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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Temperatursteuervorrichtung,
die die Temperatur einer elektronischen Baugruppe während des
Prüfens
steuert. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine miniaturisierte
flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke
mit integraler Heizeinrichtung und Abfühlelementen zum Halten einer
konstanten Betriebstemperatur der elektronischen Baugruppe, die
geprüft
wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Elektronische
Baugruppen, so wie Chips mit integrierten Schaltungen, werden üblicherweise
vor dem Einsatz überprüft. Baugruppenhersteller
führen typischerweise
eine Anzahl elektrischer und physikalischer Prüfungen aus, um sicherzustellen,
daß die Baugruppen
fehlerfrei sind und daß die
Baugruppen weiter entsprechend ihren Spezifikationen arbeiten. Übliche Typen
der Baugruppenprüfung
umfassen das Einbrennprüfen
und das Prüfen
auf elektrische Leistungsfähigkeit.
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Die
Betriebstemperatur einer zu prüfenden elektronischen
Baugruppe („DUT" – Device Under Test) ist ein
wichtiger Prüfparameter,
der üblicherweise
das sorgfältige Überwachen
und/oder Regulieren erfordert. Zum Beispiel kann eine elektrische
Prüfprozedur
eine Anzahl bestimmter Prüftemperaturen oder
einen bestimmten Bereich von Prüftemperaturen
bezeichnen. Als Konsequenz ist der Stand der Technik reichlich ausgestattet
mit unterschiedlichen Typen von Temperatursteuersystemen, Wärmesenkenkomponenten
und Heizerelementen, die dazu gestaltet sind, die Betriebstemperatur
einer DUT aufzuheizen, zu kühlen
oder auf sonstige Weise zu steuern. Diese Temperatursteuersysteme
sind so gestaltet, daß sie
einen stationären
Zustand der Betriebstemperatur der DUT während der elektronischen Prüfprozedur
halten. Jedoch kann es schwierig sein, die Temperatur einer DUT
zu regulieren, wenn die DUT schnelle oder übermäßige interne Temperaturänderungen
zeigt, während
sie geprüft
wird; die elektronischen Baugruppen innerhalb der DUT erzeugen oftmals
Wärme,
welche solche internen Temperaturänderungen hervorruft. Die Ausgestaltungen des
Standes der Technik sind möglicherweise
nicht in der Lage, in effizienter und effektiver Weise schnelle Temperaturfluktuationen
zu kompensieren, die von der DUT erzeugt werden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist als eine Temperatursteuervorrichtung
umgesetzt, welche eine miniaturisierte fluidgekühlte Wärmesenke mit integraler Heizeinrichtung und
Abfühlelementen
umfaßt.
Die Vorrichtung kann als ein Teil eines Temperatursteuersystems
verwendet werden, um für
die Prüfphase
für eine
elektronische DUT, so wie eine Halbleiterbaugruppe, eine gesteuerte
Temperaturoberfläche
zur Verfügung
zu stellen. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
umfaßt
die flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke zwei
innere Kühldurchlässe mit
Einlässen,
Auslässen und
Wärmeübertragungsbereichen.
Die Wärmeübertragungsbereiche
befinden sich auf getrennten Ebenen und können Kühlrippen umfassen. Es gibt
zwei integrierte Heizeinrichtungen, die innerhalb der Vorrichtung
angeordnet sind. Unterschiedliche Ausgestaltungen für die Orte
der integrierten Heizeinrichtung sind gezeigt. Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
umfaßt
eine Temperatursteuervorrichtung eine Struktur einer fluidgekühlten Wärmesenke,
die so ausgestaltet ist, daß sie
einen Querstrom von Kühlmittel
in drei Dimensionen zum Kühlen der
Grenzfläche
einer DUT hält.
Die Struktur der Wärmesenke
kann eine dreidimensionale Mikrokanalstruktur einsetzen, welche
den Kühlmitteldurchfluß in drei
Dimensionen innerhalb einer jeweiligen Fluidleitung richtet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung kann durch Bezug auf die genaue Beschreibung
und die Ansprüche
erhalten werden, wenn sie im Zusammenhang mit den folgenden Figuren
betrachtet werden, bei denen gleiche Bezugsziffern sich auf ähnliche
Elemente in den Figuren beziehen.
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1 ist
eine isometrische Ansicht einer Temperatursteuervorrichtung zum
Regulieren der Temperatur einer zu prüfenden Baugruppe;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der Temperatursteuervorrichtung
der 1, welche die Kühlschichten und Durchlässe zeigt;
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3–5 sind
perspektivische Explosionsansichten von verschiedenen Temperatursteuervorrichtungen,
welche die Positionen der Heizerschichten in bezug auf die Kühlschichten
zeigen;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer Temperatursteuervorrichtung,
welche die Seite der Grenzfläche
der DUT zeigt;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht der Temperatursteuervorrichtung, die
in 6 gezeigt ist, wobei die Fluid-Eintritts/Austrittsseite
gezeigt ist;
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8 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der Temperatursteuervorrichtung,
die in den 6 und 7 gezeigt
ist;
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9 ist
eine Draufsicht auf eine der äußeren Schichten
der Temperatursteuervorrichtung, die in 8 gezeigt
ist;
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10 ist
eine Draufsicht auf eine der inneren Schichten der Temperatursteuervorrichtung,
die in 8 gezeigt ist; und
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11 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften Mikrokanalstruktur, die
innerhalb der Temperatursteuervorrichtung gebildet werden kann,
welche in den 6 und 7 gezeigt
ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
Temperatursteuervorrichtung, die gemäß der Erfindung ausgestaltet
ist, benutzt eine fluidgekühlte
Wärmesenkenstruktur,
welche einen Querstrom von Kühlmittel
in drei Dimensionen zum Kühlen
einer Grenzfläche
der Temperatursteuervorrichtung zur DUT hält. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
umfaßt
die Struktur der Wärmesenke wenigstens
zwei geschichtete Wärmeübertragungsbereiche,
welche den dreidimensionalen Kühlmitteldurchfluß sicherstellen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfaßt die Struktur
der Wärmesenke
eine Mikrokanalstruktur, welche das Kühlmittel zwingt, in drei Dimensionen
innerhalb einer Fluidleitung oder eines Kanals zu strömen. Weitere praktische
Ausgestaltungen können
auch in den Umfang und Gedanken der Erfindung fallen.
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Eine
miniaturisierte fluidgekühlte
Wärmesenke
mit integraler Heizeinrichtung und Abfühlelementen wird als ein Teil
eines Temperatursteuersystems eingesetzt, um eine gesteuerte Temperaturfläche für eine elektronische
Baugruppe, so wie eine Halbleiterbaugruppe, während der Prüfphase zur
Verfügung
zu stellen. Die Halbleiterbaugruppe wird entweder in Kontakt mit
der Vorrichtung oder mit einem Grenzflächenmaterial oder einer flächenadaptierenden
Wärmeverbreitungsvorrichtung,
so wie einer Metallplatte, gebracht, während sie eingesetzt wird.
Im Einsatz wird das integrale Heizelement verwendet, um sich selbst
und die Vorrichtung auf eine Solltemperatur zu erwärmen, wobei
die Abfühlelemente
die Temperatur erfassen, und Kühlmittel,
das durch die Wärmesenke strömt, entfernt übermäßige Wärme von
der Vorrichtung.
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Eine
praktische Temperatursteuervorrichtung kann so gestaltet werden,
daß sie
Prüftemperaturen
zwischen –55
und 155 Grad Celsius bedient. Jedoch werden die meisten elektronischen
Baugruppen typischerweise bei Temperaturen zwischen –45 und
120 Grad Celsius geprüft
(diese beispielhaften Temperaturbereiche können sich in der Zukunft ändern, und
die Erfindung, wie sie offenbart ist, ist nicht auf irgendwelche
bestimmten Bereiche von Prüftempera turen
beschränkt).
Zusätzlich
erfordern Prüfspezifikationen
für elektronische
Baugruppen üblicherweise
keine Temperaturübergänge, d.h.
das überwiegende
elektronische Prüfen
wird bei einer Betriebstemperatur im wesentlichen im stationären Zustand durchgeführt. Ein
Vorteil der hierin beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, daß ihre kompakte
Größe, die
geringe thermische Masse und das elektronische Heizen sehr schnelle
Korrekturen auf Abweichungen von der Solltemperatur ermöglichen.
Weiter vereinfacht die integrale Beschaffenheit der Temperatursteuervorrichtungen
die Ausgestaltung und erfordert kein nachfolgendes Zusammenbauen.
Wenn sie einmal zusammengebaut ist, stellt die monolithische Beschaffenheit
der Vorrichtungen, die thermisch leitende Materialien verwenden,
sicher, daß der
Fluidkanal in effektiver Weise und wiederholbar Wärme entfernen
wird.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Temperatursteuervorrichtung 100,
die zum Regulieren der Temperatur einer DUT 102 verwendet
wird. Für
die Zwecke der beispielhaften Ausführungsform, wie hierin beschrieben,
ist die DUT 102 eine elektronische Halbleiterschaltungsbaugruppe,
so wie ein Mikroprozessorchip. Als Alternative kann die DUT 102 eine
elektronische, mechanische oder andere Baugruppe sein, die einer
oder mehreren Prüfungen
unterworfen wird, welche unter bestimmten Temperatureinstellungen
durchgeführt wird.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 kann mit einem geeigneten
Prüfsystem
(nicht gezeigt) zusammenarbeiten, welche eine Energiezufuhr, Kühlmittelstrom-Steuerung, Eingabesignale
und möglicherweise
weitere Eingaben an die DUT 102 zur Verfügung stellt.
Ein typisches Prüfsystem überwacht
auch eine Anzahl von Ausgaben und Signalen, die von der DUT 102 während der
Prüfprozedur
erzeugt werden.
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Die
Temperatursteuervorrichtung 100 ist so gestaltet, daß sie eine
gesteuerte Temperatur an einer Grenzfläche oder ersten Seite 103 zur
Verfügung stellt,
welche einen thermischen Weg von der Temperatursteuervorrichtung 100 zu
der DUT 102 bildet. Die DUT 102 wird bevorzugt
gegen oder in enger Nähe
an einer Grenzfläche 103 der
Temperatursteuervorrichtung 100 gehalten. Innerhalb der
Temperatursteuervorrichtung 100 befinden sich innere Kühl durchlässe, integrierte
Heizeinrichtungen und Abfühlelemente.
Um die Temperatur an der Grenzfläche 103 zu
regulieren, werden die integrierten Heizeinrichtungen eingeschaltet,
um Wärme
zu liefern, und ein Fluid wird durch die Kühldurchlässe geleitet, um für das Kühlen zu
sorgen. Die nachfolgenden Figuren und der Text werden die Kühldurchlässe und
die integrierten Heizschichten und ihre Orte beschreiben.
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Die
Temperatursteuervorrichtung 100 kann durch ein geeignet
ausgestaltetes Steuersystem 101 reguliert werden. Die Abfühlelemente
werden verwendet, um für
das Steuersystem eine Eingabe zur Verfügung zu stellen, um die Temperatur
der Temperatursteuervorrichtung 100 zu überwachen, und um festzustellen,
wann sie geheizt oder gekühlt
werden sollte. Das Steuersystem 101 erzeugt ein Steuersignal,
das als ein Eingangssignal für
das integrierte Heiz- und/oder
Kühlsystem
dient, welches in der Temperatursteuervorrichtung 100 enthalten
ist. Das Steuersignal kann von dem Steuersystem 101 als Antwort
auf ein oder mehrere Prüfkriterien,
Betriebsbedingungen oder Rückkopplungssignale
erzeugt werden. Zum Beispiel kann das Steuersystem 101 ein
Steuersignal als Antwort auf irgendeinen der folgenden Parameter
erzeugen: eine Prüftemperatureinstellung,
die mit den gegenwärtigen
Prüfspezifikationen
für die
DUT 102 verbunden ist; ein Eingangssignal, das von der
DUT 102 verwendet wird, z.B. ein Eingangsenergiesignal,
eine Eingangsspannung oder ein Eingangsstrom; ein Signal, das die
Echtzeit-Betriebstemperatur der DUT 102 anzeigt; ein Signal,
das die Echtzeit-Betriebstemperatur
einer internen Komponente der DUT 102 anzeigt, z.B. eines Halbleiterrohchips;
ein Signal, das die Echtzeit-Temperatur eines Teils der Temperatursteuervorrichtung 100 anzeigt;
die Hochfrequenz-Signatur der DUT 102 oder dergleichen.
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Um
die Temperatursteuervorrichtung 100 zu kühlen, wird
ein Fluid durch einen ersten inneren Kühldurchlaß 102 und einen zweiten
inneren Kühldurchlaß 106 (siehe 2)
geleitet. Das Fluid kann Wasser, Luft, ein Kühlmittel oder irgendeine Fluidsubstanz
mit den gewünschten
thermischen Eigenschaften sein. Der erste innere Kühldurchlaß 104 hat einen
Einlaß 108 und
einen Auslaß 109.
Der zweite innere Kühldurchlaß 106 hat
einen Einlaß 110 und einen
Auslaß 111.
Wie in 1 gezeigt tritt ein erstes Fluid 112A durch
den ersten Einlaß 108 ein,
und das Fluid 112B tritt durch den ersten Auslaß 109 aus.
Das zweite Fluid 114A tritt durch ein zweiten Einlaß 110 ein
und das zweite Fluid 114B tritt durch den zweiten Auslaß 111 aus.
Das Fluid bewegt sich durch die inneren Durchlässe 104 und 106,
wobei die Temperatursteuervorrichtung 100 gekühlt wird.
Ein Kühlsystem
(nicht gezeigt) kann das Fluid 112 und 114 zur Verfügung stellen
und mit der Temperatursteuervorrichtung 100 zusammenwirken,
um die Temperatur und Durchflußrate
des Fluides zu regulieren. Das Kühlsystem
pumpt das Fluid in die Temperatursteuervorrichtung 100 durch
die Einlässe 108 und 110 und
erhält
das rückgeführte Fluid
von den Auslässen 109 und 111.
Die Einlaß-
und Auslaßöffnungen
können
mit inneren Gewinden ausgestattet sein, so daß geeignete Fluidpaßstücke (nicht
gezeigt) befestigt werden können.
Die Fluidpaßstücke nehmen
Fluidzufuhrschläuche
oder Leitungen auf, welche das Fluid zwischen der Temperatursteuervorrichtung 100 und
dem Kühlsystem
transportieren.
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2 ist
eine Explosionsansicht, welche einige der Schichten des Kühlbereiches
der Temperatursteuervorrichtung 100 zeigt. Der Kühlbereich
umfaßt
zwei Kühldurchlässe 104 und 106,
welche durch die Temperatursteuervorrichtung 100 verlaufen.
Jeder Kühldurchlaß hat einen
Einlaß,
einen Auslaß und einen
Wärmeübertragungsbereich
oder eine Schicht, welche eine kontinuierliche Fluidleitung durch
die Vorrichtung erzeugen. Die Einlässe und Auslässe befinden
sich in der Deckschicht 116, welche eine oder mehrere Schichten
umfassen kann, abhängig
von der Ausgestaltung. Die Deckschicht 116, welche in 2 gezeigt
ist, hat mehrere Schichten 116A, 116B und 116C,
welche Kanäle
und Durchlässe
zur Verfügung
stellen, um den Fluidstrom zu den anderen Schichten zu richten und
jede der Fluiddurchlässe abgetrennt
zu halten. Der Durchfluß der
Fluidwege durch die Kühldurchlässe 104 und 106 ist
in 2 gezeigt.
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Der
erste Kühldurchlaß 104 beginnt
an dem ersten Einlaß 108 in
der Deckschicht 116A, welche sich in einen Durchlaß in der
Schicht 116B öffnet,
der zu einer Fluidöffnung 118A an einem
ersten Ende der Schicht 116B führt. Es kann nachfolgende Fluidöffnungen 118 geben,
abhängig
von der Anzahl der Schichten und der Position des ersten Wärmeübertragungsbereiches
oder der Schicht. In der gezeigten Figur gibt es eine Fluidöffnung 118B in
der Schicht 116C und eine Fluidöffnung 118C in der
Schicht 120, welche zu einem ersten Wärmeübertragungsbereich oder einer
Schicht 122 führt.
Der Wärmeübertragungsbereich
oder die Schicht 122 ist so gestaltet, daß Fluid
nahe einem ersten Ende eintritt, sich durch die Schicht bewegt,
durch verschiedene Öffnungen oder
Durchlässe,
zu einem zweiten Ende, an dem es aus der Schicht 122 austritt.
Um das Fluid beim Ausbreiten in der Wärmeübertragungsschicht 122 zu
unterstützen,
kann es eine Vielzahl von Fluidkanälen oder Rippen 123 geben,
die von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende führen. Die besondere Ausgestaltung
der Fluidkanäle
oder der Rippen 123 kann von irgendeiner Anzahl von Parametern
abhängen,
so wie den thermischen Eigenschaften des Materials, den thermischen
und physikalischen Eigenschaften des Fluids, der Durchströmrate des
Fluids, der Größe der Vorrichtung
und dergleichen. An dem zweiten Ende der Wärmeübertragungsschicht 122 wird
der Fluiddurchlaß zu
einer Fluidöffnung 119C in
der Schicht 120, einer Fluidöffnung 119B in der
Schicht 116C zu einer Fluidöffnung 119A in der
Schicht 116B weitergeführt,
welche schließlich
zu dem ersten Auslaß 109 führt.
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Der
zweite Kühldurchlaß 106 beginnt
an dem zweiten Einlaß 110 in
der Deckschicht 116A, öffnet sich
zu einem Durchlaß 124 durch
eine Schicht 116B, welcher zu einem Durchlaß in der
Schicht 116C führt, der
zu einer Fluidöffnung 126 führt, nahe
der Fluidöffnung 119B in
der Schicht 116C. Es kann nachfolgende Fluidöffnungen 126 geben,
abhängig
von der Anzahl der Schichten und der Position des ersten Wärmeübertragungsbereiches
oder der Schicht. In der gezeigten Figur führt die Fluidöffnung 126 zu
einem zweiten Wärmeübertragungsbereich
oder einer Schicht 120. Der zweite Wärmeübertragungsbereich oder die
Schicht 120 ist so gestaltet, daß das Fluid nahe einem ersten
Ende eintritt, sich durch die Schicht bewegt, durch verschiedene Öffnungen
oder Durchlässe
zu einem zweiten Ende, wo es aus der Schicht 120 austritt.
Um das Fluid dabei zu unterstützen,
sich in der Wärmeübertragungsschicht 120 zu verteilen,
kann es eine Vielzahl von Fluidkanälen oder Rippen 121 geben,
die von dem ersten Ende zu dem zweiten führen. Die besondere Ausgestaltung der
Fluidkanäle
oder Rippen 121 kann von irgendeiner Anzahl von Parametern
abhängen,
so wie den thermischen Eigenschaften des Materials, den thermischen
und physikalischen Eigenschaften des Fluids, der Durchflußrate des
Fluids, der Größe der Vorrichtung
und dergleichen. An dem zweiten Ende der Wärmeübertragungsschicht 120 führt der
Fluiddurchlaß 106 zu
einer Fluidöffnung 128 in
der Schicht 116C, zu einer Fluidöffnung 130 in der
Schicht 116B, welche zu einem zweiten Auslaß 111 führt. Das
Fluid kann in jeder Richtung der Kühldurchlässe strömen, für den verbesserten Wirkungsgrad
sollte das Fluid jedoch in jedem Durchlaß in entgegengesetzten Richtungen
strömen.
Ein Ziel dieser Gestaltung ist es, den Oberflächentemperaturgradienten der
Temperatursteuervorrichtung 100 zu verringern.
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Bei
der beispielhaften Ausführungsform
befindet sich der erste Wärmeübertragungsbereich 122 in
einer ersten Ebene, und der zweite Wärmeübertragungsbereich 120 befindet
sich in zweiter Ebene, wobei die erste Ebene näher an der Grenzfläche 103 liegt
als die zweite Ebene. In der Praxis sind die beiden Ebenen parallel
zueinander, wie in 2 veranschaulicht. Diese gestapelte
Anordnung erleichtert eine Querströmung des Kühlmittels in drei Dimensionen.
Obwohl zwei Wärmeübertragungsschichten
in den Figuren gezeigt sind, kann eine praktische Implementierung
irgendeine Anzahl von Wärmeübertragungsschichten
verwenden, ob sie direkt aufeinander gestapelt oder durch eine oder
mehrere weitere Elemente getrennt sind.
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Es
gibt zwei integrierte Heizeinrichtungen, die bei der gezeigten Temperatursteuervorrichtung 100 verwendet
werden, eine erste Heizschicht 132 und eine zweite Heizschicht 134.
In der Praxis kann irgendeine Anzahl von Heizschichten verwendet
werden. Die 3–5 zeigen
Beispiele einiger Positionen, an denen sich die integrierten Heizschichten innerhalb
der Temperatursteuervorrichtung 100 befinden können. In
diesen Figuren ist die Deckschicht 116 als eine einzelne
Schicht gezeigt, kann jedoch mehrere Schichten haben, wie oben beschrieben. Die
Heizschichten 132 und 134 können aus elektrischen Widerstands-Serpentinenspuren 138 auf
einem Substrat mit externen Verbindungen 136, die mit einem
Controller 101 verbunden sind, hergestellt sein. Das Substrat
kann aus Silizium, Keramik oder einem anderen geeigneten Material
hergestellt sein. Die Widerstandsspuren 138 können für das gleichförmige Heizen
sorgen oder können
so angeordnet sein, daß sie
differentielles Heizen mit differentieller Steuerung zur Verfügung stellen.
Wenn es zweckmäßig ist,
kann es Fluidöffnungen
für Fluiddurchlässe 104 und 106 in
den Heizschichten geben. In 3 sind die
Heizschichten 132 und 134 nahe der Grenzfläche 103 gezeigt,
so daß die
Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 zwischen
den Heizschichten 132 und 134 und der Deckschicht 116 angeordnet sind.
Da die Heizschichten 132 und 134 weg von der Deckschicht 116 und
den Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 angeordnet
sind, ist es nicht erforderlich, daß Fluidöffnungen durch die Heizschichten
gebildet sind. In 4 befinden sich die Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 nahe
der Grenzfläche 103,
und die Heizschichten 132 und 134 sind zwischen
den Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 und
der Deckschicht 116 angeordnet. Da die Heizschichten 132 und 134 zwischen
der Deckschicht 116 und den Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 angeordnet
sind, gibt es Fluidöffnungen 118 und 128 durch
die Heizschichten 132 und 134 nahe einem ersten
Ende und Fluidöffnungen 119 und 126 durch
diese nahe einem zweiten Ende als Teil der Fluiddurchlässe 104 und 106.
Die elektrischen Widerstands-Serpentinenspuren 138 sind
auf jeder Heizschicht 132 und 134 zwischen den Fluidöffnungen
angeordnet. In 5 befindet die Heizschicht 132 nahe
der Grenzfläche 103,
und die Heizschicht 134 befindet sich nahe der Deckschicht 116.
Die Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 sind
zwischen den Heizschichten 132 und 134 angeordnet.
Da die Heizschicht 134 zwischen der Deckschicht 116 und
den Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 angeordnet
ist, gibt es Fluidöffnungen 118 und 128 durch
die Heizschicht 134 nahe einem ersten Ende und Fluidöffnungen 119 und 126 durch diese
nahe einem zweiten Ende als Teil der Fluiddurchlässe 104 und 106.
Die elektrische Widerstands-Serpentinenspur 138 ist auf
der Heizschicht 134 zwischen den Fluidöffnungen angeordnet.
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Eines
oder mehrere Abfühlelemente
sind in der Temperatursteuervorrichtung 100 enthalten.
Die Abfühlelemente
sind mit dem Steuersystem oder einer weiteren Einrichtung zum Überwachen
der Sensorablesungen verbunden. Die Abfühlelemente können verwendet
werden, um die Temperaturen an einem oder mehreren Orten in der
Temperatursteuervorrichtung 100 anzugeben. Zum Beispiel
können
die Sensoren die Temperatur der Grenzfläche 103, die Temperaturen
der Heizschicht 132 und 134 (getrennt oder kombiniert),
die Fluidtemperaturen oder Temperatur der Wärmeübertragungsschicht (getrennt
oder kombiniert) oder andere Stellen überwachen, wo das Abfühlen geeignet
oder gewünscht
ist.
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Im
Betrieb kann die Temperatursteuervorrichtung 100 die DUT 102 thermisch
konditionieren, indem eine gesteuerte thermische Grenzfläche 103 zu
der DUT 102 während
einer Prüfphase
gebildet wird. Die DUT 102 befindet sich entweder direkt
im Kontakt mit der Vorrichtung oder verwendet ein Grenzflächenmaterial
oder eine flächenanpassende Wärmeverbreitungsvorrichtung,
so wie eine metallische Platte, während sie eingesetzt wird.
Die DUT 102 wird dann der funktionalen Prüfung unterworfen, wie
sie durch die Prüfspezifikation
erforderlich ist. Das Steuersystem 100 oder die Prüfausstattung überwacht
die Temperatur der DUT 102 während der funktionalen Prüfung und
reguliert die Temperatur der Heiz- und Kühlelemente, die mit der Temperatursteuervorrichtung 100 verbunden
sind. Die integrierten Heizerschichten 132 und 134 können ein-
und ausgeschaltet werden, entweder zusammen oder getrennt, mit verschiedenen
Energiepegeln, um die Vorrichtung zu heizen, und Kühlfluid
fließt
durch die Fluiddurchlässe 104 und 106,
um die Vorrichtung zu kühlen.
Bei einer praktischen Ausgestaltung wird die Temperatur jedes Heizelementes
unabhängig
gesteuert, indem die jeweilige Leistung eingestellt wird, die auf
das Element aufgegeben wird.
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Die
Temperatursteuervorrichtung 100 ist so ausgestaltet, daß sie die
DUT heizt oder kühlt,
indem ein direkter thermischer Weg zu der DUT zur Verfügung gestellt
wird. Gemäß der gezeigten
Ausführungsformen
verläuft
der thermische Weg zu der DUT von der gesteuerten thermischen Grenzfläche 103 zu
der/den Deckschicht(en) 116. In 3 umfaßt der thermi sche
Weg die erste Heizschicht 132, die zweite Heizschicht 134,
die erste Wärmeübertragungsschicht 122 und
die zweite Wärmeübertragungsschicht 120.
In 4 umfaßt
der thermische Weg die erste Wärmeübertragungsschicht 122,
die zweite Wärmeübertragungsschicht 120,
die erste Heizschicht 132 und die zweite Heizschicht 134.
In 5 umfaßt
der thermische Weg die erste Heizschicht 132, die erste
Wärmeübertragungsschicht 122,
die zweite Wärmeübertragungsschicht 120 und die
zweite Heizschicht 134. Es kann zusätzliche Konfigurationen geben,
die zusätzliche
thermische Wege zur Verfügung
stellen.
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Natürlich können die
Größe und Form
der gesteuerten thermischen Grenzfläche 103 der Temperatursteuervorrichtung 100 in
geeigneter Weise ausgestaltet werden, daß sie zu der Größe und Form der
bestimmten DUT paßt.
Um zum Beispiel einen üblichen
Mikroprozessor zu prüfen,
kann die Größe der Vorrichtung
25.4 mm (1 Zoll) breit und 50.8 mm (2 Zoll) lang und 635 mm (0.25
Zoll) breit sein (oder es können
andere Größen und
Formen benutzt werden, um die bestimmte Anwendung zu bedienen).
Als Alternative kann ein geeignet ausgestaltetes passendes Element,
aus einem thermischen Leiter gebildet, zwischen die Temperatursteuervorrichtung 100 und die
DUT 102 gebracht werden. Ein angepaßtes Element kann auch wünschenswert
sein, um den speziellen physikalischen Eigenschaften der DUT zu
genügen
oder um das Heizen oder Kühlen
auf bestimmte Flächen
der DUT zu konzentrieren.
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Wie
oben angesprochen können
die Wärmeübertragungsschichten 120 und 122 eine
Anzahl von Kühlrippen
umfassen, die so ausgestaltet und angeordnet sind, daß sie die
Wärmeübertragung
von dem Fluid oder Kühlmittel
fördern.
Die Vielzahl der parallelen Kühlrippen
ist auch parallel zu dem Fluidströmungsweg in den Wärmeübertragungsschichten 120 und 122.
Gemäß einer
praktischen Ausführungsform ist
jede der Kühlrippen
ungefähr
0.3 mm (0.012 Zoll) dick. Weiterhin sind die benachbarten Kühlrippen
ungefähr
0.3 mm (0.012 Zoll) voneinander entfernt. Als Alternative können die
Wärmeübertragungsschichten
irgendeine geeignete Gestaltung der Kühlrippen benutzen, und die
besondere Gestaltung kann von irgendeiner Anzahl von Parametern
abhängen,
so wie den thermischen Eigenschaften des Wärmesenken materials, den thermischen
und physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels, der Strömungsrate
des Kühlmittels,
der Größe der Wärmeübertragungsschichten
und dergleichen.
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Elektrisch
leitende „Farbe" kann benutzt werden,
um die elektrischen Widerstands-Serpentinenspuren 138 auf
dem Substrat zu bilden. Gemäß einer praktischen
Ausführungsform
umfaßt
die leitende Farbe eine Nickel-, Wolfram- oder andere Legierung mit
einem relativ hohen elektrischen Widerstand. Das Substrat ist bemustert,
und die leitende Farbe wird auf die Oberfläche des Substrats gedruckt,
das dann durch Stapeln mit zusätzlichen
Schichten verbunden werden kann. Signaldrähte oder Leitungen 136 werden
an die jeweiligen Spuren gelötet
oder auf andere Weise befestigt, um die jeweiligen Heizsteuersignale von
dem Steuersystem zu transportieren. Die Spuren der elektrischen
Heizelemente werden der DUT nicht ausgesetzt.
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Zahlreiche
Verfahren zur Herstellung können verwendet
werden, um die Temperatursteuervorrichtung 100 aufzubauen.
Bei einer Ausführungsform werden
alle Schichtsubstrate in einem keramischen „Grün"-Zustand hergestellt, dann, wenn einmal
die Fluidkanäle,
die elektrischen metallischen Widerstands-Serpentinenspuren, Sensoren
und Verbindungen auf den Substraten gebildet worden sind, werden
die Schichten durch gemeinsames Brennen verbunden, wobei eine Struktur
vom monolithischen Typ gebildet wird. Bei einer anderen Ausführungsform
sind die Schichtsubstrate aus Silizium, und wenn einmal die Fluidkanäle, die
metallischen elektrischen Widerstands-Serpentinenspuren, Sensoren und
Verbindungen auf den Substraten gebildet sind, werden die Schichten
durch eutektisches Anbinden oder einen anderen Verbindungsprozeß für hohe thermische
Leitfähigkeit
miteinander verbunden.
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Die 6–11 zeigen
verschiedene Ansichten einer weiteren Temperatursteuervorrichtung 200,
die gemäß der Erfindung
ausgestaltet ist. Wie die oben beschriebene Temperatursteuervorrichtung umfaßt die Vorrichtung 200 im
allgemeinen eine Grenzfläche 202,
die so gestaltet ist, daß sie
einen thermischen Weg zu einer DUT zur Verfügung stellt, eine fluidgekühlte Wärmesenkensstruktur 204,
die so gestaltet ist, daß sie
einen Durchfluß von
Kühlmittel in
drei Dimensionen zum Kühlen
der Grenzfläche 202 aufrecht
hält; und
eine Heizanordnung 206, die so gestaltet ist, daß sie die
Grenzfläche 202 heizt.
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Die
Heizanordnung 206 kann wie oben im Zusammenhang mit der
Vorrichtung 100 beschrieben ausgestaltet sein. Die Heizanordnung 206 umfaßt eines
oder mehrere elektrische Heizelemente, die an ein Substrat gekoppelt
sind. Wie in 8 gezeigt, kann die Heizanordnung 206 eine
Anzahl von Anschlüssen
oder Kontaktpunkten (aus der Sicht verborgen) umfassen, die eine
oder mehrere Heizsteuersignale bereitstellen. Bei einer typischen
Implementierung werden die Steuersignale durch Löcher in der Wärmesenke
auf ihrem Weg zu den Anschlüssen
auf der Heizanordnung 206 eingespeist. Im Betrieb wird
die Grenzfläche 202 gegen
eine DUT (nicht gezeigt) gehalten, die Heizanordnung 206 wird
gesteuert, um Wärme,
die zu der DUT gegeben wird, zu regulieren, und Kühlmittel
wird durch die Wärmesenkenstruktur 204 geleitet,
um die Temperatur der DUT zu regulieren. Die Durchflußrate und/oder
Temperatur des Kühlmittels
kann durch ein Kühlmitteldurchflußratensteuersystem
(nicht gezeigt) gesteuert werden, das an die Vorrichtung 200 gekoppelt
ist. Im Hinblick darauf umfaßt
die Vorrichtung 200 einen oder mehrere Fluideinlässe 210 und
einen oder mehrere Fluidauslässe 212,
die darin gebildet sind, um den Durchfluß des Kühlmittels sicherzustellen.
Aus Gründen
der Klarheit sind die Fluidkopplungselemente für die Einlässe 210 und die Auslässe 212 im
Zusammenhang mit der Vorrichtung 200 nicht gezeigt.
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Die
Temperatursteuervorrichtung 200 ist bevorzugt aus einer
Vielzahl von Schichten gebildet, wie es am besten in 8 gezeigt
ist. Die veranschaulichte Ausführungsform
umfaßt
die Heizanordnung 206, eine erste Deckschicht 214,
eine erste Zwischenschicht 216, eine Vielzahl von Mikrokanalschichten 218,
eine zweite Zwischenschicht 220 mit darin gebildeten Fluideinlässen und
Fluidauslässen und
eine zweite Deckschicht 222 mit darin gebildeten Fluideinlässen und
Fluidauslässen.
Die verschiedenen Schichten sind miteinander verkoppelt, indem eine
oder mehrere bekannte Techniken verwendet werden, so wie Binden,
Löten,
Haft mittel oder dergleichen. Nachdem der Stapel aufgebaut ist, werden die
Fluideinlässe
und -auslässe
in der zweiten Zwischenschicht 220 gebildet, und die zweite
Deckschicht 222 bildet Fluideinlässe 210 und Fluidauslässe 212.
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Bei
einer praktische Ausführungsform
der Temperatursteuervorrichtung 200 ist eine erste Deckschicht 210 aus
Kupfer gebildet, eine erste Zwischenschicht 216 ist aus
einem keramischen Substratmaterial gebildet, jede der Mikrokanalschichten 218 ist aus
Kupfer gebildet, die zweite Zwischenschicht 220 ist aus
einem keramischen Substratmaterial gebildet und die zweite Deckschicht 222 ist
aus Kupfer gebildet. Die erste und zweite Zwischenschicht 216 und 222 wirken
so, daß sie
die Effekte der thermischen Ausdehnung und des Zusammenziehens der
Kupferschichten von der Heizanordnung 206 (die bei der beispielhaften
Ausführungsform
auf Keramik basiert) „isolieren". Die Schichten sind
miteinander in einer Weise verkoppelt, die Flüssigkeitsdichtungen bildet, so
daß das
Kühlfluid
in den richtigen Kanälen
und Strömungswegen
innerhalb der Wärmesenkenstruktur 204 gehalten
wird. Mit anderen Worten ist die Wärmesenkenstruktur 204 so
gebildet daß (idealerweise)
das Kühlfluid
nur durch Fluideinlässe 210 eintreten
und nur durch Fluidauslässe 212 austreten kann.
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Mit
Bezug auf 10 umfaßt jeder der Mikrokanalschichten 218 Rippen 224,
welche benachbarte Fluidleitungen 226 voneinander trennt.
Die Mikrokanalschicht 218, die in 10 gezeigt
ist, umfaßt sieben
Rippen 224 und acht Leitungen 226. Nachdem die
verschiedenen Mikrokanalschichten 218 zusammengestapelt
sind, bilden die Rippen 224 „Wände" zwischen benachbarten Leitungen 226.
Gemäß einer
praktischen Ausführungsform
sind die Rippen 224 jede ungefähr 0.51 mm (0.020 Zoll) breit,
jede Leitung ist ungefähr
47 mm (1.850 Zoll) lang, und (nach dem Stapeln) ist die Wärmesenkenstruktur
ungefähr
4 mm (0.158 Zoll) dick. Natürlich
können
diese Abmessungen sich ändern,
um an unterschiedliche Anwendungen und unterschiedliche Größen der
DUT angepaßt
zu sein.
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Die
Temperatursteuervorrichtung 200 ist in geeigneter Weise
ausgestaltet, um einen Durchfluß bzw.
Querstrom von Kühlmittel
innerhalb der Wärmesenkenstruktur 204 einzurichten.
Bei der beispielhaften Ausführungsform
sind die Fluidleitungen 226 koplanar und parallel. Zusätzlich nimmt
eine Untermenge der Fluidleitungen 226 den Kühlmitteldurchfluß in einer
ersten Richtung auf, während
eine weitere Untermenge der Fluidleitungen 226 den Kühlmitteldurchfluß in einer
zweiten Richtung aufnimmt. Bevorzugt ist die erste Richtung der
zweiten Richtung entgegengesetzt. Mit Bezug auf 9 hält die Vorrichtung 200 den
Kühlmitteldurchfluß, indem
das Kühlmittel
in bestimmte Fluideinlässe 210 gerichtet
wird. Im Hinblick darauf nehmen die Fluideinlässe 210a–d, die
jeweils den Fluidauslässen 212a–213d entsprechen,
den Kühlmittelstrom
in einer ersten Richtung (von oben nach unten in 9)
auf. Im Gegensatz dazu nehmen die Fluideinlässe 210e–h, die
jeweils den Fluidauslässen 212e–h entsprechen,
den Kühlmittelstrom
in einer zweiten Richtung (von unten nach oben in 9)
auf. Dieses Durchflußmuster führt zu einer
unterschiedlichen Durchflußrichtung
in benachbarten Leitungen 226. Schließlich verringert der Durchfluß des Kühlmittels
den thermischen Gradienten über
die Grenzfläche 206 und
führt zu
einer effizienteren Temperaturregulation der DUT.
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Jede
Mikrokanalschicht 218 umfaßt auch eine Lage, ein Maschengitter,
eine Matrix, ein Gitter oder eine ähnliche Struktur 228,
die sich innerhalb der Fluidleitung 226 befindet. Die Lagenstruktur 228 kann
ein geometrisches Muster verwenden, z.B. Quadrate, Dreiecke, Kreise,
Sechsecke, Achtecke oder dergleichen. Wie in 11 gezeigt,
benutzt die beispielhafte Ausführungsform
ein Gitter aus Sechsecken für
die Lagenstruktur 228. Bei der veranschaulichten Ausführungsform
ist die Lagenstruktur 228 in jeder Mikrokanalschicht 218 planar
oder eben, so daß nur
ein „Pegel" von Sechsecken sich
innerhalb jeder Mikrokanalschicht 218 befindet. Die Lagenstruktur 228 in
benachbarten gestapelten Mikrokanalschichten 228 ist abgestuft
oder versetzt, so daß, wenn
die Wärmesenkenstruktur 204 gebildet
ist, die Lagenstrukturen 228 jeweilige dreidimensionale
Mikrokanalstrukturen erzeugen, die sich innerhalb der ver schiedenen
Fluidleitungen 226 befinden. 11 veranschaulicht
drei versetzte Lagenstrukturen 228, die eine solche dreidimensionale
Mikrokanalstruktur bilden.
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Die
sich ergebenden dreidimensionalen Mikrokanalstrukturen sind so gestaltet,
daß sie
Kühlmitteldurchfluß in drei
Richtungen innerhalb jeder Fluidleitung richten. Aufgrund der versetzten
Beschaffenheit der einzelnen Lagenstrukturen 228 wird das Kühlmittel
seitlich durch die dreidimensionale Mikrokanalstruktur strömen, während sie
vertikal über
und unter die einzelnen Pegel der Lagenstrukturen strömt. Die
einzelnen Lagenstrukturen 228 können derart angeordnet und
miteinander verkoppelt sein, daß kontinuierliche
Wärmeübertragungswege
von oben nach unten bei der Wärmesenkenstruktur 204 gebildet
werden, was somit den Wirkungsgrad des Wärmeübertrags verbessert.
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Bei
der beispielhaften Ausführungsform,
wie sie hierin gezeigt ist, liegen die Fluidleitungen 226 und
jeweilige Mikrokanalstrukturen einander benachbart. Bei einer alternativen
Ausgestaltung (nicht gezeigt) befindet sich eine erste Untermenge
der Fluidleitungen in einer Schicht, eine zweite Untermenge der
Fluidleitungen befindet sich in einer zweiten Schicht unterhalb
der ersten Schicht, und beide Gruppen Fluidleitungen befinden sich
oberhalb der Grenzfläche 206.
Die Durchströmung
des Kühlmittels kann
in der oben beschriebene Weise eingerichtet werden und/oder, indem
Kühlmittel
in eine Richtung durch die erste Untermenge der Fluidleitungen und
in eine zweite Richtung durch die zweite Untermenge der Fluidleitungen
gerichtet wird.
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Die
Schichtgestaltung dieser Vorrichtungen erlaubt die Flexibilität, den Wirkungsgrad
der Wärmesenkung
und den Druckabfall über
die Wärmesenke maßzuschneidern,
indem einfach die Anzahl der Schichten geändert wird. Im Hinblick darauf
führen mehr
Schichten zu einem höheren
Wirkungsgrad der Wärmesenke,
um Wärme
zu entfernen, was wiederum zu einer besseren Antwortzeit für ein aktives
thermisches Steuersystem führt.
Zusätzliche
Schichten führen
auch zu einem geringeren Druckabfall, wenn das Kühlfluid durch die Wärmesenke strömt. Ein niedrigerer
Druckabfall führt
zu der Anforderung eines niedrigeren Einlaßdruckes für das Kühlfluid, was bei praktischen
Anwendungen wünschenswert
ist. Zusätzliche
Schichten führen
auch zu einer höheren thermischen
Masse für
die Wärmesenke.
Folglich erleichtert die geschichtete Gestaltung der Wärmesenkung
das schnelle kosteneffektive Bereitstellen einer optimierten Vorrichtung
für die
gegebene Anwendung, indem es dem Gestalter ermöglicht, einen Ausgleich zwischen
dem thermischen Wirkungsgrad und der thermischen Masse zu treffen.
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Die
vorliegende Erfindung ist oben mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden. Jedoch werden die Fachleute, welche diese Offenbarung
gelesen haben, erkennen, daß Änderungen
und Modifikationen bei der bevorzugten Ausführungsform vorgenommen werden
können,
ohne daß man
sich vom Umfang der vorliegenden Erfindung entfernt. Für diese
und weitere Änderungen oder
Modifikationen ist beabsichtigt, daß sie innerhalb des Umfangs
der Erfindung eingeschlossen sind, wie sie in den folgenden Ansprüchen ausgedrückt ist.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Temperatursteuervorrichtung, welche eine miniaturisierte flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke
mit integrierter Heizeinrichtung und Abfühlelementen umfaßt, wird
als ein Teil eines Systems verwendet, um eine gesteuerte Temperaturoberfläche zu einer
elektronischen Baugruppe zur Verfügung zu stellen, so wie einer
Halbleiterbaugruppe während
der Prüfphase.
Die Temperatursteuervorrichtung umfaßt eine Grenzfläche, die
so gestaltet ist, daß sie
einen thermischen Weg von der Vorrichtung zu einer zu prüfenden Baugruppe
zur Verfügung
stellt. Eine solche Vorrichtung hat eine flüssigkeitsgekühlte Wärmesenke
mit einem ersten Wärmeübertragungsbereich in
einer ersten Ebene und einem zweiten Wärmeübertragungsbereich in einer
zweiten Ebene. Der erste und der zweite Wärmeübertragungsbereich richten eine
dreidimensionale Strömung
des Kühlmittels
innerhalb der Wärmesenkenstruktur
ein. Eine alternative Ausführungsform
umfaßt
parallele Fluidleitungen, jede mit einer dreidimensionalen Mikrokanalstruktur, welche
den Kühlmitteldurchfluß in drei
Dimensionen innerhalb der Fluidleitungen richtet. Kühlmittel
fließt durch
benachbarte Fluidleitungen in entgegengesetzten Richtungen, was
somit zu einer dreidimensionalen Durchströmung innerhalb der Wärmesenkenstruktur
führt.