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Die
Erfindung betrifft allgemein Träger,
die zur Aufnahme, Handhabung oder zum Versand von Halbleiterbauelementen,
wie z.B. integrierten Schaltkreisen (ICs), verwendet werden, und
insbesondere Merkmale der Träger,
welche die Wärmeübertragung zu
den Bauelementen und den Trägem
erhöhen.
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Auch
nach der Kapselung von Halbleiterchips durchlaufen diese weiterhin
eine Vielzahl verschiedener Fertigungsprozesse und Tests, von denen
viele bei höheren
oder niedrigeren Temperaturen als der typischen Raumtemperatur von
20 bis 30°C ausgeführt werden.
Beispiele derartiger nachgeschalteter Prozesse schließen ein,
sind aber nicht beschränkt
auf Temperaturtests, wobei Testhandhabungsvorrichtungen Schalen
mit thermisch konditionierten Bauelementen (d.h. Bauelementen mit
der gewünschten
höheren
oder niedrigeren Temperatur) an ein Prüfgerät übergeben, und Voralterungstests, wobei
Schalen mit Bauelementen in Wärmekammern gestapelt
und Langzeittests bei ähnlichen
extremen Temperaturen ausgesetzt werden. Für diese Prozesse fordern die
Hersteller eine höhere
Durchsatzleistung und kleinere Maschinengrößen, um die Kosten für Halbleiterbauelemente
zu senken.
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Der
Durchsatz einer derartigen nachgeschalteten Verarbeitungsanlage
wird oft durch die manchmal als "Wärmekonditionierungszeit" bezeichnete Zeit
bestimmt, die benötigt
wird, um die Bauelemente auf die gewünschte Sollwerttemperatur zu
bringen. Der Durchsatz kann durch Vergrößern der Wärmekonditionierungskammern
verbessert werden, in denen die Bauelemente auf die Sollwerttemperatur
gebracht werden, so daß die
Kammern mehr Bauelemente gleichzeitig aufnehmen können. Jedoch
wird die Größe der bei
dieser Verarbeitung eingesetzten Maschinen durch die Größe der Wärmekonditionierungskammern
stark beeinflußt.
Wegen der hohen Investitionskosten von Halbleiterverarbeitungsanlagen
ist ein niedriger Durchsatz sehr unerwünscht. Wegen der hohen Unterhaltungskosten
von Stellfläche
in einer Halbleiterverarbeitungsanlage ist jedoch die Vergrößerung von
Verarbeitungsmaschinen gleichfalls unerwünscht. Folglich besteht ein
großer ökonomischer
Anreiz für
eine billige und effiziente Verkürzung
der Wärmekonditionierungszeit
ohne wesentliche Vergrößerung der
Verarbeitungsmaschinen.
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Eine
Möglichkeit,
Halbleiterbauelemente auf eine gewünschte Sollwerttemperatur zu
bringen, ist die Wärmeübertragung
durch Zwangskonvektion. Ein Fluid (gewöhnlich Luft) wird quer über die
Bauelemente geblasen, die in einer Reihe von beabstandeten Schalen
sitzen. Wir haben erkannt, daß die Wärmekonditionierungszeit
hauptsächlich
dadurch bestimmt wird, ob die Strömung laminar oder turbulent
ist. Bei turbulenten Strömungen
haben die Oberflächeneigenschaften
des Durchlasses, in diesem Fall der Schalen und der Bauelemente,
einen wesentlichen Einfluß auf
die Wärmeübertragung
zu den Bauelementen und Schalen. Wie hierin diskutiert, berücksichtigt
keine ältere
Technik Merkmale von Schalen oder Bauelementgehäusen, welche die Oberflächeneigenschaften
nutzen, um die konvektive Wärmeübertragung
zu den Schalen oder den Bauelementen in diesen Schalen zu erhöhen, zu
optimieren oder zu maximieren.
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Anforderungen
an ICs zur Erhöhung
der Wärmeübertragung
existieren bei anderen Anwendungen, nämlich bei dem Produkt oder
der Anwendung, in dem bzw. der das Bauelement installiert wird.
In diesen Fällen
ist es oft notwendig, die ICs mit Komponenten zu konstruieren, welche
die Wärmeübertragung
erhöhen,
oder sie in einer tatsächlichen Anwendung
mit zusätzlichen
wärmeübertragungserhöhenden Komponenten
zu installieren. Der Zweck besteht darin, ein Mittel zur Kühlung derjenigen
ICs bereitzustellen, die im Gebrauch unter bestimmten Umgebungsbedingungen
große
Wärmemengen
entwickeln. In dieser Hinsicht konzentriert sich der Stand der Technik
zum großen
Teil auf Wärmeübertragungslamellen,
die direkt an den ICs angebracht sind. Diese Lamellen oder Wärmesenken
erhöhen die
Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung
vom Bauelement, indem sie die spezifische Wärmeübertragungsfläche erheblich
vergrößern. Ein
anderer Teil des Standes der Technik umfaßt die Wärmeübertragungsuntersuchungen von
Sparrow et al., "Heat Transfer
and Pressure Drop Characteristics of Arrays of Rectangular Modules
Encountered in Electronic Equipment" (Wärmeübertragungs-
und Druckabfalleigenschaften von Anordnungen rechteckiger Bausteine,
die in elektronischen Anlagen auftreten), Int. J. Heat Mass Transfer,
Bd. 25, Nr. 7, S. 961–973, 1982.
Diese Arbeit dokumentiert die Verwendung einer Rippe auf einer Computerleiterplatte
mit ICs für Oberflächenmontage,
um die Wärmeübertragung von
hinter der Rippe angeordneten Bauelementen zu erhöhen.
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Bauelementträger existieren
nach dem Stand der Technik in vielen verschiedenen Ausführungsformen.
Die gebräuchlichsten
Ausführungsformen
sind diejenigen, die durch den JEDEC (Joint Electronic Device Engineering
Council) definiert werden. Es ist genügend Spielraum vorgesehen,
um den Herstellern zu ermöglichen,
andere oder zusätzliche Merkmale
zum Anordnen und Fixieren der Bauelemente zu spezifizieren. Der
Stand der Technik umfaßt
Patentschriften für
Schalenkonstruktionen und Merkmalkonstruktionen, die in JEDEC- oder
universelle Träger
einbezogen werden können.
Beispiele dieses Standes der Technik sind in den folgenden Patentschriften
zu finden:
US-A-5103976 (1992) von Murphy – Murphy offenbart eine Schalenkonstruktion
mit Querverrippung, die Taschen bildet, wo Halbleiterchips eingesetzt werden
können.
Zusätzliche
Rippen innerhalb der Taschenbereiche unterstützen und lokalisieren Halbleiter-ICs
mit Anschlußstiftmatrix
(PGA);
US-A-5203452 (1993) von Small et al. – Small
et al. offenbaren eine Schalenkonstruktion mit Taschen, die durch
von dem äußeren Rahmen
ausgehende vertikale Wände
definiert sind;
US-A-5263583 (1993) von Ohashi – Ohashi
offenbart eine Schalenkonstruktion zum Transport von ICs auf Plastchipträgern mit
Anschlüssen
(PLCC). Vertikale Strukturwände
ragen ein Stück über die
Oberseite des Bauelements in der Schale hinaus oder schließen damit
ab;
US-A-5335771 (1994) von Murphy – Murphy offenbart einen Schalenabstandhalter
bezüglich
einer Schale zur Aufnahme von Komponenten mit Anschlußstiftmatrix
(PGA). Die Schale weist Rippen oder Wände auf welche die Taschen
definieren und die PGA-ICs von unterhalb der Rippen unterstützen;
US-A-5400904
(1995) von Maston et al. – Maston
offenbart eine Schalenkonstruktion, die ICs mit Chipgehäusen mit
Lötpunkten
(BGA-ICs) aufnimmt. Es werden Stützstrukturen
beschrieben, welche die Chips in definierten Positionen halten;
US-A-5418692
(1995) von Nemoto – Nemoto
offenbart eine Schale für
Halbleiterbauelemente. Taschen sind durch vertikale Rippen definiert,
die außerdem dazu
dienen, darauf gestapelte Schalen zu unterstützen. Rippen, die sich über eine
kurze Distanz unterhalb der Taschen erstrecken, dienen zur Lokalisierung
und zum Zurückhalten
der Bauelemente in der darunter gestapelten Schale. Die Rippen werden
als höher
als die Oberseite des getragenen Bauelements beschrieben;
US-A-5481438
(1996) von Nemoto – Ähnlich der oben
zitierten US-A-5418692;
US-A-5551572 (1996) von Nemoto – Nemoto
offenbart eine Schale für
BGA-ICs. Er baut Rippen ein, die an den vier Ecken mit zusätzlichen
abwärts
laufenden Rippen so ausgebildet sind, daß sie in die Rippenöffnungszwischenräume an der
Oberseite der darunterliegenden Schale passen.
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Andere
Träger
oder Schalen nach dem Stand der Technik sind unter anderem universelle Ausführungsformen,
die ein Mittel zur Verarbeitung von Bauelementen durch verschiedene
Maschinen bereitstellen. Beispiele mit spezieller Bezugnahme auf
die Erfordernisse von Trägern
für thermische
Verarbeitung sind unter anderem die folgenden Patentschriften;
US-A-4695707
(1987) von Young – Young
offenbart einen Erhitzungsofen, der hauptsächlich zur Voralterung oder
Alterung von Halbleiter-ICs dient. Details und Konstruktionen der
Schalen für
diese Anlage werden offenbart, aber mit Bezug auf Merkmale zum Anordnen
und Positionieren der Bauelemente in der Schale;
US-A-4926118
(1990) von O'Connor
et al. – O'Connor et al. offenbaren
einen Prüfstand
mit Verwendung einer ähnlichen
Schale wie in der nachstehend zitierten US-A-5131535, der in allen
nachgeschalteten Prozessen eingesetzt werden kann;
US-A-5131535
(1992) von O'Connor
et al. – O'Connor et al. offenbaren
eine Schalenkonstruktion für
einen beliebigen nachgeschalteten Prozeß. Offenbart werden Details
und Konstruktionen von Merkmalen zum Anordnen und Positionieren
der Bauelemente in der Schale;
US-A-5180974 (1993) von Mitchell
et al. – Mitchell
et al. offenbaren eine Schalenkonstruktion, die zum Testen, Markieren,
zur Inspektion und zum Versand von Halbleiter-ICs verwendet wird.
Offenbart werden Details und Konstruktionen von Merkmalen zum Anordnen
und Positionieren der Bauelemente in der Schale;
US-A-5184068
(1993) von Twigg et al. – Twitgg
et al. offenbaren eine Handhabevorrichtung, in der Bauelemente aus
einer kundenspezifischen Schale in die Schale der Handhabevorrichtung
umgesetzt und dann durch die Wärmekonditionierungs-
und -dekonditionierungskammern transportiert werden. Es werden keine
Details dieser Schale offenbart, außer daß sie die Bauelemente durch
die Wärmekonditionierungs-
und -dekonditionierungskammern transportiert;
US-A-5290134
(1994) von Baba – Baba
offenbart ein Bestückungssystem,
das eine spezielle Schale zum Verarbeiten der Bauelemente in der
Handhabevorrichtung nutzt. Die einzigen offenbarten Details dieser
Schale beziehen sich auf die Positionierungs- und Rückhaltemerkmale;
und
US-A-5313156 (1994) von Klug et al. – Klug et al. offenbaren eine
Vorrichtung zur automatischen Handhabung von Halbleiter-ICs, in
der Bauelemente aus einer kundenspezifischen Schale in die Schale
der Handhabevorrichtung umgesetzt und dann durch Wärmekonditionierungs-
und -dekonditionierungskammern transportiert werden. Es werden keine
Details dieser Schale offenbart, außer daß sie die Bauelemente durch
die Wärmekonditionierungs-
und -dekonditionierungskammern transportiert.
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In
der Tat haben wir festgestellt, daß bei Schalenkonstruktionen
für thermische
Konditionierungsvorrichtungen die Physik der turbulenten Wärmeübertragung,
die ein modernes Thema ist, grundsätzlich nicht richtig eingeschätzt wird,
und daß daher bei
diesen Konstruktionen eine Gelegenheit zur Gestaltung von Details
versäumt
wird, welche die Leistung von Halbleiterfertigungsanlagen stark
verbessern kann.
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Verfahren
nach dem Stand der Technik, die sich auf wärmeübertragungserhöhende Merkmale von
Halbleitergehäusen
beziehen, umfassen Lamellenkonstruktionen oder Wärmeübertragungsplatten, die außen auf
das Halbleitergehäuse
montiert oder in einem Stück
damit geformt werden. Ihr Zweck besteht darin, ein Mittel zur Kühlung von
Bauelementen im Betriebszustand bereitzustellen, indem die Wärmeleitung
durch eine vergrößerte Oberfläche erhöht wird.
Andererseits existiert eine große
Mehrheit von Bauelementen, die zum Betrieb keine Lamellen oder wärmeübertragungserhöhenden Merkmale
erfordern, für
die aber dennoch Lamellen zur Unterstützung der Fertigung der Bauelemente
selbst wünschenswert
wären.
Wenn es sich allein um Fertigungsgründe handeln würde, ist
die Integration einer Rippe in das Bauelement schwer realisierbar,
da die typischerweise erforderlichen großen Lamellengrößen die
Verarbeitung des Chips durch viele Fertigungsmaschinen verhindern.
Außerdem
ist die erhebliche Vergrößerung wegen
der angebrachten oder vorstehenden Lamellen ein wesentlicher Nachteil
für ihren
Einsatz in vielen Anwendungen mit Raumbeschränkung. Nichtsdestoweniger wären wärmeübertragungserhöhende Merkmale
wünschenswert,
um die Fertigung von ICs, in jedem Fall, wo diese thermisch konditioniert
werden müssen,
zu beschleunigen und die Fertigungskosten zu senken. Außerdem wären auch
andere kostengünstige,
kompakte und effektive wärmeübertragungserhöhende Merkmale
als Lamellen für
ICs wünschenswert,
die im betriebsfähigen
Zustand Kühlung
erfordern.
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Als
typisches Beispiel betrachten wir den Stand der Technik in US-A-5155579,
in der Au Yeung wärmeübertragungserhöhende Lamellen
offenbart, die in einem Stück
mit dem Halbleitergehäuse
geformt sind. Eine offenbarte Aufgabe besteht darin, ein wirksameres
Mittel zur Wärmeableitung
von dem Chip durch das Gehäuse
bereitzustellen, wenn sich das Bauelement in der vorgesehenen Anwendung oder
dem vorgesehenen Produkt im Betriebszustand befindet. Die Lamellen
werden als geometrische Einheiten offenbart, die von der Gehäuseoberfläche ausgehen.
Diese Erfindung hat keinen Bezug zur vorliegenden Erfindung, da
sie die Verwendung von Lamellen behandelt. Die Physik und die Vorteile
der Oberflächenmerkmale
unterscheiden sich stark von den Vorteilen der hierin diskutierten
Oberflächenmerkmale,
die wärmeübertragungserhöhende oder -auslösende Merkmale
mit turbulenter Strömung sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
Berücksichtigung
des Vorstehenden besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, den Durchsatz
von Halbleiterverarbeitungsanlagen mit einer Wärmekonditionierungskammer zu
erhöhen,
ohne die Anlage wesentlich zu vergrößern.
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Eine
weitere Aufgabe ist die Verkürzung
der Wärmekonditionierungszeit
von Bauelementen, die in Fertigungsprozessen thermisch konditioniert
werden müssen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verringerung
der insgesamt erforderlichen Größe der Wärmekonditionierungskammer durch
Verkürzung
der Zeit, die benötigt
wird, um die Halbleiter-ICs auf die Sollwerttemperatur zu bringen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der
Wärmeübertragung
durch Nutzung von Schalenmerkmalen unter Beibehaltung der Fähigkeit, ähnliche
Schalen für
allgemeine Versand- oder Handhabungszwecke übereinander zu stapeln.
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Die
vorstehenden und weitere Aufgaben werden durch eine Schale gemäß der Definition
in Anspruch 1 gelöst.
Die Wärmeübertragung
zu oder von ICs, die in den beabstandeten Schalen untergebracht
sind, wird erhöht,
so daß ein
Wärmeübertragungsfluid,
wie z.B. Luft, zwischen den Schalen fließen kann. Die offenbarte Erfindung
bietet diese Wärmeübertragungserhöhung durch
Hinzufügen geometrischer
Oberflächenmerkmale
zu der Schale, die der umgebenden Strömung ausgesetzt ist. Diese
Oberflächenmerkmale
erhöhen
die Wärmeübertragung
in turbulenten Strömungen
durch Auslösen
einer stärkeren
Vermischung zwischen dem Fluid im Kern (d.h. im zentralen Bereich
eines Strömungskanals)
und dem oberflächennahen
Fluid und durch Zerstören von
wärmeübertragungsmindernden
Strömungsbereichen,
die sich zwischen dem Kern und der Oberfläche entwickeln könnten.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert. Zum Beispiel kann an der Unterseite der Schale eine ähnliche
Verrippung hinzugefügt
werden.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile werden aus einer Betrachtung der folgenden
Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird durch Bezugnahme auf die nachstehende ausführlichere
Beschreibung und die beigefügten
Zeichnungen besser verständlich. Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Schale nach dem Stand der Technik
gemäß JEDEC-Standard, die fünf universelle
Halbleiterbauelemente trägt;
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2 eine
perspektivische Ansicht der vorliegenden Erfindung, die die in Form
Rippen an zwei beabstandeten Schalen angebracht ist, wobei ein Pfeil
die Richtung des Luftstroms zwischen den Schalen anzeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht der vorliegenden Erfindung, die in Form
von Rippen unterhalb sowie auf der Oberseite einer Schale angebracht
ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht der vorliegenden Erfindung an einer Schale
in Form Querrippen;
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5 eine
perspektivische Ansicht der Erfindung an einer Schale in Form von
Längsrippen;
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6 eine
Schnittansicht von zwei beabstandeten Schalen, wobei die vorliegende
Erfindung in Form von Rippen mit markierten Schlüsselabmessungen angebracht
ist;
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7 Diagramme
von vorausgesagten und experimentellen Temperaturcharakteristiken
eines 1 mm dicken Plast-ICs, der einer turbulenten Strömung ausgesetzt
ist;
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8 Diagramme
von Druckabfallkurven für eine
Luftströmung
durch zwei verrippte, beabstandete Schalen;
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9 eine
Schnittansicht von zwei gestapelten Schalen, wobei die Erfindung
in Form von Querrippen an jeder Schale angebracht ist;
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10 eine
perspektivische Ansicht von Rippen, die in Querrichtung an einem
Leitenahmen angebracht sind und nicht im Umfang der vorliegenden
Erfindung enthalten sind;
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11 eine
Schnittansicht der Erfindung, die in Form von dreieckförmigen Rippen
in Querrichtung an einer Schale angebracht ist;
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12 eine
Schnittansicht der Erfindung, die in Form von abgerundeten Rippen
in Querrichtung an einer Schale angebracht ist;
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13 eine
perspektivische Ansicht eines Leitenahmens mit segmentierten und
versetzten Rippen, der nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten
ist;
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14 eine
perspektivische Ansicht der Unterseite einer Schale mit aufgerauhter
Oberfläche;
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15 eine
perspektivische Ansicht eines ICs mit Rippen an der Oberseite;
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16 eine
perspektivische Ansicht eines ICs, der Oberflächenrauhigkeit an der Oberseite
mit einem kreisförmigen
glatten Bereich aufweist;
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17 eine
perspektivische Ansicht eines ICs, der Oberflächenrauhigkeit an der Oberfläche mit einem
ringförmigen
glatten Bereich aufweist; und
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18 eine
Skizze einer Handhabevorrichtung, die in Verbindung mit Schalen
für Halbleiterbauelemente
eingesetzt wird, in Form eines vereinfachten Blockschaltbilds.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf einen herkömmlichen
Träger/eine
Schale nach JEDEC-Standard in 1 ist eine
Bauelementschale 8 durch einen Rahmen 1 und ein
Netzwerk von Rippen 2 gekennzeichnet, die Taschen 3 definieren,
in denen irgendein Bauelementtyp 4 untergebracht ist. Vier
in den Rahmen 1 formgepreßte Schlitze 5 und
Leisten 6 an den Längsenden
der Schale charakterisieren diese Schalen nach JEDEC-Standard. Der
Rahmen 1 weist außerdem
ein Stufenmerkmal 7 auf, um das Stapeln ähnlicher
Schalen zu ermöglichen.
Universelle Rippen 2 und die Unterteile, die den Boden
der Taschen 3 definieren, bieten das zum Schutz und zur
Unterstützung
der Bauelemente notwendige Mindestmaß an Struktursteifigkeit.
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Die
vorliegende Erfindung wird in den nachstehenden Ausführungsformen
veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 1 wird die
vorliegende Erfindung durch Darstellung konkreter Konstruktionen und
Anwendungen von Schalenrippen 2 veranschaulicht, die außerdem dem
herkömmlichen
Zweck der Definition von Taschen 3 dienen, die Bauelemente 4 tragen.
Die konkreten Konstruktionen und Anwendungen von Rippen 2,
wie in der vorliegenden Erfindung, können zu einer wesentlichen
Erhöhung
der Wärmeübertragung
zur Schale und zu den Bauelementen führen.
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Die
thermische Konditionierung von Bauelementen in Schalen mit Zwangskonvektion
kann bewerkstelligt werden, indem ein bestimmtes Fluid, zum Beispiel
Luft, über
oder gegen die Schalen geblasen wird. Die bevorzugte Einrichtung
ist in 2 dargestellt, die zwei halbbestückte Schalen 8 darstellt,
die potentiell eine Reihe von mehrfach beabstandeten Schalen bilden,
die einem Luftstrom 9 ausgesetzt sind. Diese beiden Schalen
sind voneinander beabstandet, so daß der Zwischenraum 10 zwischen
den Schalen einen Durchlaß bildet.
Hier weist die vorliegende Erfindung spezielle Rippen 11 auf,
die sich in eine vorgegebene Höhe über den
Oberseiten 12 der ICs 4 erstrecken.
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Die
optimale Höhe
der Rippen 11 über
den Oberseiten der ICs 14 ist von vielen Faktoren abhängig. Durch
eine höhere
Ausführung
der Rippen wird die Wärmeübertragung
zum IC erhöht.
Folglich werden für
dickere Teile höhere
Rippen benötigt.
Wenn jedoch die Rippen zu hoch werden, wird der Luftstrom über das
Teil eingeschränkt,
und die Wärmeübertragung
nimmt ab. Der Punkt, an dem die Rippen zu hoch werden, ist in hohem
Maße von
dem Luftstrom abhängig,
der durch ein Gebläse
zugeführt wird,
das Luft über
das Teil bläst.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ragen die Rippen 11 mehr als 1 mm und weniger als 10 mm über die
Oberseite des Teils hinaus. Ein stärker bevorzugter Bereich ist
mehr als 2 mm bis weniger als 5 mm. Um einen Maßstab anzugeben: diese Abmessungen
eignen sich für
eine Schale von ähnlicher
Größe wie derjenigen
einer Schale nach JEDEC-Standard, mit Gesamtabmessungen von 315
mm × 135,9
mm und einer Dicke von etwa 7,62 mm. Schalen von größerer Dicke
sind jedoch auch möglich.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Erfindung an einer Schale 8 vom JEDEC-Typ. wobei eine Reihe
von Rippen 13, die in ihrer Geometrie und Funktion den
Rippen 11 an der Oberseite ähnlich sind, unterhalb der
Schale strukturiert angeordnet sind. Die bevorzugte Orientierung
der Rippen 11 und 13 für die gerade beschriebenen
vorgesehenen Zwecke ist senkrecht zur Richtung der Fluidströmung. In
den meisten Anwendungen ist die Fluidströmung in Längsrichtung oder Querrichtung
der Schale ausgerichtet.
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4 zeigt
die Erfindung in Form von Rippen 14 in Querrichtung der
Schale B. Der Pfeil 9 veranschaulicht die Strömungsrichtung,
die senkrecht zu den Rippen 14 verläuft.
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In 5 ist
die Erfindung in Form von Rippen 15 angebracht, die in
Längsrichtung
der Schale 8 ausgerichtet sind. Diese Orientierung kann
vorteilhafter als die in 4 sein, das die von der Strömung zu durchlaufende
Distanz kürzer
ist, was sich im wesentlichen so auswirkt, daß die Gesamttemperaturänderung
der Strömung
durch die Schale gering gehalten wird. Die genaue Anordnung und
geometrische Größe jeder
Ausführungsform
der Erfindung in Form von Rippen auf einem Träger beeinflußt die Erhöhung der
Wärmeübertragung
zum Träger
und zu den Bauelementen.
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In 6 ist
eine Schnittansicht der Schale 8 abgebildet, die zum Verständnis der
Diskussion notwendig ist, wie die Rippen die Wärmeübertragung erhöhen. Eine
turbulente Strömung
ist durch einen Mischvorgang gekennzeichnet, und der Wirkungsgrad
der Wärmeübertragung
ist eine Funktion dieses Turbulenz- oder Mischungsgrades. Wegen
der physikalischen Natur einer Strömung innerhalb von Begrenzungen
ist der Mischungsgrad typischerweise in der Mitte am größten und
am Umfang kleiner. Daher konzentriert sich das Vorhaben bei den
Rippen 11 an der Oberseite auf die Erhöhung der Vermischung zwischen
dem Fluid in der Nähe
der exponierten Oberfläche 16 der
Bauelemente 4 und dem Fluid in der Mitte des Strömungsdurchlasses
zwischen benachbarten Schalen 8. Eine Folge dieser stärkeren Vermischung
ist eine Zunahme der konvektiven Wärmeübertragung. Die relative Distanz 17 von
einer oberen oder exponierten Fläche 16 eines
Bauelements 4 zur Oberseite der Rippe 11 und ein
Rastermaß oder
Abstand 18 zwischen den Rippen sind Konstruktionsvariable,
die den Grad der Mischungsverstärkung
direkt beeinflussen, der sich wiederum auf den Erhöhungsgrad
der Wärmeübertragung
auswirkt.
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In 6 bewirken
Rippen 13 an der Unterseite auf ähnliche Weise gleichfalls eine
Erhöhung der
Wärmeübertragung.
Gemäß der Abbildung
erfolgt jedoch die Erhöhung
der Wärmeübertragung
zur Schale, da die exponierte Oberfläche die Unterseite 19 der
Schalentaschen 3 ist. Mittels Wärmeleitung durch die Schale
kann dann folglich eine zusätzliche Wärmeübertragung
zum Bauelement erfolgen, da sich die Schale in direktem Kontakt
mit dem Bauelement befindet. Es versteht sich, daß die dargestellte Ausführungsform
so variiert werden kann, daß Rippen 13 an
der Unterseite die Wärmeübertragung durch
Konvektion zum Bauelement direkt erhöhen, indem im Boden der Tasche
ein Ausschnitt freigelassen wird.
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Experimentell
wurde durch die Erfinder festgestellt, daß die thermischen Reaktionszeiten
der auf diese Weise thermisch konditionierten Bauelemente mit Verfahren
analytisch abgeschätzt
werden können,
die aus einer von Han, J. C., veröffentlichten Arbeit "Heat Transfer and
Friction in Channels With Two Opposite Rib-Roughened Walls" (Wärmeübertragung
und Reibung in Kanälen
mit zwei gegenüberliegenden,
durch Rippen aufgerauhten Wänden), Transactions
of ASME, Bd. 106, Nov. 1984, S. 774–781, abgeleitet sind. Als
Beispiel betrachte man zwei um 2,4 cm beabstandete Schalen, jede
mit 5 mm-Rippen
an der Oberseite und der Unterseite und in Abständen von 2,5 cm. Die resultierende
vorausgesagte und experimentelle thermische Reaktion eines typischen
ICs mit dünnem
Gehäuse
ist in 7 dargestellt. Die Berechnungen basieren auf der
experimentellen Durchflußgeschwindigkeit
zwischen den Schalen von 0,714 m3/min (25,5
Kubikfuß/min) und
einer Reynolds-Zahl von 9510. Die Reynolds-Zahl ist ein Verhältnis der
inneren Kräfte
zu den Reibungskräften
einer Strömung
und liefert einen Hinweis auf die Strömungsart; z.B. können laminare, Übergangs-
oder turbulente Kanalströmungen
mit Reynolds-Zahlen von mehr als 2300 im allgemeinen eine Turbulenz
aufrechterhalten. Daher wären
in bevorzugten Ausführungsformen
die Reynolds-Zahlen vorzugsweise größer als 2300. In bestimmten
Ausführungsformen
liegt die Reynolds-Zahl über
5000 und könnte
für einige
Ausführungsformen über 10000
liegen.
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Als
Folge der wärmeübertragungserhöhenden Oberflächenmerkmale
entsteht als Nachteil ein Druckabfall, der allerdings klein genug
ist, um die Anwendung einer solchen Verrippung noch zu rechtfertigen. 8 zeigt
die entsprechenden Druckverhaltenskurven, die den Druckabfall als
Funktion der Durchflußgeschwindigkeit über die
Länge des
von den zwei betrachteten Schalen gebildeten Durchlasses darstellen.
Die dem aufgezeichneten Bereich entsprechenden Reynolds-Zahlen betragen
2500 bis 10000, was auf eine ausreichend turbulente Strömung schließen läßt. Bei
der Konstruktion würde man
diesen Kurven eine Gebläseleistungskurve überlagern,
um Arbeitspunkte zu bestimmen, die Schnittpunkte der Gebläsekurve
mit der Systemkurve sind. In praktischen Fällen müssen weitere Druckverluste,
wie z.B. von Röhren
und Filtern, berücksichtigt
und in die Berechnung der Systemleistungskurve einbezogen werden.
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Die
in den vorstehenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
veranschaulichen die Erfindung in Form von Rippen, die über die
oberen und unteren Begrenzungen des Schalenrahmens hinausragen.
Diese übermäßige Ausdehnung
braucht nicht in jeder Ausführungsform
der Erfindung aufzutreten, da die Ausdehnung von der Gesamthöhe des Rahmens
abhängig
ist. Nichtsdestoweniger veranschaulichen diese beiden Ausführungsformen
mögliche
Beschränkungen
der Rippenhöhen,
wenn die Schalen übereinander
gestapelt werden müssen.
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In 9 werden
derartige Rippen, die nach oben oder unten über den definierten äußeren Rahmen
oder die Kontur der Schale hinausragen, durch versetzte Anordnung
vom oberen bzw. unteren Rippen 11 bzw. 13 und
Ausbildung eines Hohlraums 20 unterhalb der oberen Rippen 11 angepaßt. Dieser Hohlraum
ermöglicht
das Einpassen der oberen Rippen 11 der unteren Schale.
Für eine
feste Schalenrahmenhöhe 21 existiert
eine Höchstgrenze
für die Höhe 17 der
oberen Rippen und die Höhe 22 der
unteren Rippen, um ein Stapeln zu ermöglichen. Dieser Grenzwert ist
außerdem
eine Funktion der Taschentiefe 23 und der Stützstruktur
oder des Bodens 19 in der Tasche.
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Bei
vielen Fertigungsverfahren werden Halbleiterschalen nur in einer
Maschine verwendet, wobei es unter Umständen nicht notwendig ist, derartige Stapelmerkmale
bereitzustellen. Außerdem
besteht die Option, sich nicht an JEDEC-Standards zu halten und
zuzulassen, daß der
Schalenrahmen und die Verippung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit beliebigen vorgegebenen Abmessungen konstruiert werden.
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Es
versteht sich daher, daß die
dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung auf eine beliebige Größe oder ein beliebiges Material
eines IC-Trägers angewandt
werden können. 10 zeigt
ein nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthaltenes Beispiel,
wobei die Verrippung 24 auf einen herkömmlichen Leitenahmen 25 angewandt
wird, auf den Chips aufgebracht werden können. Indem die ICs 26 in
dem Leitenahmen belassen werden, können sie weiterhin zusätzliche
Fertigungsprozesse durchlaufen, wie z.B. Testverfahren, ohne in
spezielle Schalenträger umgesetzt
werden zu müssen.
Es versteht sich, daß zahlreiche
Methoden existieren, um den IC in dem Leiterrahmen zu halten und
dabei die Leiter bzw. Zuleitungen 27 abzutrennen, um die
einzelnen ICs elektrisch zu isolieren. In diesem Beispiel sind die
Vorder- und Seitenkanten 28 des Leitenahmens nach unten gebogen,
um ihm zusätzliche
Steifigkeit und Starrheit zu verleihen. Diese Eigenschaften des
Leitenahmens werden nur dargestellt, um ein Beispiel eines Leitenahmens
zu veranschaulichen.
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Es
versteht sich, daß die
dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung so variiert werden können, daß die Rippenform jede praktisch
anwendbare Form annehmen kann. 11 veranschaulicht eine
derartige Ausführungsform,
wo die oberen und unteren Rippen 29 bzw. 30 an
einer Schale 8 vom JEDEC-Typ dreieckig sind. 12 zeigt
eine derartige Ausführungsform,
wo die oberen und unteren Rippen 31 bzw. 32 an
der Schale 8 vom JEDEC-Typ abgerundet sind.
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13 zeigt
einen nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthaltenen Leitenahmen 25 mit Rippen 33,
die vor dem Anordnen jedes ungeformten Bauelements 35 montiert
werden, und mit Rippen 34, die in einer anderen, gegen
die Rippen 33 versetzten Position montiert werden. Der
Pfeil 9 zeigt die Strömungsrichtung
an, die senkrecht zu den Rippen 33 und 34 ist.
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Es
versteht sich ferner, daß die
dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung so variiert werden können, daß alle praktisch einsetzbaren
Materialien verwendet werden können.
Für Schalen
ist das bevorzugte Material ein statisch verlustbehafteter Hochtemperaturkunststoff,
der niedrige Herstellungskosten ermöglicht und seine strukturelle
Integrität
bei hohen Temperaturen beibehält.
Ein Beispiel ist das gebräuchliche
kohlenstoffgefüllte
Polyethersulfon, PES.
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Das
nächste,
nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthaltene Beispiel veranschaulicht, wie
die Wärmekonditionierungszeit
mit einer eingebauten Rauhigkeit an Oberflächen eines Trägers oder
einer Schale verkürzt
werden kann. In 14 ist ein Beispiel dargestellt,
wobei Oberflächenrauhigkeit auf
die Unterseite 36 einer Schale 8 vom JEDEC-Typ aufgebracht
wird. Es versteht sich, daß dieses
Beispiel so variiert werden kann, daß die Rauhigkeit als echte
geometrische Struktur eingebaut werden kann, wie dargestellt, oder
beispielsweise einfach durch eine Preßform mit rauher Oberfläche eine
statistisch rauhe Oberfläche
erzeugt werden kann. Oftmals wird eine rauhe Oberfläche mit
der Textur eines Sandpapiers verglichen, obwohl die Rauhigkeit bei
der vorliegenden Anwendung um Größenordnungen
größer sein
kann. Ein Schätzwert
des Einflusses der Rauhigkeitsgröße läßt sich
mit Verfahren, die in Mills, A. F., Heat Transfer, Irwin, Boston,
MA, 1992, beschrieben werden, für
turbulente Strömungen
in Rohren mit rauher Oberfläche
berechnen.
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Das
nächste
Beispiel betrachtet, wie die Wärmekonditionierungszeit
durch Verwendung von Rippen an einem Bauelementgehäuse verkürzt werden
kann. 15 zeigt zwei vorstehende Rippen 37 und 38,
die von der Oberfläche 16 des
früher
betrachteten IC 4 abstehen. Die Funktion, Konstruktion
und Ausführungsformen
solcher Rippen 37 und 38 sind ähnlich den an einem IC-Träger angebrachten
Rippen. Die Rippen 37 und 38 können zum Beispiel entweder
an der Oberseite oder an der Unterseite angebracht werden und sind
senkrecht zur Strömung 9 ausgerichtet.
Das Anbringen an der Unterseite ist jedoch wegen des ungenügenden Abstands
zwischen dem IC und der Montagefläche seiner Anwendung unwahrscheinlich.
Gewöhnlich,
aber nicht immer, sind die ICs Bauelemente mit Oberflächenmontage. Andererseits
können
Rippen auf der Oberseite eines Bauelements leichter untergebracht
werden. Außerdem
kann durch Anordnen der Rippen in der Nähe der Kanten des Bauelementgehäuses reichlich
ebene Fläche
für Bestückungsautomaten
verbleiben, um die Bauelemente individuell mit Saugnäpfen oder ähnlichen
Greifverfahren zu handhaben.
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Weitere
nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung enthaltene Beispiele
veranschaulichen besser, wie sich die Wärmekonditionierungszeit mit einer
eingebauten Rauhigkeit an einer Oberfläche eines Bauelements verkürzen läßt, die
einer Strömung ausgesetzt
ist. 16 zeigt eine stark aufgerauhte Oberfläche 39 eines
Halbleiter-IC-Gehäuses 4.
Der Bereich 40 wird eben belassen, so daß ein Sauggreifer
den IC aufnehmen kann. In einer hergestellten turbulenten Strömung ist
die richtige Rauhtiefe hoch genug, um die Durchmischung des Fluids
zu verbessern und/oder wärmeübertragungsmindernde
Strömungsschichten
zu zerstören,
die sich in Oberflächennähe entwickeln.
Bei den betrachteten Anwendungen liegt dies Rauhtiefe typischerweise
im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters bis zu vielen Millimetern,
kann aber größer oder
kleiner sein. In einem besonderen Beispiel liegen die Merkmale über 0,5
mm und unter 10 mm. Stärker
bevorzugt liegen die Merkmale über
1 mm Rauhtiefe, und am stärksten
bevorzugt über
2 mm. Die Merkmale liegen am stärksten
bevorzugt unter 5 mm.
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Die
aufgerauhten Oberflächen
wären diejenigen,
die der Strömung
ausgesetzt sind. In Fällen,
wo das Bauelement am Umfang oder an den Ecken des Gehäuses aufliegen
könnte,
können
sowohl die Oberseite als auch die Unterseite aufgerauht werden.
Es versteht sich, daß der
glatte Bereich 40 eine beliebige Form annehmen oder, wenn
dies gewünscht
wird, gar nicht existieren kann. Zum Beispiel zeigt 17 einen
IC 4 mit der Oberflächenrauhigkeit 39,
der einen ringförmigen
glatten Bereich 41 aufweist, um die Aufnahme des Chips
mit einem Sauggreifer zu ermöglichen
und dabei die nicht aufgerauhte Fläche zu minimieren.
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Es
versteht sich außerdem,
daß die
vorliegende Erfindung, wie sie in allen vorstehenden Ausführungsformen
und den möglichen
Varianten offenbart wird, nicht in einem Stück mit dem Bauelement oder
der Schale hergestellt werden muß. Die vorliegende Erfindung
kann in jeder Ausführungsform
als separate Einheit existieren und an dem Bauelement oder der Schale
befestigt, gebondet oder montiert werden.
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Um
es nochmals zu wiederholen: das Aufbringen einer Oberflächenrauhigkeit
oder Verrippung, um die Wärmekonditionierungszeit
durch Fördern
einer nichtlaminaren Strömung
zu verkürzen, unterscheidet
sich grundsätzlich
von der Integration oder dem Anbringen von Lamellen an einer Oberfläche – die Oberflächenrauhigkeit
wird aufgebracht, um die Wärmeübertragung
durch Konvektion zu erhöhen
oder auszulösen.
Lamellen werden angebracht, um die Wärmeübertragung durch Vergrößern der
spezifischen Oberfläche
eines Gegenstands, von dem Konvektion ausgeht, zu erhöhen. Das
ist der Grund, weshalb diese Lamellen oder Wärmesenken oft als erweiterte
Oberflächen
bezeichnet werden. Die Grundlagen der Wärmeübertragung, welche die technischen
Details dieses Unterschieds erläutern, sind
in vielen Lehrbüchern über Wärmeübertragung zu
finden, wie z.B. dem oben erwähnten
Lehrbuch von Mills.
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18 zeigt
eine "Handhabevorrichtung", die so konstruiert
ist, daß sie
mit Halbleiterchip-Schalen arbeitet, die Merkmale zur Erhöhung des
Wirkungsgrads der Wärmeübertragung
einschließen.
Im Betrieb wird ein Stapel von Schalen 8 an eine Wärmekonditionierungskammer 114 übergeben.
Diese Schalen 8 können
gestapelt werden, wie in 9 dargestellt. Die Handhabevorrichtung
enthält
mechanische Vorrichtungen zum Transport der Schalen zwischen Stufen,
wie nach dem Stand der Technik, und derartige mechanische Vorrichtungen
sind nicht explizit dargestellt.
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Innerhalb
der Wärmekonditionierungskammer 114 sind
die Schalen 8 voneinander beabstandet, wie in 6 dargestellt.
Der Luftstrom 9 (6) wird
durch ein Gebläse 112 erzeugt.
Bei Verwendung von Rippen ist der Luftstrom senkrecht zu den Rippen
ausgerichtet. Das Gebläse 112 bläst in bevorzugten
Ausführungsformen
erhitzte Luft aus, aber ebenso gut könnte gekühlte Luft ausgeblasen werden.
Die mechanischen Vorrichtungen, welche die Schalen 8 durch
die Konditionierungskammer 114 transportieren, sind nicht
ausdrücklich
dargestellt, sind aber mit denen nach dem Stand der Technik identisch.
Diese mechanischen Vorrichtungen werden so gesteuert, daß sie jede
Schale 8 innerhalb der Wärmekonditionierungskammer 114 zurückhalten, bis
alle Halbleiterbauelemente in der Schale die gewünschte Temperatur erreichen.
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Sobald
die Bauelemente auf einer Schale die gewünschte Temperatur erreichen,
wird diese Schale 8 aus der Wärmekonditionierungskammer 114 entnommen
und einem Prüfstand 116 zugeführt. Der Prüfstand befindet
sich an einer Schnittstelle zu einer automatischen Testeinrichtung,
wie z.B. der von Teradyne, Inc., Agoura Hills, CA, vertriebenen
Prüfanlage
J973. Sobald die Bauelemente geprüft sind, wird die Schale 8 wahlweise
zu einer Wärmedekonditionierungskammer 118 transportiert.
Die Wärmedekonditionierungskammer 118 ist
ein Ort, wo die darin enthaltenen Schalen und Bauelemente auf Umgebungstemperatur
zurückkehren
können.
Die Wärmedekonditionierung
ist wahlfrei, und ihre Anwendung ist in hohem Maße von der Temperatur abhängig, auf welche
die Bauelemente vor dem Test erwärmt
werden. Die Schalen 8 werden aus der Wärmedekonditionierungskammer 118 entnommen
und wieder wie in 9 gestapelt.
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In
einem besonderen Beispiel nimmt die Wärmekonditionierungskammer mehrere
Schalen 8 gleichzeitig auf. Während eine Schale zur Prüfung entnommen
wird, wird eine andere Schale hinzugefügt. Die Schalen bilden eine
Warteschlange bis in ins Innere der Wärmekonditionierungskammer 114,
so daß mehrere
Schalen gleichzeitig erwärmt
werden können,
wodurch der Durchsatz erhöht
wird. Die Anzahl der Schalen, die sich gleichzeitig in der Wärmekonditionierungskammer 114 befinden
müssen,
um einen bestimmten Durchsatz zu erreichen, nimmt jedoch im Verhältnis zu
der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Bauelemente in den Schalen
erwärmen.
Da die Erwärmungsgeschwindigkeit
der Halbleiterbauelemente durch die Erfindung erhöht wird,
brauchen sich daher weniger Schalen gleichzeitig innerhalb der Wärmekonditionierungskammer 114 zu
befinden. Die Größe der Wärmekonditionierungskammer 114 und damit
die Gesamtgröße der Handhabevorrichtung kann
auf diese Weise verringert werden.
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Natürlich könnte die
Erfindung auch angewandt werden, um andere Typen von Halbleiterverarbeitungsanlagen
kleiner oder schneller zu machen.
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Die
Erfindung wird ausschließlich
durch die beigefügten
Patentansprüche
definiert.