机主体2构成。该电子元件测试装置是在对DUT施加高温或低温热应力的状态下对DUT是否正常工作进行测试(检查)并按照测试结果对DUT进行分类的装置。
如图1所示，测试头10的上部设有在对DUT测试时与DUT电连接的插座11。如同图所示，该插座11经处理机1上形成的开口1a朝向处理机1的内部，且搬运到处理机1内的DUT被按压在该插座11上。另外，处理机1可以为热板型或腔室型的处理机。
插座11具有与DUT的输入输出端子电连接的多个触针(未图示)，如图2和图3所示，插座11安装在插座板12上。插座板12通过电缆13与性能板14电连接。例如，本实施例中，10个插座11在插座板12上排列成2行5列。
测试头10内容纳有多个(本例中为10个)管脚电路卡20，且性能板14与各管脚电路卡20电连接。
如图2和图3所示，本实施例中，保持有多个管脚25的保持部26设在管脚电路卡20的上端部。各管脚25与性能板14下表面设置的焊盘接触，从而在性能板14和管脚电路板20之间建立电连接。另外，本发明中，性能板14和管脚电路卡20之间的连接并不局限于上述方式，例如使用电缆或接触器等连接方式也可以。
管脚电路卡20的下端部设有接触器27，该接触器27与位于测试头10底部的底板28连接。更进一步地，该底板28通过电缆29与测试机主体2连接。
另外，虽然本实施例中的10个管脚电路卡20直立排列，但是并非具体受限于此，管脚电路卡的个数可以任意设定。而且，将管脚电路卡沿水平方向设置也是可以的。
管脚电路卡20由DUT的测试中使用的多个测试用器件21和两面均安装有该测试用器件21的卡基板24构成。作为测试用器件21的具体例子，例如可以列举用于处理测试信号的整合有LSI等的高频率电路、用于为DUT供给测试用电力的整合有开关电源的电源电路等。另外，作为卡基板24的具体例子，例如可以列举由玻璃环氧树脂等构成的印刷基板、玻璃基板或陶瓷基板等。如后所述，该管脚电路卡20上的两面均安装有用于冷却测试用器件21的水套50。
进一步地，本实施例的电子元件测试装置，具备用于冷却管脚电路卡20上安装的测试用器件21的电子元件测试装置30。如图4所示，该电子元件冷却装置30具备：分别安装在各个管脚电路卡20上的水套50、用于为水套50供给制冷剂的冷却器40以及使制冷剂在水套50和冷却器40之间循环的配管系统44～49。冷却器40具有冷却制冷剂的热交换器41、压送制冷剂的泵42和限制制冷剂压力上限的压力开关43。另外，作为用于冷却测试用器件21的制冷剂的具体例子，例如可以为氟系惰性液体(例如3M公司生产的Fluorinert(注册商标))等具有优良电绝缘性能的液体。
由泵42送出的制冷剂，在热交换器41中冷却后，经由主管道44到达上游侧的分岔单元45，再由分岔单元45分配到各支管道46以供给至各自的水套50(泵42→热交换器41→主管道44→分岔单元45→各支管道46→各水套50)。
流经各水套50的通路51中的制冷剂，经由各支管道49在下游侧的分岔单元48合流，再经过下游侧的主管道47回到冷却器40的泵42中(各水套50→各支管道49→分岔单元48→主管道47→泵42)。
如图5和图6所示，本实施例的水套50具有流通冷却器40供给的制冷剂的通路51，在测试用器件21位于通路51内部的状态下，利用固定螺钉等将该水套50固定在卡基板24上。在卡基板24和水套50之间，安装有O型圈等密封构件57，以将通路51内部密闭。通过在该水套50的通路51内部流通制冷剂，使制冷剂与测试用器件21直接接触，从而冷却测试用器件21。另外，虽然图5中只示出了水套50的通路51的最上面一段，但实际上，例如通路51在水套的整个面上形成弯弯曲曲的形状。
通路51的最上面一段配置了具有测试用器件21中自发热量特别大的半导体芯片的MCM(Multi Chip Module)22A。如图7所示，每个MCM22A具有3个裸芯片222～224和安装有该裸芯片222～224的模块基板221。在3个裸芯片中，第1和第2裸芯片222、223是自发热量特别大的器件。与此不同，第3裸芯片224是跟第1和第2裸芯片222、223比较自发热量小的器件。作为模块基板221的具体例子，例如可以列举玻璃陶瓷基板等热膨胀量小的基板。
如图5所示，通路51最上面一段形成有入口51a，该入口51a上连接有上游侧的支管道46。通路51上，在入口51a的下游容纳有排列成一列的8个MCM22A。尽管未作具体图示，但通过这些MCM22A周围的制冷剂，在一边沿着通路51弯曲前进一边冷却卡基板24上的其它电子元件后，到达与出口(未图示)连接的下游侧的支管道49。
通路51具有在相互邻接的MCM22A彼此之间设置的间隔壁52，在邻接的间隔壁52之间划定区块53，每个区块53中容纳一个MCM22A。
另外，如图5和图7所示，各个区块53虽然具有用于容纳MCM22A之外的电子元件23A的扩大区域53a，但是，如果是区块53中只容纳MCM22A的情况，则不需要扩大区域53a。
图13是表示本发明第2实施例的水套的截面图。如图13所示，在区块53中容纳尺寸较大的电子元件23B的情况下，从与第1间隔壁52A邻接的第2间隔壁52B上分出该第1间隔壁52A也是可以的。
如图5所示，各间隔壁52上分别设有与通路51中其它部分相比流路截面积小的缩颈部54。如图7所示，每个缩颈部54的开口宽度w在与制冷剂流通方向实质上垂直的方向上比MCM22A整体的长度L要小(w＜L)，本实施例的缩颈部54的开口宽度w与第1裸芯片222在图7中纵向上的长度差不多。如图8所示，该缩颈部54的流路截面积变得狭窄。另外，本实施例中，将9个缩颈部541～549总称为缩颈部54，9个缩颈部541～549的开口宽度w1～w9总称为开口宽度w。
如图9所示，本实施例中由于流路截面积小的缩颈部54紧挨MCM22A的上游设置，与不具备缩颈部54的从前结构(图9中用虚线表示)相比较，缩颈部54下游的制冷剂流速上升，能够提高冷却效率。特别地，如图10所示，由于制冷剂的惯性和粘性的影响，在制冷剂流通方向上紧邻缩颈部54下游位置的半导体芯片21、22(图10中的位置B3)处的制冷剂流速显著上升。而且，由于制冷剂的流速上升，能够抑制因重力导致的制冷剂的流线变化。更进一步地，本实施例中因缩颈部54还设在MCM22A下游位置，可以抑制制冷剂流线的发散。而且，在图10中，实际上由于制冷剂的粘性在扩大区域53a产生二次流(漩涡)，具有如图中的虚线所示的分布。另外，在图8～10中，并没有考虑后面提到的因台阶部51d带来的影响。
如图7所示，本实施例中各缩颈部54的位置沿着制冷剂的流通方向与第1及第2裸芯片222、223在同一直线上地定位。因此，制冷剂能够集中地碰撞第1及第2裸芯片222、223，能够进一步地提高冷却效率。
另外，如图11所示，本实施例的通路51中第1裸芯片222和第2裸芯片223之间的顶面51c上设有台阶部51d。由于该台阶部51d，通路51下游侧的流路截面积比上游侧的流路截面积小，流经第2裸芯片223周围的制冷剂比流经第1裸芯片222周围的制冷剂的流速快。在发热量高的裸芯片222、223沿制冷剂的流通方向并列的情况下，由于上游侧的裸芯片222的自发热，下游侧的裸芯片223的温度升高，导致在第1和第2裸芯片222、223之间产生温度差。对此，本实施例中由于通路51的台阶部51d使流路截面积变小，从而抵消因上游侧的裸芯片222导致的温度升高的部分，能够减小温度差。
图14和15是表示本发明第3和第4实施例的水套的放大截面图。图16和17是表示本发明第5和第6实施例的水套的缩颈部的放大截面图。
如图14所示，缩颈部54没有与第1及第2裸芯片222、223设在同一直线上，在缩颈部54处设置整流板55，使得制冷剂流朝向第1裸芯片222，这样也是可以的。
另外，如图15所示，在一个MCM22B中安装有多个发热量高的裸芯片222、223、225、226的情况下，相应地在间隔壁52上设置多个缩颈部54，这样也是可以的。
进一步地，如图16或17所示，缩颈部54处配置平板状的导流板56A或圆柱状的导流板56B，使制冷剂在MCM22A的第1及第2裸芯片222、223上发生湍流也是可以的。
再回过来看图5，本实施例中的每个间隔壁52上设置的缩颈部541～549的开口宽度w1～w9，朝下游的方向逐渐变窄(w1＞w2＞w3＞w4＞w5＞w6＞w7＞w8＞w9)。如果将所有的缩颈部的开口宽度设成固定，那么上游侧的MCM的自发热会导致下游侧的MCM的温度升高，如图12所示，上游侧的MCM和下游侧的MCM之间会产生温度差。对此，本实施例中，通过上述结构使制冷剂越到下游流速越快，能够抵消因上游侧的MCM22A导致的温度上升的部分，如图12所示，各个MCM22A的温度实质上一样。另外，图5中缩颈部542～548的开口宽度w2～w8没有示出。而且，图12中MCM的数量与图5中MCM22A的数量不一样，图12是第1实施例的变形例，本发明的通路中配置的MCM的数量可以任意设定。
而且，从前是以位于最下游侧的MCM的温度作为基准进行设计的，导致上游侧是过冷却，白白地进行了冷却。与此不同，本实施例中的上述通路的上游侧及下游侧的MCM的温度实质上一样，减少了无用的冷却。
另外，与排列成一列的MCM的方法不同，在裸芯片发热量各异的情况下，不局限于缩颈部的开口宽度朝下游的方向逐渐变窄，为了使MCM具有目标温度，需要单独地设定各个缩颈部的开口宽度。
图18A和图18B是表示作为冷却对象的电子元件的第1变形例的平面图和截面图。图19A和图19B是表示作为冷却对象的电子元件的第2变形例的平面图和截面图。图20A和图20B是表示作为冷却对象的电子元件的第3变形例的平面图和截面图。
如图18A和图18B所示，位于缩颈部54下游位置的器件，也可以是由模块基板61、模块基板61上安装的半导体芯片62和半导体芯片62上设置的金属制放热片63构成的MCM60。而且，如图19A和图19B所示，位于缩颈部54下游侧位置的器件，也可以是用封装树脂74将模块基板71、半导体芯片72及放热片73密封的封装半导体70。或者，如图20A及图20B所示，位于缩颈部54下游侧位置的器件，也可以是用树脂封装82将半导体芯片81密封的封装半导体80。另外，放热片的安装位置可以设定在除了电子元件上面之外的其它任意位置。
本发明并不限定于上述列举的电子元件，包含将半导体芯片模块化或封装的所有电子元件。另外，不管是在何种情况下，水套50上设置的缩颈部54均是以半导体芯片为目标的。而且，即使是电子元件整体都发热的情况，通过缩颈部54使制冷剂流速上升，对该电子元件的一部分进行集中地冷却也是可以的。
另外，以上说明的实施例是为了更容易地理解本发明而记载于此，而非是为了限定本发明而记载于此。因此，上述的实施例中公开的各要素旨在包含属于本发明的技术范围内的所有设计上的变更及等同物的替换。
例如，将缩颈部54的开口宽度设成可变的，在MCM22A的第1及第2裸芯片未工作时开口宽度扩大，在第1及第2裸芯片222、223工作时开口宽度变窄以提高冷却效率，这样也是可以的。
而且，上述实施例中对使用处理机的后工序中的电子元件测试装置进行了说明，对此并无特别限定，本发明应用于使用探测器的前工序中的电子元件测试装置也是可以的。

Claims (6)

1.一种水套，用于通过制冷剂冷却安装在基板上的具有自发热量高的高发热半导体芯片和比所述高发热半导体芯片自发热量低的低发热半导体芯片的多芯片模块，所述水套安装在所述基板上；
所述水套具备可容纳所述多芯片模块并可流通所述制冷剂的通路，
所述通路在所述多芯片模块的上游具有与其它部分相比流路截面积小的缩颈部；
所述缩颈部具有比所述多芯片模块小的开口宽度；
所述缩颈部沿所述制冷剂的流通方向与所述高发热半导体芯片设在同一直线上；并且，所述缩颈部沿所述制冷剂的流通方向与所述低发热半导体芯片设在不同的直线上；
所述通路能够容纳多个排列状态下的所述多芯片模块，多个所述缩颈部分别设在各多芯片模块的上游；
所述通路沿所述制冷剂的流通方向具有隔开相邻的所述多芯片模块的间隔壁；
所述缩颈部设在所述间隔壁上。
2.根据权利要求1所述的水套，其特征在于，所述缩颈部也设置在所述多芯片模块的下游。
3.根据权利要求1所述的水套，其特征在于，所述多个缩颈部具有与所述多芯片模块发热量相对应的彼此不同的开口宽度。
4.根据权利要求3所述的水套，其特征在于，所述多个缩颈部的开口宽度朝下游的方向变小。
5.一种多芯片模块冷却装置，用于通过制冷剂冷却安装在基板上的多芯片模块，具备：
权利要求1~4任一项所述的水套；以及
向所述水套的所述通路供给制冷剂的制冷剂供给部件。
6.一种电子元件测试装置，用于对被测试电子元件进行测试，
具备：与所述被测试电子元件电接触的接触部；
安装有多芯片模块并与所述接触部电接触的基板；以及
权利要求5所述的多芯片模块冷却装置，
所述多芯片模块冷却装置具有的所述水套，为通过制冷剂冷却所述多芯片模块而安装在所述基板上。
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