CN108302836A - 用于半导体测试的自由活塞斯特林冷却器温度控制系统 - Google Patents

用于半导体测试的自由活塞斯特林冷却器温度控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于半导体装置测试的便携式冷却系统和设备，其包括自由活塞斯特林冷却器。这消除了对诸如冷却装置、压缩机、冷却剂存储设备、软管和软管连接等繁琐的远程设备的需求。电力线路和空气供应线路从头部控制单元路由到便携式系统控制单元。头部控制单元通过可调节框架结构定位，以将斯特林冷却器竖直地直接定位在被测半导体装置上方。头部控制单元包括热适配器系统，其被配置在自由活塞斯特林冷却器和被测半导体装置之间。

Description

用于半导体测试的自由活塞斯特林冷却器温度控制系统
技术领域
本公开涉及制冷和冷却系统领域，并且更具体地涉及用于在自动测试期间控制半导体装置的温度的系统。
背景技术
在半导体测试行业中用于控制被测半导体装置温度的现有存在的温度控制系统包括使用冷却剂(例如空气、水、乙二醇混合物和其他特殊热传递流体)的相变直接制冷系统。在这些系统中，通常使用冷却装置制冷剂单元来二次控制主要冷却剂流体的温度。一些现有存在的温度控制系统包括直接制冷剂冷却系统，其将一次制冷剂直接用作主要冷却剂流体。
现有的用于半导体测试的温度控制系统中使用的相变直接制冷系统，甚至直接制冷剂冷却系统，涉及使用诸如远程压缩机、蒸发器、冷板部件和底架硬件之类的繁琐和复杂的部件。另外，现有存在的用于半导体测试的冷却系统通常被配置为远离被测半导体装置定位。这些系统通常将大体积冷却剂控制器硬件远离被测半导体装置定位，并涉及将冷却剂、空气和电力的流动提供给头部控制单元(HCU)的脐带线路的布线。这涉及使用多个软管和软管连接来输送制冷剂，并且增加了制冷剂泄漏的风险。
发明内容
本公开的各方面包括用于半导体装置测试的便携式冷却系统和设备。所公开的便携式冷却系统基于自由活塞斯特林冷却器，而不是传统的基于冷却剂的冷却系统。
在所公开的便携式冷却系统和设备中使用自由活塞斯特林冷却器消除了对传统半导体冷却系统中使用的诸如冷却装置、压缩机、冷却剂存储设备、软管和软管连接等繁琐的远程设备的需求。所公开的系统不涉及典型地用于控制典型的现有半导体冷却系统中的一次冷却剂的温度的设备，并且不需要通常用于现有存在的标准制冷剂系统中的热电冷却器装置来将被测半导体装置处的温度降低到低于典型制冷剂冷却剂的温度，以实现例如低于-40℃的温度。在所公开的便携式冷却系统和设备中，只有电力线路和空气供应线路从HCU路由到便携式系统控制单元(SCU)。
通过消除传统半导体冷却系统中使用的许多繁琐的硬件，所公开的便携式冷却系统和设备可以被配置为靠近或紧邻被测半导体装置定位。所公开的系统和设备容易在被测半导体装置处提供低于-100℃的极低的接触温度。这解决了在低于-70℃的温度下测试半导体装置的行业目标。
本公开的各方面还包括结合了专门用于半导体测试应用的关键特征的FSPC热适配器系统。例如，所公开的热适配器系统的实施例包括适应性热离合器压力装置，以允许被测半导体装置的受控加热以及受控冷却。所公开的热适配器系统的实施例还允许使用SDUT进行自动压力致动。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本文描述的一个或多个实施例，并且与说明书一起解释了这些实施例。在附图中：
图1是根据本公开的一个方面的便携式半导体冷却设备的图示。
图2是根据本公开的一个方面的便携式半导体冷却设备中的头部控制单元的图示。
图3是根据本公开的一个方面的热适配器系统的示意图。
图4是示出根据本公开的一个方面的用于冷却被测半导体装置的方法的工艺流程图。
具体实施方式
本公开的各方面包括用于半导体装置测试的便携式自由活塞斯特林冷却器(FPSC)系统。自由活塞斯特林冷却器及其固有的原理操作在低温和热力学领域是众所周知的。自由活塞斯特林冷却器是封闭系统，其利用非相变的环保气体，如氮气或氦气。这消除了使用专门的热传递流体和相关的特定冷却装置/压缩机和部件。
所公开的便携式FPSC系统被配置为完全位于被测半导体装置附近。在示例性实施例中，自由活塞斯特林冷却器被包括在头部控制单元(HCU)中，该头部控制单元直接悬置在被测半导体装置上方。便携式系统控制单元方便地位于被测半导体装置和HCU附近的安装结构上。电力线路和空气供应线路联接在便携式系统控制单元和HCU之间。。
所公开的FPSC系统可以实现将被测半导体装置冷却到比用于冷却被测半导体装置的现有系统显著低的温度。例如，所公开的系统的实施例提供半导体装置冷却到低于-100℃的温度以用于测试。
参考图1描述根据本公开的一个方面的便携式半导体冷却设备的示例性实施例。便携式半导体冷却设备100包括自由活塞斯特林冷却器(FPSC)102和支撑构件104，该支撑构件104被配置成用于以竖直取向将FPSC直接定位在待测半导体装置上方。根据本公开的一个方面，热适配器106联接到FPSC102并被配置成用于联接到被测半导体装置。
在示例性实施例中，便携式系统控制单元108联接到自由活塞斯特林冷却器102。电力线路110在便携式系统控制单元和FPSC之间延伸。空气供应线路112也在便携式系统控制单元108和FPSC102之间延伸。电力线路110和空气供应线路112由支撑构件104支撑。
根据本公开的一个方面，所公开的便携式半导体冷却设备100包括可调节支撑框架114，该可调节支撑框架包括支撑构件104。可调节支撑框架114被配置成用于将FPSC102定位和取向在接近被测半导体装置的固定位置中。可调节支撑框架114可以包括一个或多个铰接臂(例如支撑构件104)，铰接臂彼此可枢转地附接并且被配置成以期望的取向被闩锁、锁定或夹持，以用于定位FPSC102。在示例性实施例中，FPSC102竖直地悬置在被测半导体上方。
支撑框架基部116可调节地联接到可调节支撑框架114。支撑框架基部116包括系统控制单元支撑结构118。系统控制单元108由系统控制单元支撑结构118支撑。在示例性实施例中，电力线路110和空气供应线路112从FPSC102经由可调节支撑框架114内的缆线路径延伸到系统控制单元108。
参考图2，FPSC102与热适配器系统106一起结合在头部控制单元202中。FPSC产生低温接口204，热适配器106附接在该低温接口处，以便与被测半导体装置208匹配。例如，被测半导体装置208可以被安装在附接到印刷电路板212的插口210中。FPSC102从被测半导体装置208接收热负载，然后经由FPSC102内部的散热系统去除热负载。
系统控制单元108直接监测和控制FPSC102的操作温度和电力。
根据本公开的一个方面，可以使用FPSC来提高被测半导体装置208的温度。在提高被测半导体装置208的温度的同时，可以使适配器匹配条件最少化，由此减少对FPSC102的不必要的热负载。
匹配条件的最少化与FPSC和下部热适配器之间的有效物理接触面积直接相关。通过在该接口处实现部分分离，即通过离合器类型的接合，可以减少和/或控制到FPSC的净热传递。
图3示出了根据本公开的一个方面的热适配器系统300中的压力致动。热适配器系统300包括上部热适配器304、下部热适配器306和插口308，该上部热适配器联接到FPSC冷末端302。插口308与印刷电路板212接触，并且至少部分地围绕被测装置208。根据本公开的一个方面，热适配器系统300被配置为在上部热适配器304与下部热适配器306之间提供离合器致动310，并且在下部热适配器306与插口308之间提供插口致动312。
为了加热被测装置，也就是说，为了从位于热适配器本身中的加热器元件提供额外的热(以实现通常在125到150℃范围内的装置温度)，离合器动作可以使对FPSC(通常是冷的，因此对加热作用而言缺乏热)的热损失最小化。同样，在控制被测装置的冷却时，离合器也起作用。FPSC根据设计散热的热容量进行安全评估，必须保证安全控制。
参考图4来描述根据本公开的一个方面的被测半导体装置的冷却方法。方法400包括在方框402处将自由活塞斯特林冷却器(FPSC)靠近被测半导体装置定位。在方框404处，该方法包括将热适配器定位在FPSC与被测半导体装置之间，使得热适配器直接抵靠被测半导体装置。在方框406处，该方法包括将便携式系统控制单元定位在FPSC附近。在方框408处，该方法包括经由电力供应线路和空气供应线路将FPSC联接到便携式系统控制单元。在框410处，该方法包括配置便携式系统控制单元，以经由电力供应线路和空气供应线路向FPSC提供电力和空气来操作FPSC。
在示例性实施例中，FPSC的操作提供被测半导体装置的冷却。在示例性实施例中，可以执行冷却以将半导体装置的温度降低到-100℃以下。在另一个实施例中，该方法可以包括通过FPSC的操作来加热被测半导体装置。
该方法还可以包括配置便携式系统控制单元以监测FPSC的操作状况。例如，监测操作状况可以包括监测接近热适配器的FPSC的温度，以及监测电力线路上的电压。
所公开的便携式冷却系统比常规的半导体冷却系统更紧凑，并且可以完全位于被测半导体装置附近。所公开的便携式温度控制设备不太麻烦，比常规的半导体冷却系统能够实现更快的系统和启动，并且可以在仅仅两到三分钟内达到低温。冷却系统硬件在被测半导体装置附近的紧凑结合，消除了与远程部件和控制器底架的长软管连接。这可以降低或消除与涉及流体系统连接的标准测试设置相关的冷却剂泄漏的风险。
以上对实施例的描述旨在提供说明和描述，但并非旨在穷举或将本发明限制到所公开的精确形式。鉴于上述教导，修改和变化是可能的，或者可以从本发明的实践中获得。
除非明确地描述，否则本文使用的任何要素、行为或指令都不应被解释为对于本发明是关键的或必不可少的。而且，如本文所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目。在只有一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似的语言。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (16)

1.一种便携式半导体冷却设备，其包括：
自由活塞斯特林冷却器；
支撑构件，所述支撑构件被配置为用于将所述自由活塞斯特林冷却器以竖直取向直接定位在待测半导体装置上方；以及
热适配器，所述热适配器联接到所述自由活塞斯特林冷却器并被配置为联接到所述被测半导体装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其包括联接到所述自由活塞斯特林冷却器的便携式系统控制单元。
3.根据权利要求2所述的设备，其包括在所述便携式系统控制单元和所述自由活塞斯特林冷却器之间延伸的电力线路。
4.根据权利要求3所述的设备，其包括在所述便携式系统控制单元和所述自由活塞斯特林冷却器之间延伸的空气供应线路。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述电力线路和所述空气供应线路由所述支撑构件支撑。
6.根据权利要求1所述的设备，其包括可调节支撑框架，所述可调节支撑框架包括所述支撑构件，所述可调节支撑框架被配置为用于将所述自由活塞斯特林冷却器定位和取向在靠近所述待测半导体装置的固定位置中。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述自由活塞斯特林冷却器竖直地悬置在所述待测半导体装置上方。
8.根据权利要求7所述的设备，其包括：
支撑框架基部，所述支撑框架基部与所述可调节支撑框架联接，所述支撑框架基部包括系统控制单元支撑结构；和
系统控制单元，所述系统控制单元由所述系统控制单元支撑结构支撑。
9.根据权利要求8所述的设备，其包括电力线路和空气供应线路，所述电力线路和所述空气供应线路从所述自由活塞斯特林冷却器经由所述可调节支撑框架内的缆线路径延伸到所述系统控制单元。
10.一种便携式半导体冷却设备，其包括：
自由活塞斯特林冷却器；
支撑构件，所述支撑构件被配置为用于将所述自由活塞斯特林冷却器直接定位在待测半导体装置上方；
热适配器，所述热适配器联接到所述自由活塞斯特林冷却器并被配置为联接到所述被测半导体装置；
便携式系统控制单元，所述便携式系统控制单元经由在所述便携式系统控制单元和所述自由活塞斯特林冷却器之间延伸的电力线路并且经由在所述便携式系统控制单元和所述自由活塞斯特林冷却器之间延伸的空气供应线路联接到所述自由活塞斯特林冷却器，其中所述电力线路和所述空气供应线路由所述支撑构件支撑；
可调节支撑框架，所述可调节支撑框架包括所述支撑构件，所述可调节支撑框架被配置为用于将所述自由活塞斯特林冷却器定位和取向在靠近所述待测半导体装置的固定位置中；
支撑框架基部，所述支撑框架基部与所述可调节支撑框架联接，所述支撑框架基部包括系统控制单元支撑结构；和
系统控制单元支撑结构，所述系统控制单元支撑结构由所述系统控制单元支撑结构支撑。
11.一种冷却被测半导体装置的方法，所述方法包括：
将自由活塞斯特林冷却器定位在所述被测半导体装置附近；
将热适配器定位在所述自由活塞斯特林冷却器与所述被测半导体装置之间，使得所述热适配器直接抵靠所述被测半导体装置；
将便携式系统控制单元定位在所述自由活塞斯特林冷却器附近；
经由电力供应线路和空气供应线路将所述自由活塞斯特林冷却器联接到所述便携式系统控制单元；以及
配置所述便携式系统控制单元，以经由所述电力供应线路和所述空气供应线路向所述自由活塞斯特林冷却器提供电力和空气来操作所述自由活塞斯特林冷却器。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括配置所述便携式系统控制单元以监测所述自由活塞斯特林冷却器的操作状况。
13.根据权利要求12所述的方法，其中监测操作状况包括监测所述热适配器附近的所述自由活塞斯特林冷却器的温度。
14.根据权利要求11所述的方法，其包括通过所述自由活塞斯特林冷却器的操作冷却所述待测半导体装置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中执行所述冷却以将所述待测半导体装置的温度降低至-100℃以下。
16.根据权利要求11所述的方法，其包括通过所述自由活塞斯特林冷却器的操作加热所述待测半导体装置。
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