DE102018100509A1 - Freikolben-Stirling-Kühler-Temperatursteuersystem für eine Halbleitertest - Google Patents
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Abstract
Description
- GEBIET DER TECHNOLOGIE
- Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet von Kälte- und Kühlsystemen und insbesondere Systeme zum Steuern der Temperatur von Halbleitervorrichtungen während eines automatisierten Testens.
- HINTERGRUND
- Bisher vorhandene Temperatursteuersysteme, die in der Halbleitertestindustrie verwendet werden, um die Temperatur einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung zu steuern, umfassen direkte Phasenwechselkühlsysteme, die Kühlmittel wie beispielsweise Luft, Wasser, Ethylen/Glykol-Gemische und andere besondere Wärmeübertragungsfluide verwenden. In diesen Systemen wird im Allgemeinen eine Kältemaschinen-Kältemitteleinheit verwendet, um die Temperatur eines Hauptkühlmittelfluids zweitrangig zu steuern. Einige der bisher vorhandenen Temperatursteuersysteme umfassen direkte Kältemittelkühlsysteme, die das primäre Kältemittel direkt als das Hauptkühlmittelfluid verwenden.
- Die direkten Phasenwechselkältesysteme und sogar die direkten Kältemittelkühlsysteme, die in existierenden Temperatursteuersystemen zum Halbleitertesten verwendet werden, beinhalten die Verwendung von umständlichen und komplexen Komponenten, wie beispielsweise entfernten Kompressoren, Verdampfern, Kühlplattenkomponenten und Chassis-Hardware. Außerdem sind bisher vorhandene Kühlsysteme für einen Halbleitertest im Allgemeinen konfiguriert, um entfernt von einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung lokalisiert zu sein. Diese Systeme lokalisieren im Allgemeinen Mengenkühlmittel-Controllerhardware entfernt von der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung und beinhalten ein Weiterleiten einer Nabelleitung, die eine Strömung von Kühlmitteln, Luft und elektrischer Leistung an eine Kopfsteuereinheit (HCU = head control unit) bereitstellt. Dies beinhaltet die Verwendung von zahlreichen Schläuchen und Schlauchverbindungen zum Transportieren von Kältemitteln und zu einem erhöhten Risiko von Kältemittelleckage.
- ABRISS
- Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfassen ein tragbares Kühlsystem und eine Einrichtung zum Testen einer Halbleitervorrichtung. Das offenbarte tragbare Kühlsystem basiert auf einem Freikolben-Stirling-Kühler und nicht auf einem herkömmlichen Kühlmittel-basierten Kühlsystem.
- Die Verwendung eines Freikolben-Stirling-Kühlers in dem offenbarten tragbaren Kühlsystem und der Einrichtung beseitigt den Bedarf für umständliche, entfernt gelegene Geräte, wie beispielsweise Kältemaschinen, Kompressoren, Kühlmittellagerausrüstungen, Schläuche und Schlauchverbindungen, die in herkömmlichen Halbleiterkühlsystemen verwendet werden. Das offenbarte System beinhaltet keine Geräte, die typischerweise verwendet werden, um die Temperatur für ein primäres Kühlmittel in einem typischen existierenden Halbleiterkühlsystem zu steuern, und erfordert keine thermoelektrische Kühlervorrichtung, die typischerweise in bisher vorhandenen Standardkältemittelsystemen verwendet wird, um Temperaturen bei der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung unter typische Kältemitteltemperaturen zu verringern, um beispielsweise Temperaturen unter -40°C zu erreichen. In dem offenbarten tragbaren Kühl system und der Einrichtung werden nur eine elektrische Leistungsleitung und eine Luftzufuhrleitung von der HCU zu einer tragbaren Systemsteuereinheit (SCU = system control unit) weitergeleitet.
- Durch Beseitigen eines Großteils der in herkömmlichen Halbleiterkühlsystemen verwendeten umständlichen Hardware können das offenbarte tragbare Kühlsystem und die Einrichtung konfiguriert werden, um in enger oder direkter Nähe zu einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung lokalisiert zu sein. Das offenbarte System und die Einrichtung stellen ohne Weiteres extrem niedrige Kontakttemperaturen bis zu weniger als - 100°C bei der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung bereit. Dies spricht Industrieziele zum Testen von Halbleitervorrichtungen bei Temperaturen unter -70°C an.
- Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfassen ebenfalls ein FSPC-Thermaladaptersytem, das Schlüsselmerkmale speziell für Halbleitertestanwendungen beinhaltet. Beispielsweise umfassen Ausführungsformen des offenbarten Thermaladaptersystems eine adaptive thermische Kupplungsdruckeinrichtung, um gesteuertes Erhitzen sowie auch gesteuertes Kühlen einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung zu ermöglichen. Ausführungsformen des offenbarten Thermaladaptersystems ermöglichen ebenfalls eine automatische Druckbetätigung mit der SDUT.
- Figurenliste
- Die begleitenden Zeichnungen, die aufgenommen sind und einen Teil dieser Patentschrift bilden, veranschaulichen eine oder mehrere hier beschriebene Ausführungsformen und erläutern zusammen mit der Beschreibung diese Ausführungsformen. In den Zeichnungen:
-
1 ist eine Veranschaulichung einer tragbaren Halbleiterkühleinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. -
2 ist eine Veranschaulichung einer Kopfsteuereinheit in einer tragbaren Halbleiterkühleinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. -
3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Thermaladaptersystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. -
4 ist ein Prozessablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
- Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfassen ein tragbaren Freikolben-Stirling-Kühler(FPSC = portable free piston Stirling cooler)-System zum Halbleitervorrichtungstesten. Freikolben-Stirling-Kühler und ihr inhärenter prinzipieller Betrieb sind auf den Gebieten der Kryotechnik und Thermodynamik gut bekannt. Der Freikolben-Stirling-Kühler ist ein geschlossenes System, das ein nicht phasenänderndes, umweltfreundliches Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Helium, verwendet. Dies beseitigt die Verwendung von spezialisierten Wärmeübertragungsfluids und zugeordneten besonderen Kältemaschinen/Kompressoren und Komponenten.
- Das offenbarte tragbare FPSC-System ist konfiguriert, um vollständig nahe einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung lokalisiert zu sein. In einer veranschaulichenden Ausführungsform ist ein Freikolben-Stirling-Kühler in einer Kopfsteuereinheit (HCU) umfasst, die direkt über der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung aufgehängt ist. Eine tragbare Systemsteuereinheit ist zweckmäßigerweise an einer Anbringungsstruktur nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung und der HCU lokalisiert. Eine elektrische Leistungsleitung und eine Luftzufuhrleitung ist zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und der HCU gekoppelt.
- Das offenbarte FPSC-System kann ein Kühlen einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung auf wesentlich niedrigere Temperaturen als bisher vorhandene Systeme zum Kühlen von im Test befindlicher Halbleitervorrichtungen erreichen. Ausführungsformen des offenbarten Systems stellen beispielsweise ein Kühlen von Halbleitervorrichtungen auf Temperaturen unter -100°C zum Testen bereit.
- Eine veranschaulichende Ausführungsform einer tragbaren Halbleiterkühleinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezug auf
1 beschrieben. Die tragbare Halbleiterkühleinrichtung100 umfasst einen Freikolben-Stirling-Kühler (FPSC)102 und ein Trageelement104 , das zum Lokalisieren des FPSC direkt über einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung in einer vertikalen Orientierung konfiguriert ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Thermaladapter106 mit dem FPSC102 gekoppelt und zum Koppeln mit der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert. - In der veranschaulichenden Ausführungsform ist eine tragbaren Systemsteuereinheit
108 mit dem Freikolben-Stirling-Kühler102 gekoppelt. Eine elektrische Leistungsleitung110 erstreckt sich zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und dem FPSC. Eine Luftzufuhrleitung112 erstreckt sich ebenfalls zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit108 und dem FPSC102 . Die elektrische Leistungsleitung110 und die Luftzufuhrleitung112 werden von dem Trageelement104 getragen. - Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die offenbarte tragbare Halbleiterkühleinrichtung
100 einen verstellbaren Tragerahmen114 , der das Trageelement104 umfasst. Der verstellbare Tragerahmen114 ist zum Lokalisieren und Orientieren des FPSC102 in einem festen Ort nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert. Der verstellbare Tragerahmen114 kann einen oder mehrere Gelenkarme, wie beispielsweise das Trageelement104 , umfassen, die schwenkbar aneinander befestigt und konfiguriert sind, um in einer gewünschten Orientierung zum Lokalisieren des FPSC102 verrastet, verriegelt oder eingespannt zu sein. In der veranschaulichenden Ausführungsform ist der FPSC102 vertikal über dem im Test befindlichen Halbleiter aufgehängt. - Eine Tragerahmenbasis
116 ist mit dem Tragerahmen114 verstellbar gekoppelt. Die Tragerahmenbasis116 umfasst eine Systemsteuereinheit-Tragestruktur118 . Eine Systemsteuereinheit108 wird supported von der Systemsteuereinheit-Tragestruktur118 getragen. In einer veranschaulichenden Ausführungsform erstrecken sich die elektrische Leistungsleitung110 und die Luftzufuhrleitung112 von dem FPSC102 zu der Systemsteuereinheit108 über einen Kabelweg innerhalb des verstellbaren Tragerahmens114 . - In Bezug auf
2 ist der FPSC102 in einer Kopfsteuereinheit202 zusammen mit dem Thermaladaptersystem106 integriert. Der FPSC erzeugt eine Niedertemperaturgrenzfläche204 an welcher der Thermaladapter106 befestigt ist, um sich mit der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung208 zu paaren. Die im Test befindliche Halbleitervorrichtung208 kann beispielsweise in einer Aufnahme (socket) 210 angebracht sein, die an einer gedruckten Leiterplatte (PCB = printed circuit board) 212 befestigt ist. Der FPSC102 empfängt eine thermische Last von der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung 208 und entfernt dann die thermische Last über ein Wärmeabweisungssystem, das intern zu dem FPSC102 ist. - Betriebstemperaturen und die elektrische Leistung des FPSC
102 werden von der Systemsteuereinheit108 direkt überwacht und gesteuert. - Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der FPSC zum Erhöhen der Temperatur der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung
208 verwendet werden. Während die Temperatur der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung208 erhöht wird, kann der Adapterpaarungszustand minimiert werden, um dadurch eine unnötige Wärmelast an dem FPSC102 zu verringern. - Die Minimierung der Paarungsbedingung steht in direktem Zusammenhang mit der wirksamen physischen Kontaktfläche zwischen dem FPSC und dem unteren Thermaladapter. Durch Erreichen einer teilweisen Trennung an dieser Grenzfläche, d.h. über eine kupplungsartige Ineingriffnahme, kann die Nettowärmeübertragung zu dem FPSC verringert und/oder gesteuert werden.
-
3 veranschaulicht Druckbetätigungen in einem Thermaladaptersystem300 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Das Thermaladaptersystem300 umfasst einen oberen Thermaladapter304 , der mit einer FPSC-Kältespitze302 gekoppelt ist, einen unteren Thermaladapter306 und eine Aufnahme308 . Die Aufnahme308 kommt mit der gedruckten Leiterplatte212 in Kontakt und umgibt zumindest teilweise die im Test befindliche Vorrichtung (DUT = device under test) 208. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das Thermaladaptersystem300 konfiguriert, um eine Kupplungsbetätigung310 zwischen dem oberen Thermaladapter304 und dem unteren Thermaladapter306 bereitzustellen und eine Aufnahmebetätigung312 zwischen dem unteren Thermaladapter306 und der Aufnahme308 bereitzustellen. - Zum Erhitzen der im Test befindliche Vorrichtung, also zum Zuführen zusätzlicher Wärme von Heizelementen, die im Thermaladapter selbst lokalisiert sind (um Vorrichtungstemperaturen typischerweise im Bereich
125 bis 150°C zu erreichen), kann die Kupplungswirkung die thermischen Verluste an dem FPSC minimieren (der typischerweise kalt ist und somit einen thermischen Kurzschluss für den Erhitzungsaufwand darstellt). Die Kupplung arbeitet ebenfalls in gleicher Weise, wenn ein Kühlen der im Test befindlichen Vorrichtung gesteuert wird. Ein FPSC ist Sicherheits-bewertet pro Wärmekapazität für die Auslegung der Wärmeabführung und dies muss zur sicheren Steuerung aufrechterhalten werden. - Ein Verfahren zum Kühlen einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezugnahme auf
4 beschrieben. Das Verfahren400 umfasst ein Lokalisieren eines Freikolben-Stirling-Kühlers (FPSC) nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung bei Block402 . Bei Block404 umfasst das Verfahren ein Lokalisieren eines Thermaladapters zwischen dem FPSC und der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung, so dass der Thermaladapter direkt gegen die im Test befindlichen Halbleitervorrichtung ist. Bei Block406 umfasst das Verfahren ein Lokalisieren einer tragbaren Systemsteuereinheit nahe dem FPSC. Bei Block408 umfasst das Verfahren ein Koppeln des FPSC mit der tragbaren Systemsteuereinheit über eine Leistungszufuhrleitung und über eine Luftzufuhrleitung. Bei Block410 umfasst das Verfahren ein Konfigurieren der tragbaren Systemsteuereinheit, um dem FPSC Leistung und Luft über die Leistungszufuhrleitung und Luftzufuhrleitung bereitzustellen, um den FPSC zu betreiben. - In einer veranschaulichenden Ausführungsform stellt der Betrieb des FPSC ein Kühlen der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung bereit. In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann das Kühlen durchgeführt werden, um eine Temperatur der Halbleitervorrichtung unter -100°C zu verringern. In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ein Erhitzen der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung durch den Betrieb des FPSC umfassen.
- Das Verfahren kann ebenfalls ein Konfigurieren der tragbaren Systemsteuereinheit umfassen, um einen Betriebszustand des FPSC zu überwachen. Das Überwachen des Betriebszustands kann beispielsweise ein Überwachen einer Temperatur des FPSC nahe dem Thermaladapter und ein Überwachen von Spannungen auf der elektrischen Leistungsleitung umfassen.
- Das offenbarte tragbare Kühlsystem ist kompakter als herkömmliche Halbleiterkühlsysteme und kann vollständig nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung lokalisiert sein. Die offenbarte tragbare Temperatursteuereinrichtung ist weniger umständlich, ermöglicht ein schnelleres System und Anlaufen als herkömmliche Halbleiterkühlsysteme und kann kryogene Temperaturen in nur zwei bis drei Minuten erreichen. Eine kompakte Integration der Kühlsystemhardware nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung beseitigt übermäßig lange Schlauchverbindungen zu entfernten Komponenten und einem Controllerchassis. Dies kann das Risiko von Kühlmittelleckage verringern oder beseitigen, das Standardtestaufbauten zugeordnet ist, die Fluidsystemanschlüsse beinhalten.
- Die vorhergehende Beschreibung von Ausführungsformen ist dazu bestimmt, eine Veranschaulichung und eine Beschreibung bereitzustellen, wobei sie jedoch nicht dazu bestimmt ist, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden.
- Kein Element, keine Handlung oder keine Anweisung, die hier verwendet wird, soll als wesentlich oder essenziell für die Erfindung betrachtet werden, sofern dies nicht explizit als solches beschrieben ist. Ebenso ist, wie hier verwendet, der Artikel „ein“ dazu bestimmt, ein oder mehrere Elemente zu umfassen. Wo lediglich ein Element beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein einzelnes“ oder eine ähnliche Sprachformulierung verwendet. Ferner ist die Formulierung „basierend auf” dazu vorgesehen, „basierend wenigstens teilweise auf” zu meinen, sofern nicht anders explizit angemerkt.
Claims (16)
- Tragbare Halbleiterkühleinrichtung, umfassend: einen Freikolben-Stirling-Kühler (FPSC); ein Trageelement, das zum Lokalisieren des FPSC direkt über einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung in einer vertikalen Orientierung konfiguriert ist; und einen Thermaladapter, der mit dem FPSC gekoppelt und zum Koppeln mit der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert ist.
- Einrichtung gemäß
Anspruch 1 , umfassend eine tragbare Systemsteuereinheit, die mit dem Freikolben-Stirling-Kühler gekoppelt ist. - Einrichtung gemäß
Anspruch 2 , umfassend eine elektrische Leistungsleitung, die sich zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und dem FPSC erstreckt. - Einrichtung gemäß
Anspruch 3 , umfassend eine Luftzufuhrleitung, die sich zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und dem FPSC erstreckt. - Einrichtung gemäß
Anspruch 4 , wobei die elektrische Leistungsleitung und die Luftzufuhrleitung von dem Trageelement getragen werden. - Einrichtung gemäß
Anspruch 1 , umfassend einen verstellbaren Tragerahmen, der das Trageelement umfasst, wobei der verstellbare Tragerahmen zum Lokalisieren und Orientieren des FPSC in einem festen Ort nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert ist. - Einrichtung gemäß
Anspruch 6 , wobei der FPSC vertikal über der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung aufgehängt ist. - Einrichtung gemäß
Anspruch 7 , umfassend: eine Tragerahmenbasis, die mit dem verstellbaren Tragerahmen gekoppelt ist, wobei die Tragerahmenbasis eine Systemsteuereinheit-Tragestruktur umfasst; und eine Systemsteuereinheit, die von der Systemsteuereinheit-Tragestruktur getragen wird. - Einrichtung gemäß
Anspruch 8 , umfassend eine elektrische Leistungsleitung und eine Luftzufuhrleitung, die sich von dem FPSC zu der Systemsteuereinheit über einen Kabelweg innerhalb des verstellbaren Tragerahmens erstrecken. - Tragbare Halbleiterkühleinrichtung, umfassend: einen Freikolben-Stirling-Kühler (FPSC); ein Trageelement, das zum Lokalisieren des FPSC direkt über einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert ist; einen Thermaladapter, der mit dem FPSC gekoppelt und zum Koppeln mit der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert ist; eine tragbare Systemsteuereinheit, die mit dem Freikolben-Stirling-Kühler über eine elektrische Leistungsleitung, die sich zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und dem FPSC erstreckt, und über eine Luftzufuhrleitung, die sich zwischen der tragbaren Systemsteuereinheit und dem FPSC erstreckt, gekoppelt ist, wobei die elektrische Leistungsleitung und die Luftzufuhrleitung von dem Trageelement getragen werden; einen verstellbaren Tragerahmen, der das Trageelement umfasst, wobei der verstellbare Tragerahmen zum Lokalisieren und Orientieren des FPSC in einem festen Ort nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung konfiguriert ist; eine Tragerahmenbasis, die mit dem verstellbaren Tragerahmen gekoppelt ist, wobei die Tragerahmenbasis eine Systemsteuereinheit-Tragestruktur umfasst; und eine Systemsteuereinheit-Tragestruktur, die von der Systemsteuereinheit-Tragestruktur getragen wird.
- Verfahren zum Kühlen einer im Test befindlichen Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Lokalisieren eines Freikolben-Stirling-Kühlers (FPSC) nahe der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung; Lokalisieren eines Thermaladapters zwischen dem FPSC und der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung, so dass der Thermaladapter direkt gegen die im Test befindlichen Halbleitervorrichtung ist; Lokalisieren einer tragbaren Systemsteuereinheit nahe dem FPSC; Koppeln des FPSC mit der tragbaren Systemsteuereinheit über eine Leistungszufuhrleitung und über eine Luftzufuhrleitung; und Konfigurieren der tragbaren Systemsteuereinheit, um dem FPSC Leistung und Luft über die Leistungszufuhrleitung und die Luftzufuhrleitung bereitzustellen, um den FPSC zu betreiben.
- Verfahren gemäß
Anspruch 11 , ferner umfassend ein Konfigurieren der tragbaren Systemsteuereinheit, um einen Betriebszustand des FPSC zu überwachen. - Verfahren gemäß
Anspruch 12 , wobei das Überwachen des Betriebszustands ein Überwachen einer Temperatur des FPSC nahe dem Thermaladapter umfasst. - Verfahren gemäß
Anspruch 11 , umfassend ein Kühlen der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung durch den Betrieb des FPSC. - Verfahren gemäß
Anspruch 14 , wobei das Kühlen durchgeführt wird, um eine Temperatur der Halbleitervorrichtung unter -100°C zu verringern. - Verfahren gemäß
Anspruch 11 , umfassend ein Erhitzen der im Test befindlichen Halbleitervorrichtung durch den Betrieb des FPSC.
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