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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Offenbarung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Temperaturkontrolle
und insbesondere das Bereitstellen einer Grenzfläche zum Aufrechterhalten einer
Solltemperatur durch Heizen und/oder Kühlen eines elektronischen Bauteils
oder einer Komponente, typischerweise während das elektronische Bauteil oder
die Komponente getestet wird.
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2. Hintergrundinformation
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Elektronische
Festkörper-Bauteile
oder Komponenten, z. B. Halbleiter, haben abhängig von der Temperatur unterschiedliche
Leistungscharakteristik. Beispielsweise entwickeln solche elektronischen
Bauteile typischerweise Wärme
(d. h. Eigenwärme)
während
ihres Betriebes, wobei mit steigender innerer Temperatur sich die
Leistungseigenschaften ändert.
Darüber
hinaus können
elektronische Festkörper-Bauelemente
in verschiedenen Umgebungen benutzt werden, wodurch sie unter Umständen einem
breiten Temperaturbereich ausgesetzt sind.
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Um
konstante Leistungseigenschaften zu garantieren, ist es wünschenswert,
eine relativ konstante Temperatur des elektronischen Bauelements beizubehalten.
Dieses ist insbesondere für
Funktionstests der elektronischen Bauelemente wichtig, um einen
ordnungsgemäßen Betrieb
und die Übereinstimmung
mit den Entwurfsvorgaben zu sichern. Zum Beispiel kann ein elektronisches
Bauelement, auch bezeichnet als Bauelement im Test (DUT – Device
Under Test) Haltbarkeitstest, wie z. B. Kurzschlusstests und Einbrenntests,
unterworfen sein, um verschiedene Bauelementeigenschaften zu beobachten.
Während
solcher Tests muss die Temperatur des DUT relativ konstant bei einer
vorgegebenen Testtemperatur oder Solltemperatur gehalten werden,
damit die Ergebnisse aussagekräftig
sind. Mit anderen Worten, der Tester muss in der Lage sein nachzuweisen,
dass bestimmte beobachtete elektrische Eigenschaften anderen Faktoren
zuzuschreiben sind, als einer Temperaturänderung.
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Um
eine konstante Temperatur beizubehalten sind bekannte Temperatur
Steuer- oder Regeleinrichtungen ebenso in der Lage Wärme abzuführen, z. B.
durch eine Kühlkörper (Wärmesenke),
als auch Wärme
hinzuzufügen,
z. B. durch einen elektrischen Heizer. Ein Kühlkörper beinhaltet dabei eine
Flüssigkeit
mit einer Temperatur, die deutlich niedriger ist als die Testtemperatur
des DUT. Ein Heizer ist zwischen dem DUT und dem Kühlkörper platziert
und dem Heizer wird Leistung zugeführt um die Temperatur seiner Oberfläche zu steigern,
z. B. auf die Testtemperatur die für den Test des DUT benötigt wird.
Der Kühlkörper gleicht
jegliche Überschusswärme aus
und entfernt zudem die Wärme,
die von dem DUT im Testprozess erzeugt wird in dem Ausmaß, in dem
die Eigenerwärmung
die Bauteiltemperatur über
die Testtemperatur anhebt. Leistungsfluktuationen können signifikante
und relativ spontane Selbstaufheizung hervorrufen, woraus für die Temperatur-Regeleinrichtung
die Notwendigkeit resultiert, schnell und akkurat zu reagieren,
um den unerwünschten
Anstieg der Temperatur auszugleichen.
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Die
Grenzfläche,
an der der Kühlkörper (oder,
falls benutzt, der Heizer) das DUT kontaktiert, ist von besonderer
Bedeutung um das DUT auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Wenn beispielsweise die Oberfläche
des Kühlkörpers (oder
Heizers) nicht im Wesentlichen koplanar mit der Oberfläche des
DUT ist, kann ein nicht gleichmäßiger Wärmeübertrag
auf die Fläche
des DUTs auftreten, der in unerwünschten
thermischen Gradienten am DUT resultieren kann. Einige konventionelle
Systeme stellen aus diesem Grund ein Wärmeübergangsmaterial zwischen den
Oberflächen
des Kühlkörpers (oder Heizers)
und des DUTs bereit. Zum Beispiel kann eine Flüssigkeit (z. B. eine Mischung
aus Wasser und Alkohol) zwischen den Kühlkörper (oder Heizer) und das
DUT gebracht werden. Die Flüssigkeit
füllt Luftspalte
zwischen dem Kühlkörper (oder
Heizer) und dem DUT, wodurch ein gleichmäßigerer Wärmekontakt zum Kühlkörper (oder
Heizer) bereitgestellt wird.
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Allerdings
bedingt der Einsatz von Flüssigkeiten
als thermisches Übergangsmaterial
andere Nachteile. Bauelementtests werden beispielsweise oft über einen
breiten Bereich von Temperaturen und Drücken durchgeführt, teilweise
unterhalb der Gefriertemperatur von konventionellen thermischen Übergangsflüssigkeiten.
Wenn eine Flüssigkeit
zwischen dem Kühlkörper (oder
Heizer) und dem DUT gefriert, wird dadurch die thermische Gleichmäßigkeit
der Grenzfläche
häufig
beeinträchtigt,
was zu unerwünschten
thermischen Gradienten am DUT führt. Darüber hinaus
bedingt der Einsatz von Flüssigkeiten
als Wärmeübergangsmaterial
auch Nachteile bei höheren
Testtemperaturen. Zum Beispiel kann ein flüssiges Wärmeübergangsmaterial unter bestimmten
Testbedingungen Bereiche der Oberfläche eines keramischen Kühlkörpers (oder
Heizers) in einen mikroskopischen Schlamm verwandeln, der dann unerwünschten
Abrieb am DUT hervorrufen kann.
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Auch
wenn Flüssigkeit
nützlich
zum Ausfüllen
von Luftspalten zwischen dem Kühlkörper (oder dem
Heizer) und dem DUT ist, kann Flüssigkeit
zudem die thermischen Gradienten nicht vollständig beseitigen. Der Grund
ist, dass unterschiedliche Dicke der Flüssigkeit zwischen dem Kühlkörper (oder
Heizer) und dem DUT, die auf mikroskopischen Größenordnungen auftreten kann,
wenn die Oberflächen
der Grenzfläche
nicht vollkommen koplanar zueinander sind, einen unterschiedlichen
Wärmewiderstand
darstellen. Zum Beispiel können,
wie in 1a dargestellt, ein DUT 10 und/oder
ein Kühlkörper (oder
Heizer) 15 nicht-planare Oberflächen 17, 18 haben,
die zu unterschiedlichen Dicken der Flüssigkeit 19 an der Grenzfläche führen. Die
Dicke der Flüssigkeit 19 kann
z. B. 0 μm
an einer ersten Stelle 20 und z. B. 50 μm an einer zweiten Stelle 25 betragen.
Da sich der Wärmewiderstand
der Flüssigkeit
mit der Dicke der Flüssigkeit ändert, treten
thermische Gradienten auf wenn dem DUT Leistung zugeführt wird,
wie in 1b gezeigt.
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Neben
dem Material zwischen dem Kühlkörper (oder
Heizer) und dem DUT beeinflussen auch die Strukturen, an die der
Kühlkörper (oder
Heizer) 15 und/oder das DUT 10 befestigt sind,
die Grenzfläche
zwischen dem Kühlkörper (oder
Heizer) 15 und dem DUT 10. Beispielsweise wird
der Kühlkörper (oder
Heizer) 15 üblicherweise
von einer Temperatur-Regeleinrichtung 30 getragen, wie
in 2 gezeigt. Die Temperatur-Regeleinrichtung 30 kann
z. B. Rohre aufweisen, die Flüssigkeiten
verschiedener Temperatur (z. B. Heiz- und Kühlwasser) zu dem Kühlkörper 15 führen, um
das DUT 10 auf der gewünschten
Temperatur zu halten. Die Temperatur-Regeleinrichtung 30,
ist einschließlich
des Kühlkörpers (oder
Heizers) 15 und der Rohre grundsätzlich in axialer Richtung
senkrecht zum DUT 10 beweglich (in Richtung des Pfeils ”A”). Auf
diese Weise können
eine Vielzahl von DUTs an der Temperatur-Re geleinrichtung 30 vorbei
geführt
werden (in der Richtung des Pfeiles ”B”) und der die Temperatur-Regeleinrichtung 30 kann
zu Testzwecken in Kontakt mit jedem nachfolgenden DUT 10 gebracht
werden.
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Allerdings
führt die
Steifheit der Struktur, die den Kühlkörper (oder Heizer) 15 trägt, häufig dazu, dass
die Oberflächen
vom Kühlkörper (oder
Heizer) 15 und dem DUT 10 zueinander nicht ausgerichtet sind.
Dieses bedeutet, dass die Steifheit der Temperatur-Regeleinrichtung 30 es
erschwert, die Oberflächen 17, 18 an
der Grenzfläche
im Wesentlichen koplanar auszurichten. Solch eine Situation ist
in 3 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass die
Oberfläche 18 des
Kühlkörpers (oder
Heizers) 15 einen Winkel zur Oberfläche 17 des DUT 10 aufweist,
so dass die Oberflächen 17, 18 nicht
im Wesentlichen koplanar an ihrer Grenzfläche sind. In solchen Situationen ist
es nicht nur wahrscheinlich, dass ein thermischer Gradient an der
Grenzfläche
auftritt, sondern auch, dass eine ungleichmäßige Kraft (z. B. Drehmoment, Moment
usw.) auf das DUT 10 wirkt. Insbesondere wenn der Test
des DUT 10 die Anwendung einer axialen Kraft (z. B. bis
zu 100 Pfund, entsprechend etwa 445 Newton) auf das DUT 10 erfordert,
kann das ungleichmäßige Aufbringen
von Kraft aufgrund der nicht koplanaren Oberflächen in einer Zerstörung (z. B.
einem Zerbrechen) des Kühlkörpers (oder
Heizers) und/oder DUTs führen.
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Es
besteht daher ein Bedarf, die oben beschriebenen Nachteile und Beschränkungen
zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Kontrollieren einer Temperatur eines Bauelements. Die Vorrichtung
beinhaltet einen Körper,
der eine Mehrzahl von Kammern umfasst, die im Wesentlichen symmetrisch
um eine Längsachse
des Körpers
angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Kammern eine obere
Membran und eine untere Membran aufweist. Die Vorrichtung beinhaltet
weiterhin ein Wärmeübertragungselement
befestigt an dem Körper über die
Mehrzahl von Kammern, derart, dass die Mehrzahl von Kammern über Flüssigkeiten
mit dem Wärmeübertragungselement
in Verbindung steht.
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In
Ausgestaltungen gleicht eine Temperatur des Wärmeübertragungselements Temperaturänderungen
des Bauelements aus und behält
im Wesentlichen eine Solltemperatur des Bauelements bei. Das Bauelement
enthält
ein Halbleiterelement. Darüber hinaus
kann das Wärmeübertragungselement
relativ zum Bauelement beweglich sein. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungselement
mit sechs Freiheitsgraden relativ zum Bauelement beweglich sein.
Zusätzlich
kann das Wärmeübertragungselement
relativ zum Körper
axial beweglich sein. Darüber
hinaus kann das Wärmeübertragungselements
eine Kraft auf das Bauelement ausüben, die im Wesentlichen senkrecht
zu einer Grenzfläche
des Bauelements ist.
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In
einer Ausgestaltung weist der Körper
einen Druckluftverteiler auf, der mit dem oberen Bereich einer jeden
der Mehrzahl von Kammern verbunden ist. Der Druckluftverteiler kann
in Verbindung mit einer externen Druck- oder Vakuumquelle stehen. Auf
diese Weise wird das Wärmeübertragungselement
axial vom Körper
weg bewegt wenn ein positiver Druck auf den oberen Bereich einer
jeden der Vielzahl von Kammern ausgeübt wird. Umgekehrt wird das
Wärmeübertragungselement
axial auf den Körper
zu bewegt, wenn ein Vakuum an den oberen Bereich einer jeden der
Mehrzahl von Kammern angelegt wird. Darüber hinaus übt das Wärmeübertragungselement eine Kraft
auf das Bauelement aus wenn ein positiver Druck auf den oberen Teil
einer jeden der Vielzahl von Kammern ausgeübt wird.
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In
einer anderen Ausgestaltung sind alle der oberen Membranen grundsätzlich koplanar
zueinander ausgerichtet, alle der unteren Membranen grundsätzlich koplanar
zueinander ausgerichtet und alle der oberen Membranen und unteren
Membranen können
sich in einer Richtung grundsätzlich
senkrecht zur Längsachse
des Körpers
erstrecken. Ebenfalls können
sich die oberen Membranen grundsätzlich
koplanar zueinander und entlang einer oberen Membran-Ebene erstrecken,
die unteren Membranen können
sich grundsätzlich
koplanar zueinander und entlang einer unteren Membran-Ebene erstrecken,
wobei die obere Membran-Ebene und die untere Membran-Ebene grundsätzlich parallel
zueinander sein können.
Darüber
hinaus kann die obere Membran und die untere Membran einer bestimmten
der Mehrzahl von Kammern eine gemeinsame zentrale Achse aufweisen.
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In
einer noch weiteren Ausgestaltung kann besagte obere Membran und
besagte untere Membran eine Wellenmembran aufweisen, derart, dass
die Wellenmembran z. B. im Wesentlichen frei von statischer Reibung
ist. Weiterhin kann ein gemeinsamer oberer Membranträger die
jeweiligen oberen Membranen integriert aufweisen. Der gemeinsame
obere Membranträger
kann zwischen dem Druckluftverteiler und einem Flüssigkeitsverteiler
des Körpers
eingefasst angeordnet sein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst jede der Mehrzahl an Kammern
einen oberen Kammerabschnitt, der über der oberen Membran angeordnet
ist; einen mittleren Kammerabschnitt, der zwischen der oberen Membran
und der unteren Membran angeordnet ist und einen unteren Kammerabschnitt,
der unterhalb der unteren Membran angeordnet ist. Der obere Kammerabschnitt
ist im Betrieb mit einer Druckluftquelle verbunden. Der mittlere
Kammerabschnitt definiert einen Flüssigkeitsweg zwischen einem
Flüssigkeitsverteiler
des Körpers
und dem Wärmeübertragungselement.
Ein Ventil kann in dem Flüssigkeitsweg
zwischen dem mittleren Kammerabschnitt und dem Wärmeübertragungselement angeordnet
sein.
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Weiterhin
kann das Wärmeübertragungselement
selektiv von der Basis entfernbar sein. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungselementselektiv durch
eine der folgenden Möglichkeiten
entfernbar sein: Passung, Schnappverbindung und Schnellverschluss.
Darüber
hinaus kann bei der Vorrichtung ein Wärmeübergangsmaterial zwischen dem
Wärmeübergangselement
und dem Bauelement vorgesehen sein, das diese kontaktiert. Das Wärmeübergangsmaterial
kann dabei z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen enthalten.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Kontrollieren einer Temperatur eines Bauelements. Die Vorrichtung
beinhaltet ein Substrat und Nanoröhrchen, wobei die Nanoröhrchen so
gestaltet und angeordnet sind, dass sie eine Wärmeübergangsschicht zwischen dem
Substrat und dem Bauelement bilden. Das Bauelement kann ein Halbleiterbauelement
umfassen. Die Nanoröhrchen
umfassen weiterhin Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer Höhe im Bereich
von 25 μm
und 150 μm
und weisen zwischen 15 psi und 75 psi einem im Wesentlichen gleichmäßigen Wärmewiderstand
auf.
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Darüber hinaus
kann das Substrat ein Wärmeübergangselement
einer Temperatur-Regeleinrichtung aufweisen, das so gestaltet und
angeordnet ist, dass Änderungen
in der Temperatur des Bauelements ausgeglichen werden und im Wesentlichen eine
Solltemperatur des Bauelements beibehalten wird.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist das Substrat über wieder
lösbares
Wärmelot
oder Wärmeleitpaste
mit dem Wärmeübertragungselement verbunden
und das Wärmeübertragungselement
ist in einem Wärmecontroller
enthalten der so gestaltet und angeordnet ist, dass Änderungen
einer Temperatur des Bauelements ausgeglichen werden und im Wesentlichen
eine Solltemperatur des Bauelements beibehalten wird.
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In
noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zusätzlich zumindest
ein Anschlagselement auf, der mit dem Substrat verbunden ist. Das zumindest
eine Anschlagselement ist gestaltet und angeordnet, um eine axiale
Kraft auf das Bauelement zu übertragen.
Zusätzlich
ist die Länge
des zumindest eines Anschlagselements kleiner als die Länge der
Nanoröhren.
Zusätzlich
kann die Vorrichtung zumindest einen Vakuumkanal aufweisen, der
durch das Substrat verläuft,
derart, dass das zumindest eine Anschlagselement, der zumindest
eine Vakuumkanal und das Substrat eine Vakuum-Saugnapf am Bauelement bilden. In einer
weiteren Ausgestaltung sind die Nanoröhren direkt auf einem Substrat
aufgewachsen, wobei das Substrat eine Kupferoberfläche eines
Kühlkörpers umfassen
kann. In noch einer weiteren Ausgestaltung kann das Substrat eine
erste Seite und eine zweite Seite umfassen. Eine erste Vielzahl
von Nanoröhren
sind mit der ersten Seite verbunden und eine zweite Vielzahl von
Nanoröhren ist
mit der zweiten Seite verbunden. Darüber hinaus kann das Substrat
Folie umfassen.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Kontrollieren einer Temperatur eines Bauelements. Die Vorrichtung
beinhaltet einen Körper,
aufweisend eine Mehrzahl an Kammern, die im Wesentlichen symmetrisch
um eine Längsachse
des Körpers
angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Kammern eine obere
Membran und eine untere Membran aufweist. Die Vorrichtung beinhaltet
zudem ein Wärmeübertragungselement,
das mit dem Körper über die
Mehrzahl der Kammern derart verbunden ist, dass die Mehrzahl der
Kammern sich in einem Flüssigkeitsaustausch mit dem
Wärmeübertragungselement
befindet, ein Substrat, verbunden mit dem Wärmeübertragungselement, und Nanoröhren, verbunden
mit dem Substrat. Die Nanoröhren
sind gestaltet und angeordnet, um eine Wärmeübergangsschicht zwischen dem Wärmeübertragungselement
und dem Bauelement zu bilden, wobei eine Temperatur des Wärmeübertragungselementes
die Temperatur des Bauelements ausgleicht und im Wesentlichen eine
Solltemperatur des Bauelements beibehält.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Offenbarung gibt eine detaillierte Beschreibung anhand
von nicht einschränkenden
Beispielen mit Bezug auf die angegebenen Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszeichen ähnliche
Elemente in allen Ansichten der Zeichnungen darstellen und in denen:
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1A eine
beispielhafte Übergangsgrenzfläche nach
dem Stand der Technik zeigt;
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1B einen
beispielhaften Wärmewiderstand
an der Grenzfläche
gemäß 1A zeigt;
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2 eine
beispielhafte Temperatur-Regeleinrichtung und ein Bauelement unter
Testbedingungen nach dem Stand der Technik zeigt;
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3 beispielhaft
eine weitere Grenzfläche gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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4 ein
beispielhaftes System gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
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5 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Wärmekörpers gemäß Aspekten der Erfindung zeigt;
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6 eine
beispielhafte schematische Ansicht eines Ventils einer Temperatur-Regeleinrichtung
gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
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7 eine
Abbildung des Mischens von kalter-, Solltemperatur- und warmer Flüssigkeit
gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
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8 eine
Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Systems aus 4 zeigt;
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9 eine
weitere Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Systems gemäß 4 zeigt;
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10 eine
weitere Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Systems gemäß 4 zeigt;
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11 eine
weitere Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Sys tems gemäß 4 zeigt;
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12 eine
Teilansicht von einem alternativen System gemäß Aspekten der Erfindung zeigt;
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13 eine
andere Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Systems gemäß 12 zeigt;
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14 eine
andere Teilansicht von Bereichen des beispielhaften Systems gemäß 12 zeigt;
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15A eine beispielhafte Implementierung von Wärmeübergangsmaterial
gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
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15B ein Diagramm des Wärmewiderstands des Wärmeübergangsmaterials
gemäß 14A zeigt;
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16 eine
beispielhafte Implementierung des Wärmeübergangsmaterials gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
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17 eine
andere beispielhafte Implementierung des Wärmeübergangsmaterials gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
-
18 eine
andere beispielhafte Implementierung des Wärmeübergangsmaterials gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt;
-
19 eine
andere beispielhafte Implementierung des Wärmeübergangsmaterials gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt; und
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20 eine
andere beispielhafte Implementierung des Wärmeübergangsmaterials gemäß Aspekten
der Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und Methode zum
Bereitstellen einer verbesserten Übergangsfläche zwischen einer Temperatur-Regeleinrichtung
und einem elektronischen Bauteil, wie z. B. einem elektronischen
Festkörperbauteil,
das in einer kontrollierten Umgebung getestet wird, auch bezeichnet
als Bauteil im Test (DUT – Device
Under Test). In einer Ausgestaltung ist der Kühlkörper im Betrieb über eine
nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung über einen
freischwingenden Trägerrahmen
an einen Wärmekörper gekoppelt. Die
nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung
bietet die Möglichkeit,
den Kühlkörper auszufahren
und einzuziehen und in Kontakt mit dem DUT zu bringen, bzw. den
Kontakt zu trennen, ohne dass eine ungleichmäßige Kraft (z. B. Drehmoment,
Moment, usw.) auf das DUT ausgeübt
wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest der Kühlkörper lösbar mit
dem Wärmekörper verbunden.
In noch einer weiteren Aus gestaltung ist ein Wärmeübergangsmaterial vorhanden,
das Nanoröhrchen
aufweist. Durch die Verwendung von Nanoröhrchen wird ein im Wesentlichen
gleichförmiger
Wärmewiderstand
der Grenzfläche
bereitgestellt, selbst wenn die Grenzfläche nicht koplanare Oberflächen umfasst.
Wie hiermit definiert, bedeutet ”Kühlkörper” jedes Wärmeübertragungselement oder Einrichtung
(z. B. Stromdurchflussheizer, Heizer, Wärmeleitrohr, Kreuzflusswärmetauscher,
usw.) geformt und angeordnet um Wärme zu und/oder von einem Objekt
zu transferieren, mit dem es in thermischem Kontakt ist.
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Nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung
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4 zeigt
eine Temperatur-Regeleinrichtung und eine zugehörige nicht-beeinträchtigende Andrückvorrichtung,
umfassend einen freischwingenden Trägerrahmen für einen Kühlkörper gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung. Die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung
kann mit jeder geeigneten Temperatur-Regeleinrichtung benutzt werden,
die ausgestaltet und angeordnet ist, um einen Kühlkörper in Kontakt mit einem DUT
zu bringen. In einer beispielhaften Ausgestaltung wird die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung
mit einem Wärmekörper, wie
er in der ebenfalls anhängigen
Anmeldung PCT/US07/74727 des Anmelders beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt
hiermit ausdrücklich über den
Verweis in seiner Gesamtheit übernommen
wird.
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Insbesondere
zeigt die beispielhafte Ausgestaltung in 4 eine nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502,
die im Betrieb mit einem Wärmekörper 500 und
einem Kühlkörper 515 verbunden ist.
Die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 erlaubt
es, den Kühlkörper 515 in
Kontakt mit einem DUT (nicht gezeigt) zu bringen, das sich in einer Testposition
auf dem Substrat 508 befindet. Eine Mischkammer 517 ist
zum Flüssigkeitsaustausch
mit verschiedenen Flüssigkeitsöffnungen 505a, 505b, 505s, 505aR, 505bR, 505sR ausgestaltet
und angeordnet, um den Kühlkörper 515,
und somit das DUT, auf einer gewünschten
Temperatur zu halten. Ein Ventil 524 steuert den Flüssigkeitsstrom
zwischen dem Kühlkörper 515 und
den Flüssigkeitsöffnungen 505a, 505b, 505s, 505aR, 505bR, 505sR,
wie weiter unten detailliert beschrieben ist. Wie im Rahmen der Beschreibung
und der Ansprüche
durchgängig
benutzt, kann eine ”Flüssigkeit” jedes
nicht feste Material dar stellen, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf,
einer Flüssigkeit,
einem Gas, Partikel, Granulate und jegliche Kombinationen davon.
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5 zeigt
eine schematische Ansicht des beispielhaften Wärmekörpers 500 gemäß einer
nicht einschränkenden
Ausgestaltung der Erfindung, die drei Flüssigkeitsquellen (auch bezeichnet
als Reservoire) benutzt, nämlich
eine Quelle für
kalte Flüssigkeit 510,
eine Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeits 513 und
eine Quelle für
heiße
Flüssigkeit 520.
Die Flüssigkeit
in der Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeit 513 weist
eine höhere
Temperatur auf als die Flüssigkeit
in der Quelle für
kalte Flüssigkeit 510.
Insbesondere ist die Flüssigkeit
in der Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeit 513 auf
eine Temperatur gesetzt, die grundsätzlich dieselbe ist wie die
Solltemperatur eines DUT (unter Berücksichtigung von thermischen
Verlusten, die möglicherweise
innerhalb des Wärmekörpers 500 auftreten
können).
Falls die Solltemperatur des DUT z. B. 80°C ist, kann die Temperatur der
Flüssigkeit
in der Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeit 513 auf
z. B. 85°C
gesetzt sein.
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Weiterhin
ist die Temperatur der Flüssigkeit in
der Quelle für
heißen
Flüssigkeit
auf eine höhere Temperatur
gesetzt, als die Flüssigkeit
in der Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeit 513.
Zur Erhöhung
der Energieeffizienz kann die Flüssigkeitssolltemperatur näher an der
Temperatur der kalten Flüssigkeit
liegen als an der Temperatur der heißen Flüssigkeit. Während 5 drei Flüssigkeitsquellen
mit drei verschiedenen Temperaturen 510, 513, 520 zeigt,
erkennt der Fachmann, dass mehr als drei Flüssigkeitsquellen mit mehr als
drei verschiedenen Temperaturen oder dass eine oder mehrere Flüssigkeiten
mit einer bestimmten Temperatur in alternativen Ausgestaltungen
eingesetzt werden können.
Falls das System z. B. zum Testen von drei DUTs bei verschiedenen
Solltemperaturen konfiguriert sein soll, kann das System eine Quelle
für kalte
Flüssigkeit,
eine Quelle für
Flüssigkeit
einer ersten Solltemperatur, eine Quelle für Flüssigkeit einer zweiten Solltemperatur,
eine Quelle für
Flüssigkeit
einer dritten Solltemperatur und eine Quelle für heiße Flüssigkeit beinhalten, insgesamt also
fünf verschieden
Flüssigkeitsquellen,
die entsprechende Flüssigkeiten
auf fünf
verschiedenen Temperaturen beinhalten.
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Wie
in 5 gezeigt, verbindet eine Leitvorrichtung 505 die
drei Flüssigkeitsquellen 510, 513, 520 mit
dem Kühlkörper 515.
Insbesondere strömt kalte
Flüssigkeit
durch die Leitung für
kalte Flüssigkeit 505a und
wird durch den Wärmekörper 500 über einen
Verteiler 580 geleitet, indem die kalte Flüssigkeit
an einem Ventil 524 (einschließlich, aber nicht beschränkt auf
ein Scheibenventil) ansteht. Weiterhin verlässt Solltemperatur-Flüssigkeit
die Quelle für Solltemperatur-Flüssigkeit 513,
um über
eine Leitung 505b in die Quelle für heiße Flüssigkeit 520 einzutreten.
Wenn die Solltemperatur-Flüssigkeit
in der Quelle für
heiße
Flüssigkeit 520 eine
vorgegebene hohe Temperatur erreicht hat, tritt die heiße Flüssigkeit durch
die Leitung 505b und wird über den Verteiler 580 durch
den Wärmekörper 500 geleitet,
wo die heiße
Flüssigkeit
an dem Ventil 524 ansteht. Solltemperatur-Flüssigkeit,
die nicht in die Quelle für
heiße Flüssigkeit 520 eingeleitet
wird, durchströmt
die Leitung 505s und wird über den Verteiler 580 durch
den Wärmekörper 500 geleitet,
wo die Solltemperatur-Flüssigkeit
am Ventil 524 ansteht. Zur Erhöhung der Energieeffizienz kann
während
des Testens des DUTs die Solltemperatur-Flüssigkeit
ausschließlich mit
kalter Flüssigkeit
gemischt werden. Mit anderen Worten resultiert das Verhindern eines
direkten Mischens von kalter und heißer Flüssigkeit in einer Erhöhung der
Energieeffizienz, da eine direkte Mischung von kalter und heißer Flüssigkeit
sowohl in einem signifikanten Energieverbrauch, als auch in der erhöhten Wahrscheinlichkeit,
dass sich Temperaturgradienten über
den Kühlkörper 515 ausbilden,
resultiert.
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6 zeigt
schematisch ein Scheibenventil 524, das mit der Kaltflüssigkeitsleitung 505a,
der Solltemperatur-Flüssigkeitsleitung 505s und
der Heißlüssigkeitsleitung 505b in
Verbindung steht. Das Ventil 524 ist bevorzugt unmittelbar über dem
Kühlkörper angeordnet
und rotiert entweder um 180° oder um
300° um
eine gewünschte
Mischung von kalter Flüssigkeit,
Solltemperatur-Flüssigkeit
und heißer Flüssigkeit
freizugeben, so dass Mischflüssigkeit
einer vorgegebenen Temperatur zum Kühlkörper 515 (gezeigt
in 5) fließt.
Insbesondere wird in einer nicht einschränkenden Ausgestaltung kalte
Flüssigkeit
abgegeben, wenn das Ventil 524 sich bei einer Rotation
von 0° befindet,
Solltemperatur-Flüssigkeit abgegeben,
wenn sich das Ventil bei einer Drehstellung von 90° befindet,
heiße
Flüssigkeit
abgegeben, wenn sich das Ventil bei einer Drehstellung von 180° befindet
und wenn das Ventil bei einer Drehstellung von 270° ist, wird
Flüssigkeit,
die bereits in den Kühlkörper 515 geflossen
ist, über
die Rückführleitung 505R (gezeigt
in 5) zurückgeführt, wobei
Flüssigkeit
mit einer grundsätzlich
konstanten Rate ausfließen
kann. Hierbei ist das Ventil 524 bevorzugt an der Kreuzung
der Flüssigkeitszufuhrleitung 505a, 505s und 505b positioniert.
Für eine
optimal schnelle Tempera turänderung
findet die Vermischung der Flüssigkeiten
bevorzugt am Eingang des Kühlkörpers statt,
um die Flüssigkeitsdurchlaufzeiten
zu minimieren. Auch benötigen
in der oben beschriebenen Konfiguration der Kühlkörper 515 und die Mischkammer 517 (gezeigt
in 4) nur einen einzelnen Einlass und einen einzelnen
Auslass. Zudem sind Probleme mit der Nichtkomprimierbarkeit von
Flüssigkeiten
durch die Nähe
der Vermischung an dem Kühlkörper 515 reduziert.
Zusätzlich
verringert die oben beschriebene Konfiguration Probleme bei der
Wiederholbarkeit und Hysterese. Dennoch ist die Erfindung nicht
auf das oben beschriebene Scheibenventil beschränkt. Andere geeignete Ventile
und/oder Einsteller können
zusammen mit der Erfindung benutzt werden.
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7 ist
eine graphische Darstellung, die das Mischen von kalter, Solltemperatur-
und heißer Flüssigkeit
in Abhängigkeit
der Betätigung
des Ventils 524 zeigt. Insbesondere zeigt 7,
dass der Gesamtabfluss bei einer konstanten Rate von etwa 2 Litern
pro Minute liegt; wobei jedoch der Fachmann erkennt, dass diese
Rate größer oder
kleiner als 2 Liter pro Minute sein kann und variabel anstatt konstant. Während 4 bis 7 im
Zusammenhang mit einem Dreiflüssigkeitssystem
beschrieben sind, versteht es sich weiterhin, dass die Erfindung
nicht auf den Einsatz eines Dreiflüssigkeitssystems beschränkt ist.
Zum Beispiel kann eine einzelne Flüssigkeit benutzt werden, wobei
Teile der Flüssigkeit mit
verschiedenen entsprechenden Temperaturen in unterschiedlichen Mengen
innerhalb eines Kühlkörpers gemischt
werden, um die Temperatur des DUT zu regeln und beizubehalten. Alternativ
können
mindestens zwei verschiedene Flüssigkeiten,
die verschiedene entsprechende Temperaturen haben, in unterschiedlichen
Mengen in dem Kühlkörper gemischt
werden, um die Temperatur des DUTs zu kontrollieren und beizubehalten.
Zusätzlich
können
zwei oder mehr verschiedene Flüssigkeiten
in verschiedenen Aggregatszuständen
in der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Zum Beispiel kann
ein gasförmiges
Fluid mit einem flüssigen
Fluid gemischt werden, in Übereinstimmung
mit einem nicht einschränkenden
Merkmal der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus kann die Erfindung
mit mehr als drei Flüssigkeiten
benutzt werden.
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5 zeigt,
dass Flüssigkeit
aus der Rückführleitung 505R über die
Solltemperatur-Flüssigkeitsrückführleitung 505sR zur
Quelle für
Solltemperatur-Flüssigkeit 513 zurückgeführt wird
und ebenso über
die Kaltflüssig keitsrückführleitung 505aR zu
der Quelle für
kalte Flüssigkeit 510.
Mit anderen Worten, während
drei Flüssigkeitszufuhrleitungen 505a, 505s, 505b in
dem Wärmekörper vorgesehen
sind, sind nur zwei Flüssigkeitsrückführleitungen 505aR, 505sR (oder 505aR, 505bR;
oder 505sR, 505bR) vom Wärmekörper aus vorgesehen. 4 zeigt
jedoch eine schematische, perspektivische Ansicht des Wärmekörpers 500 mit
drei Flüssigkeitszufuhrleitungen 505a, 505s, 505b,
die zu dem Wärmekörper verlaufen,
und drei Flüssigkeitsrückführleitungen 505aR, 505sR, 505bR,
die von dem Wärmekörper abgehen.
Der Fachmann erkennt, dass in alternativen Ausgestaltungen nur eine
von dem Wärmekörper abgehende
Flüssigkeitsrückführleitung
vorgesehen sein kann. Zudem besteht, nachdem die vereinigte Flüssigkeit
zu dem Kühlkörper 515 fließt, nur eine
geringe Temperaturdifferenz zwischen der Solltemperatur und der
heißen
Flüssigkeit,
so dass die Solltemperatur-Rückführleitung 505sR im
oberen Bereich des Wärmekörpers 500 nahe
der Heißflüssigkeitsrückführleitung 505bR angeordnet
ist, was in geringen Wärmeverlusten
resultiert. Zusätzlich
kann die zuvor genannte kombinierte Flüssigkeitrückführung entweder intern oder
extern des Wärmekörpers 500 durchgeführt werden.
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Es
versteht sich natürlich,
dass jede andere Methode, um thermische Energie von einer Flüssigkeit
zu übertragen
(d. h. um ein kaltes delta T und ein heißes delta T aufrechtzuerhalten),
um die Temperatur des DUTs beizubehalten, hier übernommen werden kann, ohne
dass der Umfang und die Idee der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt wird.
Es versteht sich weiter, dass die Flüssigkeiten jede Anzahl an verschiedenen
Temperaturen aufweisen können, oder
alternativ, die Flüssigkeit
bei einer einzigen Temperatur sein kann. Zum Beispiel kann in einer Ausgestaltung
der Erfindung die durch den Verteiler 305 fließende Flüssigkeit
in drei oder mehr Teile aufgeteilt werden, von denen jede ein anderes
Delta T hat, die in verschiedenen Mengen vermischt werden, um eine
gewünschte
Temperatur der gemischten Flüssigkeiten
zu erlangen.
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8 zeigt
eine Teilansicht eines Systems gemäß Aspekten der Erfindung. Das
System umfasst, unter anderem, einen Wärmekörper 500, eine Kaltflüssigkeitsrückführleitung 505aR,
eine Solltemperatur-Flüssigkeitszufuhr 505s,
eine Heißflüssigkeitszufuhr 505b,
ein Ventil 524, einen Kühlkörper 515,
eine Mischkammer 517 und ein Substrat 508 (die ähnlich zu
den oben im Zusammenhang mit den 4 bis 7 beschriebenen
Elementen sein können.
Der Wärmekörper 500 beinhaltet
eine obere Platte 605, einen Druckluftverteiler 610,
einen Flüssigkeitsverteiler 615 und
eine untere Platte 620, wobei jede/jedes von diesen aus
einem geeigneten Material bestehen kann, wie z. B. Metall, Plastik,
Verbundmaterial usw.. Die obere Platte 605 stellt Anschlussmöglichkeiten
(z. B. Gewindeanschlüsse)
für die
Flüssigkeitszuleitungen 505a, 505s, 505b,
die Flüssigkeitsrückführleitungen 505aR, 505sR, 505bR und
einen Druckanschluss 505 bereit (weiter unten detaillierter
beschrieben). Der Druckluftverteiler 610, der Flüssigkeitsverteiler 615 und
die untere Platte 620 umfassen in axialer Richtung ausgerichtete
Vertiefungen, die zusammen genommen sechs entsprechende Kammern 630 formen,
die ausgebildet und angeordnet sind, um den Wärmekörper 500 mit der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 zu verbinden.
In der im Zusammenhang mit den 8 bis 11 beschriebenen
beispielhaften Ausgestaltung sind sechs Kammern 630 gezeigt,
die im Wesentlichen symmetrisch um zusammentreffende zentrale Achsen
des Wärmekörpers 500 und
der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 angeordnet
sind; wobei jedoch jede geeignete Zahl von Kammern 630 (z.
B. größer oder
kleiner als die gezeigten sechs) mit der Erfindung benutzt werden kann.
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In
jeder Kammer 630 ist zwischen dem Druckluftverteiler 610 und
dem Flüsigkeitsverteiler 650 eine
obere Membran 635 angeordnet. Weiter ist eine untere Membran 640 innerhalb
jeder Kammer 630 zwischen dem Flüssigkeitsverteiler 610 und
der unteren Platte 620 angeordnet. Die obere Membran 635 und
die untere Membran 640 teilen jede Kammer 630 in
einen oberen Kammerabschnitt 630a, einen mittleren Kammerabschnitt 630b und
einen unteren Kammerabschnitt 630c. Die obere Membran 635 stellt
eine grundsätzlich
luftdichte Dichtung zwischen dem oberen Kammerabschnitt 630a und
dem mittleren Kammerabschnitt 630b dar, wohingegen die
untere Membran 640 eine Öffnung aufweist, die den Durchfluss
von Flüssigkeit
zwischen der dem mittleren Kammerabschnitt 630b und dem
unteren Kammerabschnitt 630c ermöglicht.
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In
Weiterbildung umfasst die obere Membran 635 und die untere
Membran 640 jeweils entsprechende gesellte Membranen, wie
die von Bellofram Corp., aus Newell, WV hergestellten, wobei der Fachmann
erkennt, dass jede geeignete gewellte Membran im Rahmen der Erfindung
benutzt wer den kann. In einer bevorzugten Implementierung kann ein gemeinsamer
oberer Membranträger 636,
der jede der entsprechenden oberen Membranen 635 zusammenfassend
beinhaltet, zwischen dem Druckluftverteiler 610 und dem
Flüssigkeitsverteiler 615 eingefasst
sein, wie in den 8 und 11 gezeigt.
Auf ähnliche
Weise kann ein gemeinsamer unterer Membranträger 641, der die jeweiligen
unteren Membranen 640 zusammenfassend beinhaltet, zwischen dem
Flüssigkeitsverteiler 615 und
der unteren Platte 620 eingefasst sein.
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Noch
mit Verweis auf 8: ein oberes Kammerelement 650a ist
in jedem oberen Kammerabschnitt 630a vorgesehen, ein mittleres
Kammerelement 650b ist in jedem mittleren Kammerabschnitt 630b vorgesehen
und ein unteres Kammerelement 650c ist in jedem unteren
Kammerabschnitt 650c vorgesehen. Die entsprechenden unteren
Kammerelemente 650c sind mit dem Körper 655 der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung
verbunden. Die obere Membran 635 und die untere Membran 640 sind
mit entgegengesetzter Ausrichtungen angeordnet, was einen axialen
Versatz der des oberen Kammerelements 650a, des mittleren Kammerelements 650b und
des unteren Kammerelements 650c übereinstimmend entlang einer
zentralen Achse der Kammer 630 ermöglicht. Auf diese Weise bilden
die Membran 635, 640 und die Kammerelemente 650a, 650b, 650c in
jeder entsprechenden Kammer 630 zusammen eine schwimmende Aufhängung der
nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 an
dem Wärmekörper 500.
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In
Ausgestaltung fällt
eine zentrale Achse der nichtbeeinträchtigenden Andrückvorrichtung 502 im Wesentlichen
mit einer zentralen Achse des Wärmekörpers 500 zusammen
und die entsprechenden gleitenden Aufhängungen sind im Wesentlichen
symmetrisch um diese Achsen angeordnet. Somit bilden die schwimmenden
Aufhängungen
zusammen einen freischwingenden Tragerahmen als Verbindung zwischen
dem Wärmekörper 500 und
der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502.
Diese freischwingende Trägerverbindung
stattet die nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 gegenüber dem
Wärmekörper 500 mit
sechs Freiheitsgraden der Bewegung aus, wie weiter unten detaillierter
beschrieben ist.
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9 zeigt
das System von 8 mit durchsichtiger oberer
Platte 605, so dass der Druckluftverteiler 610 sichtbar
ist. Wie in 9 gezeigt, steht jeder obere
Kammerabschnitt 630a in Verbindung mit dem Druckanschluss 550 über die
Druckluftanschlüsse 645,
die in dem Druckluftverteiler 610 gebildet sind. Auf diese
Weise kann die axiale Position der nicht-beeinträchtigenden Andrückvorrichtung 502 durch
Einstellen des Luftdruckes in dem oberen Kammerabschnitt 630a kontrolliert
werden. In Ausgestaltungen haben die schwebenden Aufhängungen eine
Grundausrichtung in Richtung einer Grundposition entlang der z-Achse
aufgrund der entgegengesetzten Ausrichtung der oberen Membran 635 und der
unteren Membran 640. Durch das Anwenden eines positiven
Luftdrucks auf den entsprechenden oberen Kammerabschnitt 630a kann
die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 in
axialer Richtung nach unten (d. h. aus dem Wärmekörper 500 entlang der
z-Achse heraus) bewegt werden. Umgekehrt kann durch Anwenden eines
negativen Drucks (z. B. eines Vakuums) in den oberen Kammerbereichen 630a die
nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 in
axialer Richtung aufwärts
(d. h. in den Wärmekörper 500 entlang
der z-Achse hinein) bewegt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann
die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 um
1 Millimeter in jede Richtung aus der neutralen Position heraus
bewegt werden, was einen Gesamtbewegungsweg von 2 Millimeter in
der Richtung der z-Achse bedeutet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
diesen Bewegungsweg beschränkt
und die entsprechenden Komponenten können so entworfen werden (z.
B. bezüglich
ihrer Größe), dass
jeder geeignete Bewegungsweg in Richtung der z-Achse bereitgestellt
wird.
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Die
Bewegung der nicht-beeinträchtigenden Andrückvorrichtung 502 in
Richtung der z-Achse erlaubt es, den Kühlkörper 505 kontrolliert
axial zu bewegen, bis er in Kontakt mit dem Substrat 508,
das das DUT trägt,
kommt. ”Axial” bezieht
sich hierbei auf eine Richtung die grundsätzlich parallel zu der übereinstimmenden
Achse der nicht-beeinträchtigenden Andrückvorrichtung 502 und
dem Wärmekörper 500. Aufgrund
der durch die Membrane 635, 640 hervorgerufenen
freischwebenden Verbindung zwischen dem Wärmekörper 500 und der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 wird
ein Kontaktpunkt zwischen dem Kühlkörper und
dem DUT ein Rotationsmittelpunkt für die Trägerverbindung zwischen dem
Wärmekörper 500 und
der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502.
Auf diese Weise kann die Grenzfläche
des Kühlkörpers 515 gekippt
oder gedreht werden, um, falls notwendig, eine bezüglich der
Oberfläche
des DUTs im Wesentlichen koplanaren Stellung einzunehmen. Weiterhin
ist, da der Bewegungsmittelpunkt der freischwebenden Trägerverbindung
(und daher des Kühlkörpers 515)
ein Kon taktpunkt zwischen dem Kühlkörper 515 und dem
DUT darstellt, jegliche Rotation des Kühlkörpers 515 möglich, ohne
eine begleitende Translationsbewegung des Kühlkörpers 515 relativ
zum DUT (z. B. falls sich der Kühlkörper bewegt
und das DUT ortsfest ist). Somit werden der Kühlkörper 515 und das DUT
mit im Wesentlichen koplanaren Grenzflächen zueinander ausgerichtet,
ohne dass ein unerwünschtes
Verkratzen (z. B. Abtragen) der Oberfläche des DUTs durch den Kühlkörper 515 auftritt.
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Da
die entsprechenden Kammern 630 im Wesentlichen symmetrisch
um die zentrale Achse des Wärmekörpers 500 und
der nichtbeeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 502 angeordnet
sind und da jeder obere Kammerabschnitt 630 dem gleichen Luftdruck
(positiv oder negativ) ausgesetzt ist, verläuft jedwede Kraft, die von
dem Kühlkörper 515 auf das
DUT ausgeübt
wird, im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des DUTs. So gesehen verhindern Implementierungen
der Erfindung, dass ein unerwünschtes
Drehmoment auf das DUT ausgeübt
wird. Weiterhin wird, da die obere Membran 635 und die untere
Membran 640 beide gewellte Membranen aufweisen, die im
Wesentlichen frei von statischer Reibung sind, axiale Kraft gleichmäßig auf
die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 und
somit auf das DUT übertragen.
Auf diese Weise wird eine ruckartige Erschütterung (d. h. ein plötzlicher
Wechsel in der Beschleunigung beim Überwinden der Haftreibung)
im Wesentlichen ausgeschaltet und die Möglichkeit einer durch ruckartige
Erschütterung
hervorgerufenen Beschädigung
des Kühlkörpers 515 und/oder
des DUTs wird minimiert.
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10 zeigt
das beispielhafte System aus 8, wobei
die obere Platte 605, der Druckluftverteiler 610 und
der gemeinsame obere Membranträger 636 entfernt
sind. Wie in 10 gezeigt, ist jeder der mittleren
Kammerabschnitte 630b über
in dem Flüssigkeitsverteiler 615 ausgeformte
Kreuzanschlüssen 670 mit
einer entsprechenden Flüssigkeitsleitung
(z. B. 505a, 505s, 505b, 505aR, 505sR, 505bR)
verbunden. Weiterhin sind in 10 das obere
Kammerelement 650a und das mittlere Kammerelement 650b nicht
gezeigt, so dass die unteren Membranen 640 in den Kammern 630 sichtbar
sind.
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Mit
Verweis zurück
auf 8 enthält
jedes mittlere Kammerelement 650 eine Querbohrung 675, die
sich mit einer axialen Bohrung 680 überschneidet. Die Querbohrung 675 öffnet sich
in den mittleren Kammerabschnitt 630 und die axiale Bohrung 680 steht
in Verbindung mit einem Durchbruch 685 des unteren Kammerabschnitts 650c über ein
Loch in der unteren Membran 640. Weiterhin steht jeder
Durchbruch 685 in Verbindung mit einem entsprechenden Flüssigkeitskanal 690 des
Körpers 655 der
nichtbeeinträchtigenden
Andrückvorrichtung,
wodurch jeder Flüssigkeitskanal 690 zum
Ventil 524 führt.
Auf diese Weise stellt eine kontrollierte Betätigung des Ventils 524 selektiv
eine Verbindung zwischen den Flüssigkeitszuführleitungen 505a, 505s, 505b und
einem Einlasskanal 693 der Mischkammer 517 her
und zwischen einem Auslasskanal 695 der Mischkammer 517 und
den Flüssigkeitsrückführleitungen 505aR, 505sR, 505bR.
Dadurch kann der Kühlkörper 515 und
somit das DUT auf einer gewünschten
Temperatur gehalten werden (wie oben im Zusammenhang mit den 4 bis 7 beschrieben).
Das beschriebene System kann z. B. für Solltemperaturen (z. B. DUT
Testtemperaturen) aus einem Bereich von ungefähr –80°C bis ungefähr 200°C benutzt werden. Es wird jedoch
angemerkt, dass die Erfindung nicht auf diesen Temperaturbereich
beschränkt
ist und dass das System für
die Benutzung jeder geeigneten Temperatur entworfen sein kann.
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In
Implementierungen können
Druckfluktuationen in den entsprechenden Flüssigkeitsleitungen (z. B. 505a, 505s, 505b, 505aR, 505sR, 505bR)
beim Betrieb des Systems auftreten. Zum Beispiel kann eine Zufuhrleitung
zeitweise einen höheren
Flüssigkeitsdruck
aufweisen als eine Rückführleitung,
und umgekehrt. Da jedoch alle Flüssigkeiten
(Zufuhr wie Rückführung) zwischen
den unteren und den oberen Membranen 635, 640)
in die entsprechenden Kammern 630 eintreten, erfährt jede
Membran 635, 640 einer Kammer 630 denselben
(d. h. ausgleichenden) Druck, so dass keine Axialkraft auf die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 502 durch
die Flüssigkeitszuführung ausgeübt wird,
was das Minimieren unerwünschter
ungleicher Kräfte
(z. B. Drehmomente) auf den Kühlkörper und/oder
das DUT unterstützt.
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11 zeigt
das beispielhafte System der 8 mit entfernter
oberer Platte 605, so dass der gemeinsamere obere Membranträger 636 sichtbar ist.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf einen gemeinsameren oberen Membranträger 636 beschrieben wurde,
der die Vielzahl der Membranen 635 vereint, wird angemerkt,
dass die Erfindung nicht beschränkt auf
diese beispiel hafte Ausgestaltung ist. Zum Beispiel können separate
Membranen 635, die untereinander nicht über einen gemeinsameren oberen
Membranträger 636 verbunden
sind, in jeder der entsprechenden Kammern 630 vorgesehen
sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Mischkammer 517 (einschl.
des Einlasskanals 693 und des Auslasskanals 695)
und der Kühlkörper 515 selektiv
als eine Einheit von dem Körper 655 der nichtbeeinträchtigenden
Andrückvorrichtung
entfernbar sein. Zum Beispiel kann die Mischkammer 517 über eine
selektiv lösbare
Verbindung am Körper 655 der
nichtbeeinträchtigenden
Andrückvorrichtung
befestigt sein, einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf, einer Passung, einer Schnappverbindung, eines Schnellverschlusses
oder einer anderen geeigneten Verbindung. Auf diese Weise können verschiedene Kühlkörper 515 (aufweisend
z. B. verschiedene Wärmeübergangsflächen und/oder
verschiedene Wärmeübergangsmaterialien)
schnell und einfach zum Gebrauch beim Testen verschiedener Typen
von DUTs an das System angepasst werden.
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Die 12 bis 14 zeigen
Teilansichten von alternativen Systemen gemäß weiteren Aspekten der Erfindung.
Der Wärmekörper 710 gezeigt
in 12 beinhaltet vier Flüssigkeitsleitungen 715 anstelle
der sechs in 8 gezeigten. Die vier Flüssigkeitsleitungen 715 können z.
B. eine heiße
Zufuhrleitung, eine heiße
Rückführleitung,
eine kalte Zufuhrleitung und eine kalte Rückführleitung umfassen. Alternativ
können
die vier Flüssigkeitsleitungen
z. B. eine heiße
Zufuhrleitung, eine Solltemperatur-Zufuhrleitung, eine kalte Zufuhrleitung
und eine einzelne Rückführleitung
aufweisen. Der Wärmekörper 710 umfasst
weiter einen Druckluftvertieler 720, einen Flüssigkeitsverteiler 725 und
eine untere Platte 730. Mit der unteren Platte 730 ist
eine weitere Ausgestaltung einer nicht-beeinträchtigenden Andrückvorrichtung 785 verbunden,
die zumindest eine Mischkammer 735 und einen Kühlkörper 750 aufweist.
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Ähnlich zu
dem in 8 gezeigten System weisen der Druckluftverteiler 720,
der Flüssigkeitsverteiler 725 und
die untere Platte 730 axial ausgerichtete Bohrungen auf,
die zusammen vier entsprechende Kammern 745 bilden, die
symmetrisch um die gemeinsamen zentralen Achsen des Wärmekörpers 710 und
der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 785 angeordnet
sind. In jeder Kammer 745 ist eine obere gewellte Membran 750 und
eine untere gewellte Membran 755 vorgesehen, die die Kammer 745 in
einen oberen Kammerabschnitt 745a, einen mittleren Kammerabschnitt 745b und
einen unteren Kammerabschnitt 745c aufteilen. Ein oberes
Kammerelement 760a ist in dem oberen Kammerabschnitt 745a angeordnet.
Weiter ist ein mittleres Kammerelement 760b in dem mittleren Kammerabschnitt 745b angeordnet.
Zusätzlich
ist ein unteres Kammerelement 760c in dem unteren Kammerabschnitt 745c angeordnet.
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Wie
in 13 gezeigt, enthält der Flüssigkeitsverteiler 725 entsprechende
Anschlüsse 765, die
die entsprechenden Flüssigkeitsleitungen 715 mit den
entsprechenden mittleren Kammerabschnitten 745b verbinden.
Jedes mittlere Kammerelement 760b hat eine Querbohrung 770,
die sich mit einer axialen Bohrung 775 überschneidet. Die Querbohrung 770 steht
in Verbindung mit dem mittleren Kammerabschnitt 745b. Die
axiale Bohrung 775 steht dagegen in Verbindung mit einem
Durchbruch 780 des unteren Kammerelements 760c.
Weiterhin steht, wie in 12 zu
sehen, der Durchbruch 780 jedes unteren Kammerelements 760c in
Verbindung mit der Mischkammer 735. Auf diese Weise wird
ein Flüssigkeitskanal
zwischen jeder Flüssigkeitsleitung 715 und
dem Kühlkörper 740 bereitgestellt.
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Weiterhin
stellen die Membran 750, 755 eine schwebende Verbindung
zwischen der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung 785 und
dem Wärmekörper 710 dar.
Somit behält
die nicht-beeinträchtigende
Andrückvorrichtung 785 sechs
Freiheitsgrade der Bewegung relativ zum Wärmekörper 710 bei. Wie
weiter in 14 zu sehen ist, weist der Druckluftverteiler 720 Druckluftanschlüsse 790 auf,
die eine Verbindung zwischen der Druckluftleitung 795 und
den oberen Kammerabschnitten 745a herstellen. Ähnlich zu
dem oben in Zusammenhang mit 8 beschriebenen
System kann somit die nicht-beeinträchtigende Andrückvorrichtung 785 durch
geeignete Anwendung von Druck (oder Vakuum) auf die Druckluftleitung 795 axial
(d. h., in Richtung der z-Achse) bewegt werden.
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Ähnlich zu
dem oben im Zusammenhang mit 8 beschriebenen
System sind die Mischkammer 785 und der Kühlkörper 740 zudem
selektiv als eine Einheit von dem Wärmekörper 710 entfernbar.
Die Mischkammer 735 kann z. B. über selektiv lösbare Verbindungen 797 an
den vier entsprechenden unteren Kammerelementen 760c befestigt
sein, einschließlich,
aber nicht eingeschränkt
auf, einer Passung, einer Schnappverbindung, eines Schnellverschlusses
oder jegliche andere geeignete Verbindung. Auf diese Weise können verschiedene
Kühlkörper (z.
B. mit unterschiedlichen Wärmeübergangsflächen und/oder
unterschiedlichen Wärmeübergangsmaterialien)
schnell und einfach zur Benutzung bei einem Test verschiedener Typen
von DUTs an das System angepaßt
werden.
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Wie
anhand der obigen Beschreibung ersichtlich, ist die nichtbeeinträchtigende
Andrückvorrichtung
somit nicht darauf beschränkt,
mit einem bestimmten Wärmekörper benutzt
zu werden. Stattdessen können
Implementierungen der Erfindung mit jedem gewünschten Temperaturkontrollsystem
benutzt werden, indem es wünschenswert
ist, die Grenzfläche
zwischen Kühlkörper und
DUT von externen Kräften,
die durch sonstige Teile des Systems erzeugt werden, zu schützen. Auf
diese Weise minimiert die nicht-beeinträchtigende Andrückvorrichtung wesentlich
den unerwünschten
Einfluss der Temperatur-Regeleinrichtung auf die Grenzfläche zwischen dem
Kühlkörper und
dem DUT. Auch stellt die nicht-beeinträchtigende Andrückvorrichtung
eine Aufhängung
mit sechs Freiheitsgraden des Kühkörpers zum
DUT an der Grenzfläche
dar, wodurch nicht ausgeglichene Kräfte (z. B. Drehmomente) an
der Grenzfläche
ebenso verhindert werden, wie ein Schleifen (z. B. Abreiben) des
Kühlkörpers gegenüber dem
DUT. Weiterhin erlaubt die pneumatisch kontrollierte axiale Bewegung
der nicht-beeinträchtigenden
Andrückvorrichtung
eine Bewegung des Kühlkörpers, die
im Wesentlichen frei von ruckartigen Erschütterungen ist, und die Anwendung
einer gleichmäßigen Kraft
auf das DUT.
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Wärmeübergangsmaterial
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15A zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines
Wärmeübergangsmaterials
umfassend eine Vielzahl von Nanoröhrchen 805 gemäß Aspekten
der Erfindung. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die Nanoröhrchen 805 Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
gewachsen auf einem Substrat 810, wobei die Erfindung nicht
auf diesen Typ von Nanoröhrchen
beschränkt
ist. Da die Nanoröhrchen 805 flexibel
sind und dennoch ihre thermische Länge beim Biegen beibehalten,
sind die Nanoröhrchen 805 in
der Lage, sich an Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche
des DUT 815 (wie gezeigt in 15A)
anzupassen und dabei einen im Wesentlichen gleichförmigen Wärmewiderstand über die
Oberfläche
des DUT 815 bereitzustellen (wie gezeigt in 15B). Entsprechend minimieren die Nanoröhrchen 805 ungewünschte thermische
Gradienten entlang des DUT 815.
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In
Ausgestaltungen umfassen die Nanoröhrchen 805 Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
die bis zu einer Höhe
von ungefähr
150 μm auf
einem Substrat 810 gewachsen sind. Das Substrat 810 kann
z. B eine Oberfläche
eines Kühlkörpers (z.
B. des Kühlkörpers 515 wie
oben beschrieben) umfassen, beispielsweise eine Kupferoberfläche. Das
Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen
direkt auf einer Oberfläche
eines Kühlkörpers bietet
einen vorteilhaft niedrigen Wärmewiderstand.
Alternativ kann das Substrat 810, auf das die Nanoröhrchen 805 aufgewachsen
sind, mittels eines lösbaren
Wärmelots
oder mittels einer Wärmeleitpaste
an einen Kühlkörper angebracht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung haben die Nanoröhrchen 805 einen
Wärmewiderstand
von weniger als oder gleich ungefähr 0,07 C/(W/cm2)
(wobei C Grad Celsius, W Watt und cm Zentimeter angeben) bei Betriebsdrücken im
Bereich von 15 psi bis zu 75 psi (pounds per square inch), was etwa
1,04 bar bis 5,2 bar entspricht, haben im Wesentlichen keine Wärmekapazität und können eine
Ebenheit von besser als 50 μm
bieten. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf Nanoröhrchen,
die diese spezifischen Eigenschaften haben. Andere Typen von Nanoröhrchen können im
Rahmen der Erfindung benutzt werden. Zum Beispiel sind Nanoröhrchen mit
einer Höhe im
Bereich von 25 bis über
50 μm zur
Benutzung mit der Erfindung denkbar. Darüber hinaus können in Ausgestaltungen
der Erfindung Nanoröhrchen
benutzt werden, die entweder umhüllt
sind oder nicht umhüllt
sind.
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Die 16 und 17 zeigen
weitere Aspekte, wie Nanoröhrchen 805 als
flexibles Wärmeübergangsmaterial
zwischen dem Substrat 810 und dem DUT 815 wirken
können.
Wie in 16 gezeigt, beschädigt beispielsweise
ein Partikel 820 (z. B. Splitter), der in seiner Größe kleiner
ist als die Länge der
Nanoröhrchen 805,
das Substrat 810 und/oder das DUT 815 nicht. Der
Grund ist, dass die Nanoröhrchen 805,
die wie auseinandergezogene thermische Federn wirken, sich um den
Partikel 820 biegen. Wie in 17 gezeigt, überragt
ein Wärmeübergangsmaterial,
das aus einer Vielzahl von Nanoröhrchen 805 besteht,
weiterhin ein demgegenüber
kleineres DUT 815, ohne dass Verspannungen an dem Ende
des DUT 15 hervorgerufen werden. Dieses mini miert eine mögliche Beschädigung des
DUT 815, während gleichzeitig
thermische Gradienten, hervorgerufen durch Verspannungen, verhindert
werden.
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18 zeigt
eine Ausgestaltung, in der Anschlagselemente 840 auf dem
Substrat 810 zwischen den Nanoröhrchen 805 bereitgestellt
sind. Solche Anschlagselemente 815 werden z. B. eingesetzt, wenn
es gewünscht
ist, eine Kraft von dem Substrat 810 auf das DUT 815 zu übertragen,
was unter manchen Testbedingungen erforderlich ist. Die Anschlagselemente 840 sind
aus jedwedem geeignetem Material hergestellt und können in
jeder geeigneten Größe oder
Abmessungen (z. B. Länge,
Breite und Höhe)
entworfen sein, abhängig
von der geplanten Verwendung des Systems. Jedoch sind in einer bevorzugten
Ausgestaltung die Anschlagselemente 840 kürzer als
die Länge
der nicht gestauchten Nanoröhrchen 805,
so dass die Nanoröhrchen 805 bis
zu einem gewissen Grad gestaucht werden müssen, bevor die Anschlagselemente 840 auf
die Oberfläche des
DUT 815 einwirken. Eine solche Anordnung sichert eine gleichförmige thermische
Grenzfläche
zwischen dem Substrat 810 und dem DUT 815, während eine
Kraft (z. B. ungefähr
100 Pfund, entsprechend 445 N) auf das DUT 815 aufgebracht
werden kann.
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19 zeigt
eine Ausgestaltung in der Anschlagselemente 840 und Vakuumkanäle 845 am Substrat 810 bereitgestellt
sind. Die Anschlagselemente 840 wirken wie oben mit Verweis
auf 18 diskutiert. Die Vakuumkanäle 845 erlauben, dass
ein negativer Druck auf das von dem Substrat 810, dem DUT 850 und
den Anschlagselementen 840 eingeschlossene Volumen ausgeübt wird.
Dadurch wird ein Vakuum-Saugnapf gebildet, der ermöglicht,
das DUT 815 zu transportieren (z. B. Bewegen), während die
gewünschten
thermischen Eigenschaften und/oder die übertragenen Kräfte auf
die Grenzfläche
zwischen dem Substrat 810 und dem DUT 815 beibehalten
werden.
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20 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des Wärmeübergangsmaterials
gemäß Aspekten
der Erfindung. In dieser Ausgestaltung sind die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 805a, 805b an
einer oberen Seite 850a und einer unteren Seite 850b an
einem Substrat 850 befestigt. Das Substrat 850 und
die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 805 können einfach
zwischen einem DUT 815 und einem Kühlkörper 855 angeordnet werden,
ohne dass Wärmeleitpaste
oder ein anderes Wärmeübergangsmaterial
eingesetzt wird. Das Substrat kann Folie, wie z. B. Kupferfolie
umfassen, auf die die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 805a, 805b aufgewachsen
sind. Darüber
hinaus kann das Substrat 850 eine Dicke haben, die es dem
Substrat 850 erlaubt, flexibel zu sein. Eine solche Flexibilität des Substrats 850 hilft,
die Anpassung der ebenfalls flexiblen Kohlenstoff-Nanoröhrchen 805a, 805b an
die Oberflächen
des DUT 815 und des Kühlkörpers 855 anzupassen.
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Wie
hierin beschrieben, bilden Implementierungen der Erfindung, die
ein Wärmeübergangsmaterial
aus Nanoröhrchen
umfassen, eine im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeübergangsschicht, die die Oberfläche des
DUT nicht zerstört
und über
die Ecken des DUT hinausragen kann, ohne Verspannungen hervorzurufen.
Das Wärmeübergangsmaterial,
umfassend Nanoröhrchen
gemäß Aspekten
der Erfindung, verbrennt darüber
hinaus weder, noch gefriert es wie eine Wärmeübergangsflüssigkeit und kann Splitter
ohne Beschädigung
des DUT ausgleichen.
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Falls
nicht anders angegeben, sind alle Zahlen die numerische Werte von
Eigenschaften (Temperatur, Länge,
Wärmewiderstand
usw.) ausdrücken und
in Beschreibung und Ansprüchen
benutzt werden, in allen Fällen
als mit dem Ausdruck ”ungefähr” zu verstehen.
Entsprechend sind, außer
das Gegenteil ist angegeben, die in der Beschreibung und den anhängenden
Ansprüchen
angegebenenen numerischen Parameter Näherungen, die abhängig von
den gewünschten
Eigenschaften, die durch die vorliegende Erfindung erreicht werden
sollen, variieren können.
Zumindest sollte jeder numerische Parameter hinsichtlich der Zahl
der signifikanten Stellen und üblicher
Rundungsregeln ausgelegt werden, was nicht als ein Versuch anzusehen
ist, die Anwendung der Äquivalenzlehre
auf den Schutzumfang der Ansprüche
zu beschränken.
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Zusätzlich ist
die Angabe von Zahlenbereichen in dieser Beschreibung als eine Offenbarung
aller Zahlenwerte und Bereiche innerhalb dieses Bereiches anzusehen.
Wenn ein Bereich z. B. von etwa 1 bis etwa 50 geht, wird erachtet,
dass er z. B. 1, 7, 34, 46, 1, 23, 7 oder jeglichen anderen Wert
oder Bereich innerhalb dieses Bereiches beinhaltet.
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Auch
wenn die Erfindung mit Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen
beschrieben wurde, die in jeglicher geeigneter Art kombiniert werden
können,
ist davon auszugehen, dass die Wörter,
die benutzt wurden, beschreibende und illustrierende Wörter sind,
nicht einschränkende
Wörter. Änderungen
können
im Bereich der angehängten Ansprüche, wie
vorhanden und wie angepasst, gemacht werden, ohne vom Umfang und
der Grundidee der Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Auch wenn
die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Mittel, Materialien und Ausgestaltungen
beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung auf
die offenbarten Einzelheiten zu beschränken. Im Gegenteil erstreckt
sich die Erfindung auf alle funktionell gleichwertigen Strukturen,
Methoden und Verwendungen, sowie solche, die im Umfang der anhängigen Ansprüche liegen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verbesserte Grenzfläche zur
Temperaturkontrolle
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Eine
Vorrichtung zum Kontrollieren einer Temperatur eines Bauelements.
Die Vorrichtung beinhaltet einen Körper (500) der eine
Mehrzahl von Kammern (630) aufweist, die im Wesentlichen
symmetrisch um eine Achse des Körpers
(500) angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Kammern (630)
eine obere Membran (635) und eine untere Membran (640)
aufweist. Die Vorrichtung beinhaltet weiter ein Wärmeübertragungselement
(515), das über
die Mehrzahl an Kammern (630) derart an dem Körper (500)
befestigt ist, dass die Mehrzahl von Kammern (630) sich
in flüssigkeitsführender
Verbindung mit dem Wärmeübertragungselement
(515) befindet.