JP2002520622A - 電子デバイスの速応温度反復制御を液体を利用して広範囲に行うための装置、方法及びシステム - Google Patents

電子デバイスの速応温度反復制御を液体を利用して広範囲に行うための装置、方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 ＤＵＴ用アクティブ温度制御システムは、液体ＨＦＥ７１００を含むヒートシンクと電気ヒータを利用している。液体は設定値以下に冷却され、ヒータはＤＵＴを設定値まで温度上昇するのに使用される。設定値は−１０℃から＋１１０℃までの範囲である。ヒートシンクは設定値のすべてに対し単一の冷媒のみを使用しており、設定値の変更を数分以内で達成できる。所定の設定値において、ヒータは素早く応答して自己加熱の効果を相殺し、設定値のずれを数℃以内に維持する。応答を早めるのにパワー追従技術が利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイスの操作中あるいはテスト中にその温度を所定の設定温
度近傍に維持する温度制御システムに関する。一定温度で操作あるいはテストす
る必要がある電子デバイスの特定の２つの例として、包装した集積チップと包装
していないむき出しのチップがある。
【０００２】
【従来の技術】
操作中あるいはテスト中におけるチップのパワー散逸が一定か、あるいは変動
範囲が小さければ、チップ温度を所定の設定温度に維持することは困難なことで
はない。そのような場合、チップを固定された熱抵抗を介して一定温度の熱質量
に接続すれば十分である。しかしながら、操作中あるいはテスト中にチップの瞬
間的なパワー散逸が広範囲で上下動する場合には、チップ温度を一定に維持する
のは非常に難しい。チップの欠陥を取り除いたりテストをしている時には、低温
から高温に至る幅広い温度範囲でその性能を評価するのがよい。変動する瞬間的
パワー散逸と関連する温度変化を吸収しながら広範囲にわたって温度を強制的に
変化させる技術を組み合わせるのは非常に難しい。
【０００３】 この問題を解決するための典型的な対応策には、高温度域及び低温度域の両方
で所望の強制温度範囲をはるかに超える強制空気対流システムが含まれる。この
ように、過冷あるいは過熱によりチップの温度調節を促進することができる。チ
ップの呼称パワー密度は増大し続けるので、過冷するための強制空気対流システ
ムの能力は事実上限界に達し、設定温度と実際の温度との間の誤差が増大する。
最近のプロセスで製造されたチップは高温に対する感度が増大しているという別
の問題もある。過熱によりチップが損傷する可能性があるので、過熱による試み
にはリスクを伴う。設定温度に達するまでの時間が長くなると、高価なテスト装
置の実用性が失われ技術者にも経費がかさむことになる。
【０００４】 別の対応策は高温と低温の液体を使用した２液伝導システムである。液体の比
率は所望の強制温度に影響を与えるので機械的に計量される。この対応策で応答
時間を早くするためには、計量をチップに非常に近いところで行う必要がある。
その結果、機械的包装が制約され、温度強制システムの制御面をチップあるいは
チップ容器に接触させる必要があるために融通性が制約される。そうではあって
も、強制温度の変化に与える２液の機械的計量の影響は、チップの瞬間的パワー
散逸による温度変化に比べてはるかに遅い。これはまた、所望の温度と実際の温
度との間の誤差を増大させる。
【０００５】 本発明は、上述の問題の一つあるいはそれ以上の問題を解決すること、あるい
は少なくとも減少することを目的としている。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は熱交換器付き液体温度制御システムと最適な液体を組み合わせたもの
である。できるだけ広い温度範囲を単一の液体を使用してカバーしている。加熱
素子の制御モードが、温度強制システムの接触面の設定温度範囲を拡大するのに
使用される。本発明の一実施形態では、熱交換器の液体流量は計量され、チップ
における所望の熱制御性能に対し熱交換器のパワー散逸を最適化する。
【０００７】 本発明は、液体を使用して広範囲の高速応答チップ温度制御システムを提供す
るものである。広い温度範囲は、制御面を抵抗加熱し、液体系冷媒ループの有効
温度範囲を拡大することにより達成される。このようにして、テストチップの所
望の温度範囲が達成できるとともに、（i）設定温度の素早い変化、（ii）パワ
ー散逸の瞬間的変化への応答、（iii）チップがあるところの小さい波形率と可
撓性、という特徴を提供している。
【０００８】 このシステムには、（i）液体冷却循環システム、（ii）ヒータ温度を制御す
る熱制御回路、（iii）熱制御回路に内蔵され、所望のデバイス温度からヒータ
制御に変えるアルゴリズム、（iv）液体が冷却されたヒートシンクとそれに取り
付けられチップと接触する抵抗ヒータからなる熱交換器、を設けることができる
。
【０００９】 簡潔に説明すると、本発明の一実施形態では、デバイスの温度を制御する装置
が設けられている。この装置は、ヒータと、ヒートシンクと、温度制御システム
とを備えている。温度制御システムは、ヒータ上のある部位の温度を第１の設定
温度近くから第２の設定温度近くまで変化させる。
【００１０】 本発明の別の実施形態では、デバイスの温度を制御する装置が設けられている
。この装置は、ヒータと、ヒートシンクと、温度制御システムとを備えている。
温度制御システムは、デバイス上のある部位の温度を第１の設定温度近くから第
２の設定温度近くまで変化させる。
【００１１】 本発明の別の実施形態では、デバイスの温度を制御する装置が設けられている
。この装置は、ヒータと、熱伝達ユニットと、温度制御システムとを備えている
。温度制御システムは、ヒータに送られるパワーを制御することにより、また、
熱伝達ユニットの表面温度を制御することにより、デバイス上のある部位の温度
を少なくとも５０℃変化させる。
【００１２】 本発明の別の実施形態では、デバイスの温度を制御する装置が設けられている
。この装置は、ヒータと、ヒートシンクと、温度制御システムとを備えている。
温度制御システムは、ヒータとヒートシンクの両方に接続されており、デバイス
に自己加熱があっても、デバイス上のある部位の温度を設定温度あるいはその近
傍に維持する。
【００１３】 本発明の別の実施形態では、テスト中の半導体デバイスの温度を制御する装置
が設けられている。この装置は、熱交換器と温度制御システムとを備えている。
熱交換器は、テスト中の半導体デバイスに熱結合されている。温度制御システム
は、熱交換器に接続されており、熱交換器を制御する。温度制御システムは、半
導体デバイスに自己加熱があるにもかかわらず、テスト中に半導体デバイスの温
度を設定温度あるいはその近傍に維持する。設定温度は第１の値か、少なくとも
２５℃低い第２の値に設定することができる。
【００１４】 本発明の別の実施形態では、テスト中の半導体デバイスの温度を制御する方法
が提供されている。この方法では、デバイス温度を第１の設定温度近傍に変化さ
せる。この方法ではまた、デバイス温度を第２の設定温度近傍に変化させる。
【００１５】 本発明の別の実施形態では、半導体デバイスの温度を制御する装置が設けられ
ている。この装置は、熱交換器と、ガス噴射用備品と、温度制御システムとを備
えている。ガス噴射用備品は、半導体デバイスが熱交換器と接触している場合に
、熱交換器と半導体デバイスの接触領域にガスを噴射するためのものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
１．システム概要 図１は本発明にかかるシステム１０の概略図である。図示のように、ユーザは
オペレータ・インタフェース・パネル１２でシステム１０を操作する。オペレー
タ・インタフェース・パネル１２はシステム・コントローラ１４へのインタフェ
ースとして機能する。システム・コントローラ１４はシステム電子部品容器１６
に収容されており、熱交換器２０と液体冷却循環システム２２を制御している。
システム電子部品容器１６はシステム・コントローラ１４の直下に熱制御シャシ
１１を収容している。熱制御シャシ１１の下には、二つの薄いモジュールである
高電圧電源１３が設けられているが、二つの小さいモジュールに代えて一つの大
きいモジュールを使用してもよい。下部のモジュールは低電圧電源１５である。
【００１７】 熱交換器２０は、好ましくはヒータとヒートシンクを備えている。しかしなが
ら、他の熱交換器を使用することもできる。ヒートシンクは、好ましくは液体を
汲み上げるチャンバを備えている。他のヒートシンクもまた使用できる。熱伝導
が十分大きければ、液体のないヒートシンクやヒートシンクシステムも使用でき
る。特に、ペルチェデバイスのような固体のヒートシンクもこの技術分野では公
知であり、温度及び温度勾配を制御するために材料を介して電気信号を使用して
いる。ヒートシンクは伝熱ユニットとして考えることもできるし、ヒートシンク
はまた熱源として機能することも注目すべき点である。
【００１８】 好ましい実施の形態では、ヒータは抵抗型ヒータである。しかしながら、他の
多くのヒータを使用することもでき、レーザや他の光や電磁波を使用したヒータ
を何の制約もなく使用できる。
【００１９】 代表的なヒータあるいはヒートシンクは、表面に沿って温度勾配があることは
知られている。ヒータの場合、勾配の存在は部分的には、加熱素子がヒータの一
部しか占有していないことによる。
【００２０】 液体冷却循環システム２２は、ブームアーム１８を介して熱交換器２０、特に
ヒートシンクに液体を供給する。ブームアーム１８はまた、システム・コントロ
ーラ１４と熱制御シャシ１１からヒータに制御信号を送る。
【００２１】 テストヘッド２１は熱交換器２０の下に配置されている。テストヘッド２１は
、好ましくはチップのようなテストされるデバイス（ＤＵＴ（Device Under Tes
t））との連結に使用されるテストソケットを備えている。
【００２２】 図２は本発明とともに使用することができる冷媒システムの概要２３を示して
いる。冷却システム２２を図１の液体冷却循環システム２２を実施するために使
用してもよい。冷却システム２２は、フィルタ２６、流量制御器２８、フローセ
ンサ３０を介して最終的に熱交換器２０に液体を汲み上げる。液体はそれから冷
却システム２２に戻り、システムを介して冷却され再循環する。図１の実施の形
態では、液体の行きと帰りの両方の通路はブームアーム１８（図１）を通過して
いる。
【００２３】 図１０はとりわけ、ＤＵＴ１０４に取り付けられた熱交換器２０の一実施形態
を示している。熱交換器２０は、ヒータ１１２と、ヒートシンク１０８と、ヒー
タ電源・ヒータＲＴＤライン１０２と、液冷媒ライン１１０とを備えている。ヒ
ータ１１２は、ヒートシンク１０８に取り付けられたヒートシンク１０８の面と
同一平面にある。液冷媒ライン１１０は液体を液体ヒートシンク１０８に供給す
る。ライン１０２は電力をヒータ１１２に供給する。温度制御されるデバイス１
０４はヒータ１１２の下方でヒータ１１２の底面に接触して配置されている。
【００２４】 図１０はまた、チップ１０４への熱伝導を改善するためにヒータ１１２に取り
付けることができる任意の導電コーティング・導電構造１０６を示している。こ
の構成により、空気の層が介在する時に比べて、ヒータ１１２とチップ１０４と
の間の伝熱性が改善される。このように伝熱性を改善することで、チップ温度の
制御性能が改善される。ＤＵＴの所定のエンベロープ（envelope）に対し、伝熱
性の改善により、より詳しく後述するようにヒートシンクと設定温度との必要な
温度差が小さくなる。
【００２５】 チップを受け入れるために使用されるソケットを取り付け、ヘリウムガスを噴
射することもできる。こうすることで、ヒータとチップの間の空気をヘリウムに
置換することができる。ヘリウムは空気より伝熱性が大きいので、熱制御性能が
改善される。図１１はヘリウム噴射のために取り付けられたソケットの一実施形
態を示している。ヘリウムの流れは、当業者には公知の様々な方法で制御できる
。一つの実施の形態では、デバイスの実際のテスト中に制御システムで流れを制
御している。
【００２６】 図７は複数の熱交換器を使用した別の実施形態を示している。図７を参照する
と、熱交換器５４と熱交換器５６は別々の入口と出口５８，６０を持っている。
こうすることで、必要に応じ、一つの冷却装置（図２の装置２２）と熱交換器毎
に別々の流量制御器（図２の装置２８，３０）を使用して、二つの熱交換器を別
々に制御して別々の温度に維持することができる。好ましくは、各サブシステム
は図１０に示される方法で異なるヒートシンクに取り付けられた異なるヒータを
備えている。この実施形態では、ヒータは各々別々に制御される。別の実施形態
では、二つの異なるヒータは一つの熱制御チャネルにより制御される。
【００２７】 あるいは、別々の入口と出口５８，６０は同じ冷媒システムと各熱交換器で同
じ温度の液冷媒で作動する二つの熱交換器５４，５６に接続される。熱交換器に
取り付けられた別々のヒータを使用して、別々のダイを異なる温度で作動するよ
うにしてもよい。
【００２８】 さらに別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチチップモジュール６１
のようなマルチＤＵＴに使用され、マルチダイ熱交換器５６が利用される。マル
チダイ熱交換器５６は、それとマルチチップモジュール６１のそれぞれのＤＵＴ
との間に介装された別々のヒータを持つこともできる。
【００２９】 また別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチ熱交換器に使用され、一
列に並んだヒータが冷媒供給ライン（図２の装置３０と２０の間）に取り付けら
れて、一つもしくはそれ以上の熱交換器に別々に供給される冷媒の温度を上げて
、温度制御能をさらに増大させる。
【００３０】 独立制御は制御ループの数を増大することにより達成される。これは、システ
ムに別の熱制御回路を追加することにより達成される。こうすることで、マルチ
チップモジュールの個々のチップを熱制御できる。図６は三つの制御ループ用の
熱制御ボード５２を格納することができる熱制御シャシ５１の一実施形態を示し
ている。図６は３チャネル熱制御サブシステム５０を示している。システム５０
には、三つの熱制御ボード５２、安全リレー５９（電子部品容器１６における自
己テスト機能の一部であり、ヒータとＲＴＤの完全性をテストするために使用さ
れる）、三つのパワーモニタ回路ボード５５、三つのパワーアンプ５７を有する
シャシ５１が設けられている。図６は電子装置を格納したシャシに標準的なシス
テム・コネクタを含む様々な他の部品を示している。
【００３１】 図３は図６の熱制御ボード５２のような熱制御チャネル用制御電子部品の高レ
ベルの図表４６を示している。この図表４６は熱交換器２０におけるヒータの制
御に適用することができる。この図表４６の一般的な操作を以下に記載するが、
特定の実施形態のためのその詳細は、当該明細書の後のセクションで説明するジ
ョーンズの出願に記載されている。
【００３２】 簡単に説明すると、一実施形態では、図３のパワーモニタ回路３４はチップ（
図示せず）により使用されるパワーをモニタし、熱制御ボード３６にそのパワー
を指示する。熱制御回路３８はこの入力を受け取る。熱制御回路３８はまた、例
えばチップと接触しているヒータ面（図示せず）の温度である強制システムの温
度を入力として受け取る。熱制御回路３８は、それから熱交換器温度制御器４０
に送られる熱制御信号を算定する。熱交換器温度制御器４０はヒータパワー信号
を決定し、それをパワーアンプ４２に送り、パワーアンプ４２は熱交換器パワー
信号を熱交換器２０に送る。この実施形態では、熱制御ボード３６は、熱交換器
２０の一部であるヒータを制御する信号を算定する。
【００３３】 図１の説明において既に記載したように、熱交換器２０は、好ましくは液体が
汲み上げられるチャンバを有するヒートシンクを備えている。理想的には、ヒー
トシンク内の液体は、(i）汲み上げられるように必要な温度範囲にわたって比較
的フラットな低粘度を持ち、(ii)効率的な熱交換媒体として作用するように必要
な温度範囲にわたって十分に高い熱容量を持ち、（iii）人体のどの部分が液体
に触れても傷つかないように安全な化学製品で、（iv）たとえこぼれても回路が
電気的にショートすることがない誘電体でなければならない。最初の二つの特性
の最低温度範囲は、約４０℃あるいは６０℃から約−４０℃までの範囲である。
【００３４】 液体（ＨＦＥ７１００）が上記条件のすべてに合致しているということが分か
った。ＨＦＥ７１００は３Ｍ社（３Ｍ corporation）により製造されている特殊
な液体である。ＨＦＥ７１００はエチルノナフルオロブチルエーテル及びエチル
ノナフルオロイソブチルエーテルを含有する。好ましくは、ＨＦＥ７１００は通
常濃度で使用される。ＨＦＥ７１００は他のものに比べて無毒、非爆発性、非導
電性で、安全な液体である。あるいは、水をメタノールあるいはエチレングリコ
ールのような添加剤とともに使用してもよい。しかしながら、そのような混合物
は潜在的に爆発性で、毒性があり、低温で粘度が高い。さらに、そのような水系
液体で１５℃以下の設定温度にするのは難しい。また、自己加熱型のデバイス（
図８の上記説明を参照のこと）のために設定温度を約６０℃以下に維持するのは
難しい。
【００３５】 液体ＨＦＥ７１００は、約−４０℃から約＋４０℃あるいは＋６０℃までの最
低温度範囲の条件に合致している。液体は約６０℃で沸騰する。熱的及び物理的
特性、環境特性、誘電特性が同様ではない他の液体は、例えば低温あるいは高温
のかなり限定された範囲でのみ使用することができるが、低温及び高温の両方で
は使用できない。したがって、ヒートシンクのチャンバは液体を除去し、洗い流
し、異なる混合液を充填して、異なる温度で操作する必要がある。しかしながら
、ＨＦＥ７１００は液体温度とは異なり、約−１０℃から＋１１０℃までの設定
温度で使用されるのが一般的である。さらに、ＨＦＥ７１００の温度範囲の限界
は、異なる冷却装置で両方向に拡大することができる。熱的及び物理的特性、環
境特性、誘電特性が同様で、３Ｍにより製造される新しいＨＦＥ製品を含む他の
製品をＨＦＥ７１００の代わりに使用することもできる。温度範囲をさらに拡大
できる他の製品（熱容量及び低冷媒温度における粘度が同様で、設定温度をより
低くできたり、沸点が高く設定温度をより高くできる製品）も存在するかも知れ
ないし、市場に導入されるかもしれない。
【００３６】 ある実施の形態では、液体を−４０℃まで下げることだけが可能で圧力が加わ
っていない冷却装置が使用されている。別の冷却装置は液体温度をさらに低下さ
せることができたり、液体に圧力を加えて加熱できるようにしている。冷却装置
の現在の温度範囲は、約９０℃の温度差を維持できるヒータとともに操作すると
、所望の設定温度を達成するのに十分である。ある実施の形態では、そのような
ヒータが使用されている。
【００３７】 好ましい冷却装置は、液体の温度を約５分間で−４０℃から＋４０℃まで上昇
させることができる。この時間は、冷媒量が増加するにつれて、また、冷媒シス
テム及び配管の熱容量が増加するにつれて増大する。したがって、大きいシステ
ムほど、冷媒の温度を変化させるのにより多くの時間がかかる。
【００３８】 ある実施の形態では、戻り側が真空引きされており、負圧の冷媒ループを作り
出している。そのような実施の形態は、システムから液体をスプレーする代わり
にシステム内に空気を溜めているので、耐漏れ性に優れている。システムは素早
く分離できるように構成するのが好ましく、システムを溶接する必要がなく、漏
れを事実上無くしている。流量を増大するために多少正圧にしてもよい。しかし
ながら、そのような正圧は液体の沸点に大きな影響を及ぼさない。
【００３９】 ２．システム操作 好ましい実施の形態では、図１０に示されるように、ヒータ１１２に接続され
た液体系ヒートシンク１０８を使用してデバイス１０４の温度を制御している。
ヒータ１１２を使用してデバイス温度を設定温度まで上昇させる一方、ヒートシ
ンク１０８を冷却する液冷媒ライン１１０内の流体は設定温度以下の略一定温度
に維持されるのが一般的である。したがって、冷媒とヒータ１１２は異なる温度
で操作される。ヒータ１１２はさらに、例えば自己加熱によりデバイス１０４内
の早い温度変化を吸収し補償するために温度制御を素早く変化させるのに使用さ
れる。熱交換器２０に必要なアクティブ制御を達成するために多くの技術を使用
することもできる。
【００４０】 Ａ．制御システム １９９６年１０月２１日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたペリッサ（Pe
lissier）の同時継続出願である米国特許出願第０８／７３４，２１２号、及び
、１９９８年７月１４日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたジョーンズらの
の仮出願第６０／０９２，７２０号は両方とも、その内容はすべてここに盛り込
まれているものとする。ペリッサとジョーンズはテスト中の電子デバイスのパワ
ー処理法を使用して電子デバイスの温度を制御することを開示している。そのよ
うな方法を、本発明を使用して温度を制御したり、温度制御の手助けに使用する
こともできる。また、他のアクティブ温度制御を本発明の好ましい実施形態とと
もに使用してもよい。
【００４１】 図３を参照すると、熱制御ボード３６は様々な機能を達成している。一般に、
熱制御ボードはデバイス温度に関する入力情報を処理する必要があり、それから
熱交換器の調節の仕方を決定してＤＵＴを所望の設定温度に維持する。そのよう
な情報には、ＤＵＴの実際の温度、ＤＵＴにより消費されたパワー、ＤＵＴによ
り消費された電流、フィードフォワード装置におけるＤＵＴの「予想される」パ
ワーや、ＤＵＴ温度の表示が含まれる。特定デバイスのために作り出されたパワ
ー計画を、特定デバイスの温度に関する入力として使用することもできる。パワ
ー計画の使用法は、例えば前述したペリッサとジョーンズの出願に開示されてい
る。温度表示器は、例えばＤＵＴにおける熱ダイオードあるいは熱抵抗のような
熱構造体から導き出すことができる。デバイス温度に関する入力情報には、絶対
的あるいは相対的位置や速度及び／又は実際のチップ温度の変化に関する情報を
含んでいてもよい。熱制御ボードは、ソフトウェア同様、アナログあるいはデジ
タル回路を含む様々な方法で実施できる。これは、熱交換器の温度制御と同様に
、入力の受け取りや必要な計算を行うための処理操作に適用される。種々の制御
技術を、比例、積分及び／又は微分制御を適宜組み合わせた性能を有する制御器
に利用することもできる。
【００４２】 ヒータ制御は温度制御システムの基本的な主要な作業である。ヒートシンク内
の流体は液体の温度及び流量を設定することにより制御しなければならない。し
かしながら、このような設定は所定の設定値でテスト中変える必要がないのが一
般的であり、様々な異なる設定が可能である。０．５〜２．５リットル／分の流
量が一般的に使用されるが、これは熱交換器の設計に大きく依存する関数である
。この流量範囲は温度範囲でしばしば変化し、粘度が一般的に高いことから、液
体温度が高ければ流量も大きく、液体温度が低ければ流量を下げる必要がある。
また、低流量はΔＴ値を高くできる一つのファクタであることは明白である。
【００４３】 アクティブ制御が不必要な場合には、制御条件は明確に減少することができる
。自己加熱が起こらなかったり、積極的に相殺されない受動制御では、温度制御
システムを素早く作動させる必要はない。バーン-イン（Burn-in）はアクティブ
温度制御をしばしば必要としない別の例である。これは、行われる機能テストは
自己加熱を引き起こすのに多くのパワーを散逸しないからである。
【００４４】 Ｂ．ヒートシンクの液体 上述したように、ヒートシンクは、好ましくは設定温度以下の比較的一定の温
度に維持される。ヒートシンクは、上述したように、チャンバを流れるＨＦＥ７
１００を含有するのが好ましい。
【００４５】 図８は、三つの異なるシステムにおける設定温度の関数としての設定値のずれ
を示す三つの曲線を示している。システムの一つでは、ヒートシンクの液体とし
て４０％の水と６０％のメタノールの水／メタノールの混合物が使用されるとと
もに、制御方法として直接温度追従が使用されている。第２のシステムでも同じ
水／メタノールの混合物が使用されているが、制御方法としてパワー追従が使用
されている。第３のシステムでは、パワー追従とともにＨＦＥ７１００が使用さ
れている。システムはいずれもテスト中のデバイスの温度を制御するものである
。ＤＵＴでは、０〜２５ワット／ｃｍ２の範囲でパワーが急激に変動する方法を
取っている。
【００４６】 曲線は、水／メタノールの混合物は約６０℃の設定値で問題が生じ始め、低温
になるにしたがって次第に悪化することを示している。直接温度追従及びパワー
追従制御方法の性能は悪い。性能が悪い点については、水／メタノールの混合物
を０℃以下に冷却するのが難しいこと、氷点に近い水／メタノールの混合物の粘
度は比較的低いこと、冷却された水／メタノールの混合物と設定値との間の温度
差が低いこと、で部分的に説明がつく。システムは、例えば自己加熱に応答して
素早くＤＵＴを冷却することができないこともあり、低温度差は問題である。そ
の結果、ＤＵＴの温度が設定値から大きくずれることになる。これはＨＦＥ７１
００の性能とは対照的であり、ＨＦＥ７１００の場合、−１０℃から＋１１０℃
までの設定温度の全範囲にわたって設定値のずれは約４℃あるいは５℃以下に維
持されている。
【００４７】 熱交換器のヒータにおけるパワー散逸は、設定値と液体との温度差とともに増
大する。可能な場合には、ヒートシンクを介して流量を計測することにより、パ
ワー散逸の適正化を図ることができる。流量計測はまた、熱交換器ヒータにかか
る負荷を減少するためにも使用され、高温時のパワー散逸を少なくすることがで
きる。流量計測の限界は冷媒のヒートシンク出口温度であり、関連する他の限界
もある（システム圧で液体の沸点を超える、等）。流量を下げると、ヒータから
逃げる熱量を少なくすることにより液体と設定値との温度差を大きくすることが
できる。したがって、ヒータはＤＵＴをより高い温度まで加熱することができる
。特定の実施形態では、最大流量が４リットル／分で、ヒータパワーは３００ワ
ットである。
【００４８】 本発明によれば、異なる設定値間の変化を素早く行うことができる。これまで
のシステムでは、二つの異なる設定値間の変化には数時間を要していた。本発明
によれば、最も大きい設定値間の変化が約２０〜３０秒で達成される。この減少
は、部分的には、すべての設定値に対し同じ装置が使用でき、すべての設定値に
対し同じ液体をヒートシンクチャンバ内で使用することができることに起因する
。さらに、ヒートシンクとともにヒータを使用するとともに、これらを異なる温
度で動作させることにより、ヒートシンクの液体を実際の設定値間で移動させる
必要がない。これは、液体を設定値より狭い温度範囲で移動するだけでよい場合
には、有利である。
【００４９】 しかしながら、本発明ではまた、液体の温度のみを変化させることにより温度
変化を生じるヒータを使用することなく、設定温度を変えることができる。両方
の設定温度に同じ液体が使用されているとすれば、冷却器の説明で上述したよう
に、システムは新たな設定温度を短い時間で達成することができる。
【００５０】 理想的には、制御システムは、ＤＵＴの最大安全熱膨張率でＤＵＴ温度を変化
させ、その温度を設定値に維持するのがよい。温度に関しては、安全膨張率を示
す勾配を持つ直線状あるいは台形状の曲線がしばしば望ましい。これは、例えば
所望温度に漸近する方法とは異なっている。
【００５１】 図４は、本発明の実施の形態において、二つのデバイスを約２０℃から少なく
とも１００℃に温度上昇させた場合の二つの曲線を示している。フリップチップ
は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約１．５秒で温度上昇し、１１０
℃の設定値まで約３．５秒で温度上昇した。熱拡散器付きワイヤボンド（wire b
ond）は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約４．５秒で温度上昇した
。
【００５２】 Ｃ．ΔＴ システムの温度制御の精度は設定値と液体との温度差に部分的に依存している
。図８はＨＦＥ７１００系システムと水／メタノール系システムの温度制御の精
度を示している。水／メタノール系システムは、低温では粘度が上昇して熱交換
器の流量が減少することから精度が落ちている。ＨＦＥ７１００は液冷媒温度範
囲を通して流量及び粘度が略一定である。ＨＦＥ７１００は約６０℃で沸騰する
が、設定値と液体の温度差を大きくすることにより設定温度を高くすることがで
きる。すなわち、ヒータにより必要な熱を加えることができる。
【００５３】 温度差を大きくすると、所望の設定温度を行き過ぎたり到達しなかった場合に
、ヒータを操作する余地が大きい。温度差が大きくなるにつれて、達成しうる温
度制御性能にあまり影響を与えることなく、設定値を素早く変えることができる
。「ΔＴ」曲線は、異なる設定温度で使用されたΔＴを示す個々のデータ点から
作成される。「設定値から極端にずれた」曲線は、異なる設定温度で発生した最
大ずれを示す個々のデータ点から作成される。図９から分かるように、ΔＴが約
３０℃の設定値に対応する約３０℃から増加するにつれて、ずれは比較的一定か
下降する。図９のΔＴ曲線のずれの多くは、液体温度の変化に起因する。
【００５４】 図１２は、ΔＴが連続して高い場合にテスト中のデバイス（ＤＵＴ）温度を維
持する別の例を示している。図１２において、ΔＴは「流体入口温度」ラインと
「Ｈｘ温度」ラインとの間の差である。設定値（図示せず）は約５℃，３０℃，
７０℃である。「ＤＵＴへのパワー」曲線は、ＤＵＴが可変パワー量を引き出し
、したがって、自己加熱の変動を潜在的に受けていることを示している。「ＨＸ
温度」曲線は、ヒータパワーいわゆる温度が所望の設定値に近い「ＤＵＴ温度」
曲線を維持するために制御されていることを示している。「流体入口温度」曲線
と関連して「ＨＸ温度」曲線はまた、ヒータパワーを単に変化させることにより
液体温度を変化させることなく設定値をどのように２度、約２２秒と４２秒で変
えられるかを示している。
【００５５】 ΔＴの範囲は幾つかのパラメータに基づいて変化する。これらのパラメータに
は、所定のヒートシンクの流量、ヒートシンクのデザイン、ヒータの最大パワー
レベル、ヒータとＤＵＴの幾何学的形状、ＤＵＴがヒータに加える熱負荷の大き
さが含まれる。典型的な例では、ΔＴ値は５０℃であるが、さらに高い値を得る
こともできる。例えば、冷媒流量を調節して上記あるいは他のパラメータを調節
することによりより高い値を得ることができる。
【００５６】 Ｄ．プロフィール 図１を参照すると、システム・コントローラ１４はオペレータ・インタフェー
ス・パネル１２を介してオペレータが接触するソフトウェアを実行する。ソフト
ウェアには、ウィンドウズＮＴ（Windows NT）システム、ラブビュー（Labview
）プログラム環境、システムの様々な機能を達成するためにラブビュー下で動作
するよう注文設計されたソフトウェアが含まれる。タッチスクリーンが操作を簡
単にするために使用されるが、キーボード／マウス・インタフェースも同様にサ
ポートされている。音声入力も使用できる。他の種々のソフトウェア環境やユー
ザ・インタフェースも使用できる。
【００５７】 ソフトウェアにより「プロフィール」が定義され格納される。プロフィールは
、強制温度や、新しい温度への変化率や、プロフィールをどのように発展すべき
かが特定される。一般的に、これは時間と関係していたり、チップをテストする
ために使用される自動テスト装置のような外部ソースからの信号により発展する
。図５はプロフィールを構築するために使用されるシステムソフトウェアセット
アップスクリーンの一例を示している。このプロフィール例は、７０℃から９０
℃までの範囲のＤＵＴの九つの一連の設定値、±２℃の許容差、ヒートシンクの
液体の温度が４０℃であること、ΔＴが２０℃であること、各設定値に対しパワ
ー追従の熱制御モードであること、を示している。プロフィール例には、浸漬時
間に関する様々な他のフィールド、ＰＩＤ制御、データ収集、ＤＵＴ温度勾配制
御が含まれている。
【００５８】 プロフィールは、ＤＵＴの温度をより早く変化させるために、ヒータが所望の
設定値を超えたり到達しないようにプログラムすることができる。プロフィール
はまた、前述した台形状温度曲線を達成するためにプログラムすることもできる
。
【００５９】 設定値のずれは、多数の異なる方法により特徴づけられる。多くの場合、設定
値のずれは、２０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して３℃を超え
ず、３０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して５℃を超えないよう
に規定されている。すなわち、実際の温度は、設定温度の±３℃あるいは±５℃
以内である。実際の形態は、ダイが露出しているかケースに収容されているかと
いうことや、実際のパワー密度や、ダイとヒータの境界の熱抵抗を含む様々なフ
ァクタに依存している。一般的には、設定値のずれは十分低く維持されているの
で、設定温度にｆmaxを決定するようなＤＵＴのテスト結果も正確であり信頼で
きる。前述したジョーンズの出願に、ｆmaxとベンチマークとしてのその重要性
の詳細な説明がある。一般的に、曲線全体は様々の異なる温度値でｆmaxを計算
することにより決定される。設定値のずれは異なる温度値の各々で十分に低く維
持されているので、各設定値は信頼できる値である。
【００６０】 Ｅ．テスト制御及び温度の決定 既に記載したように、制御システムはＤＵＴ温度を所定の許容値以内で特定の
設定値に維持している。したがって、制御システムは、ＤＵＴ温度に関する何ら
かの情報を持つ必要がある。直接温度追従のような幾つかの制御システムは、定
期的なＤＵＴ温度情報を必要とする。設定値からのずれを制御するパワー追従の
ような他の制御システムは定期的なＤＵＴ温度情報を必要としないが、温度維持
プロセスをいつ始めるかということだけは知る必要がある。
【００６１】 維持あるいはずれ制御プロセスは、ＤＵＴが設定温度に達した後しばしば開始
する。この情報は、例えば浸漬タイマが切れた後間接的に決定するようにしても
よい。また、例えば、熱構造をモニタすることにより直接決定するようにしても
よい。熱構造は初期ＤＵＴ温度情報を供給するのに使用することができ、それら
が適切に校正されるならばテストを通してモニタすることもできる。本発明の一
実施形態では、熱構造をモニタしており、パワー追従温度制御法を開始する前に
初期ＤＵＴ温度を決定している。
【００６２】 本発明には、温度を制御しテストシーケンスを制御する別の制御部を含むこと
ができる。図１３には、ＤＵＴ１３４に接続され交信するテスト制御システム１
３０と温度制御システム１３２を含む包括的な高レベルのブロック図が示されて
いる。この明細書では、温度制御システム１３２を基本的に記載することにする
。テスト制御システム１３０は、温度制御システム１３２がＤＵＴ温度を制御し
ている時に、ＤＵＴ１３４に対し適切なテストを行う。
【００６３】 これら二つの制御システム１３０，１３２は交信したり、これらのアクティビ
ティを調整する必要がある。温度制御システム１３２とテスト制御システム１３
０のいずれかは熱構造をモニタすることができる。本発明の一実施形態では、テ
スト制御システム１３０はＤＵＴ１３４の熱構造をモニタし、ＤＵＴ温度を示す
測定電圧のような信号を温度制御システム１３２に送信する。図１３は、テスト
制御システム１３０と温度制御システム１３２の間の点線でそのような実施形態
の交信パスを示している。制御システムとその構成の実施形態は種々変えること
ができる。一実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は分離されてお
り、直接交信することはない。二つの制御システム１３０，１３２はＤＵＴ１３
４をモニタし、そのアクティビティを調整するために必要なＤＵＴ温度情報を入
手する。別の実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は完全に統合さ
れている。
【００６４】 ３．実施例 本発明の一実施形態では、ＨＦＥ７１００が液冷媒として使用されており、−
４０℃から＋４０℃の温度範囲で動作している。供給冷媒とチップ設定温度の温
度差は５℃から１６０℃の範囲である。繰り返し発生する早くて大きい温度変化
や、冷媒ループやヒータ／熱交換器装置の熱応力と関連する長期信頼性の問題が
あるので、高温は制限される。これはまた、ヒータに供給されるパワー定格に耐
えうる液体温度差を平均化するため最大設定値によっても制限される。これはさ
らに、エポキシの破壊温度やはんだの融解点や冷媒の沸点のように、ヒータ／熱
交換器装置を製造するために使用される材料やプロセスにより制限される。現在
のシステムにおけるチップ設定温度の範囲は−３５℃から＋１２５℃までである
。その結果、液冷媒が４０℃の時には少なくとも８５℃のΔＴが必要となる。し
かしながら、実際には、ヒータが所望の温度を超えて応答を早くするために、よ
り大きいΔＴが望ましい。本発明の一実施形態では、約５℃から約１００℃の間
で動作するΔＴを使用している。
【００６５】 別の実施形態では、＋１０℃から＋９０℃の温度範囲で動作する水か、水／グ
リコール（不凍液）あるいは水／メタノールの混合物が使用されている。液体と
チップ設定温度の温度差は５℃から１６０℃の範囲にすることができる。チップ
設定温度は＋１５℃から＋１７０℃の範囲である。
【００６６】 さらに別の実施形態では、冷却器の温度範囲は−４０℃から５０℃である。設
定温度は０℃から１１０℃に指定される。ＤＵＴの自己加熱を補償するために、
４０℃から１１０℃までのアクティブ制御を行うヒータを使用することができる
。アクティブ制御の性能は、設定温度が冷媒温度に近づくにつれて、低下する。
低下量は、とりわけ包装の種類やパワー密度に依存する。低下はダイ温度のずれ
の増大で表示される。
【００６７】 ４．変形例 熱交換器は上述した実施例に加えて他の多くの形態を持つ。特に、熱交換器は
ヒータとヒートシンクの両方を同時に持つ必要はない。さらに、熱交換器は熱を
吸収及び／又は供給するデバイスを持つこともできる。熱交換器は、所望の効果
に応じて、複数のヒータを横に並べたり、上下に積み重ねたりするようにしても
よい。
【００６８】 当業者には容易に理解できるところであるが、全システムの機能は様々な技術
により実施することができる。本発明によれば、ここに開示した機能は、ハード
ウェア、ソフトウェア及び／又は両方の組み合わせにより達成することができる
。
【００６９】 アナログ素子、デジタル素子あるいはその組み合わせを使用した電気回路で、
制御、プロセス、インタフェース機能を実施するようにしてもよい。ソフトウェ
アは、Ｃ＋＋のような高レベルのプログラム言語や、中間レベルや低レベルの言
語や、アセンブリ言語や、アプリケーションやデバイスに特有の言語や、ラブビ
ューのようなグラフィック言語を含む適当な言語で書くことができる。そのよう
なソフトウェアはペンティアム（Pentium）のような汎用コンピュータや、アプ
リケーションに特有のハードウェアや、他の適当な装置上で走らすことができる
。論理回路において分離したハードウェア素子を使用するのに加えて、必要な論
理は、アプリケーションに特有な集積回路（ＡＳＩＣ）や他の装置により実行す
るようにしてもよい。
【００７０】 システムはまた、コネクタ、ケーブル等のように当業者に周知の様々なハード
ウェア部品を備えている。さらに、その機能の少なくとも一部を、本発明を達成
するために情報処理装置のプログラムに使用される磁気媒体、磁気−光媒体、光
媒体のようなコンピュータが読取り可能な媒体（コンピュータプログラム製品と
も称す）で具体化するようにしてもよい。この機能はまた、情報や機能の伝達に
使用される送信波形のように、コンピュータで読取り可能な媒体やコンピュータ
プログラム製品で具体化するようにしてもよい。
【００７１】 さらに、本発明は様々な異なる分野、アプリケーション、産業、技術に適用で
きることは当業者には容易である。本発明は温度をモニタしたり制御したりする
必要があるどのようなシステムにも利用できる。これには、半導体の製造、テス
ト、操作に含まれる多くの異なるプロセスやアプリケーションが含まれる。対象
となる温度は、電子デバイスや、流動あるいは静止している空気粒子のような周
囲のものを含むどのような物理的物体の温度でもよい。
【００７２】 本発明の原理、好ましい実施の形態、操作モードは既に記載したが、開示され
た特定の形態は限定的なものではなく説明するためのものであるので、それらに
限定されるものではない。さらに、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
、当業者には種々の変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 システムの概略図を示している。
【図２】 本発明の一実施形態にかかる液冷媒システムの概略図を示してい
る。
【図３】 ある熱制御チャネル用制御電子部品の高レベルの概略図を示して
いる。
【図４】 設定温度の高速変更特性を使用して、テストデバイスの設定温度
を変更するシステムを示している。
【図５】 プロフィールセットアップスクリーンの１例を示している。
【図６】 ３チャネル熱制御サブシステムを示している。
【図７】 マルチチップモジュール上の複数の熱交換器を示している。
【図８】 温度制御精度−設定値を示すグラフである。
【図９】 ジャンクション温度−設定温度と液体とのΔTを示すグラフであ
る。
【図１０】 任意の導電コーティングあるいは構造を有する熱交換器を示し
ている。
【図１１】 ヘリウム噴射のために取り付けられたソケット装置を示してい
る。
【図１２】 ジャンクション温度と時間を示すグラフである。
【図１３】 テスト制御システムと温度制御システムとＤＵＴの関係を示す
高レベルのブロック図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年７月１３日（２０００．７．１３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 電子デバイスの速応温度反復制御を液体を利用して広範囲に行
うための装置、方法及びシステム
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、電子デバイスの操作中あるいはテスト中にその温度を所定の設定温
度近傍に維持する温度制御システムに関する。一定温度で操作あるいはテストす
る必要がある電子デバイスの特定の２つの例として、包装した集積チップと包装
していないむき出しのチップがある。
【０００２】
【従来の技術】 操作中あるいはテスト中におけるチップのパワー散逸が一定か、あるいは変動
範囲が小さければ、チップ温度を所定の設定温度に維持することは困難なことで
はない。そのような場合、チップを固定された熱抵抗を介して一定温度の熱質量
に接続すれば十分である。しかしながら、操作中あるいはテスト中にチップの瞬
間的なパワー散逸が広範囲で上下動する場合には、チップ温度を一定に維持する
のは非常に難しい。チップの欠陥を取り除いたりテストをしている時には、低温
から高温に至る幅広い温度範囲でその性能を評価するのがよい。変動する瞬間的
パワー散逸と関連する温度変化を吸収しながら広範囲にわたって温度を強制的に
変化させる技術を組み合わせるのは非常に難しい。
【０００３】 この問題を解決するための典型的な対応策には、高温度域及び低温度域の両方
で所望の強制温度範囲をはるかに超える強制空気対流システムが含まれる。この
ように、過冷あるいは過熱によりチップの温度調節を促進することができる。チ
ップの呼称パワー密度は増大し続けるので、過冷するための強制空気対流システ
ムの能力は事実上限界に達し、設定温度と実際の温度との間の誤差が増大する。
最近のプロセスで製造されたチップは高温に対する感度が増大しているという別
の問題もある。過熱によりチップが損傷する可能性があるので、過熱による試み
にはリスクを伴う。設定温度に達するまでの時間が長くなると、高価なテスト装
置の実用性が失われ技術者にも経費がかさむことになる。
【０００４】 別の対応策は高温と低温の液体を使用した２液伝導システムである。液体の比
率は所望の強制温度に影響を与えるので機械的に計量される。この対応策で応答
時間を早くするためには、計量をチップに非常に近いところで行う必要がある。
その結果、機械的包装が制約され、温度強制システムの制御面をチップあるいは
チップ容器に接触させる必要があるために融通性が制約される。そうではあって
も、強制温度の変化に与える２液の機械的計量の影響は、チップの瞬間的パワー
散逸による温度変化に比べてはるかに遅い。これはまた、所望の温度と実際の温
度との間の誤差を増大させる。
【０００５】 本発明は、上述の問題の一つあるいはそれ以上の問題を解決すること、あるい
は少なくとも減少することを目的としている。
【０００６】
【発明の概要】 本発明は熱交換器付き液体温度制御システムと最適な液体を組み合わせたもの
である。できるだけ広い温度範囲を単一の液体を使用してカバーしている。加熱
素子の制御モードが、温度強制システムの接触面の設定温度範囲を拡大するのに
使用される。本発明の一実施形態では、熱交換器の液体流量は計量され、チップ
における所望の熱制御性能に対し熱交換器のパワー散逸を最適化する。
【０００７】 本発明は、液体を使用して広範囲の高速応答チップ温度制御システムを提供す
るものである。広い温度範囲は、制御面を抵抗加熱し、液体系冷媒ループの有効
温度範囲を拡大することにより達成される。このようにして、テストチップの所
望の温度範囲が達成できるとともに、（i）設定温度の素早い変化、（ii）パワ
ー散逸の瞬間的変化への応答、（iii）チップがあるところの小さい波形率と可
撓性、という特徴を提供している。
【０００８】 このシステムには、（i）液体冷却循環システム、（ii）ヒータ温度を制御す
る熱制御回路、（iii）熱制御回路に内蔵され、所望のデバイス温度からヒータ
制御に変えるアルゴリズム、（iv）液体が冷却されたヒートシンクとそれに取り
付けられチップと接触する抵抗ヒータからなる熱交換器、を設けることができる
。
【０００９】 簡潔に説明すると、本発明の一実施形態では、デバイスの温度を制御する装置
が設けられている。この装置は、ヒータと、ヒートシンクと、温度制御システム
とを備えている。温度制御システムは、ヒータ及びデバイスの一つのある部位の
温度を第１の設定温度近くから第２の設定温度近くまで変化させる。
【００１０】 本発明の別の実施形態では、テスト中の半導体デバイスの温度を制御する方法
が提供されている。この方法では、デバイス温度を第１の設定温度近傍に変化さ
せる。この方法ではまた、デバイス温度を第２の設定温度近傍に変化させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】 １．システム概要 図１は本発明にかかるシステム１０の概略図である。図示のように、ユーザは
オペレータ・インタフェース・パネル１２でシステム１０を操作する。オペレー
タ・インタフェース・パネル１２はシステム・コントローラ１４へのインタフェ
ースとして機能する。システム・コントローラ１４はシステム電子部品容器１６
に収容されており、熱交換器２０と液体冷却循環システム２２を制御している。
システム電子部品容器１６はシステム・コントローラ１４の直下に熱制御シャシ
１１を収容している。熱制御シャシ１１の下には、二つの薄いモジュールである
高電圧電源１３が設けられているが、二つの小さいモジュールに代えて一つの大
きいモジュールを使用してもよい。下部のモジュールは低電圧電源１５である。
【００１２】 熱交換器２０は、好ましくはヒータとヒートシンクを備えている。しかしなが
ら、他の熱交換器を使用することもできる。ヒートシンクは、好ましくは液体を
汲み上げるチャンバを備えている。他のヒートシンクもまた使用できる。熱伝導
が十分大きければ、液体のないヒートシンクやヒートシンクシステムも使用でき
る。特に、ペルチェデバイスのような固体のヒートシンクもこの技術分野では公
知であり、温度及び温度勾配を制御するために材料を介して電気信号を使用して
いる。ヒートシンクは伝熱ユニットとして考えることもできるし、ヒートシンク
はまた熱源として機能することも注目すべき点である。
【００１３】 好ましい実施の形態では、ヒータは抵抗型ヒータである。しかしながら、他の
多くのヒータを使用することもでき、レーザや他の光や電磁波を使用したヒータ
を何の制約もなく使用できる。
【００１４】 代表的なヒータあるいはヒートシンクは、表面に沿って温度勾配があることは
知られている。ヒータの場合、勾配の存在は部分的には、加熱素子がヒータの一
部しか占有していないことによる。
【００１５】 液体冷却循環システム２２は、ブームアーム１８を介して熱交換器２０、特に
ヒートシンクに液体を供給する。ブームアーム１８はまた、システム・コントロ
ーラ１４と熱制御シャシ１１からヒータに制御信号を送る。
【００１６】 テストヘッド２１は熱交換器２０の下に配置されている。テストヘッド２１は
、好ましくはチップのようなテストされるデバイス（ＤＵＴ（Device Under Tes
t））との連結に使用されるテストソケットを備えている。
【００１７】 図２は本発明とともに使用することができる冷媒システムの概要２３を示して
いる。冷却システム２２を図１の液体冷却循環システム２２を実施するために使
用してもよい。冷却システム２２は、フィルタ２６、流量制御器２８、フローセ
ンサ３０を介して最終的に熱交換器２０に液体を汲み上げる。液体はそれから冷
却システム２２に戻り、システムを介して冷却され再循環する。図１の実施の形
態では、液体の行きと帰りの両方の通路はブームアーム１８（図１）を通過して
いる。
【００１８】 図１０はとりわけ、ＤＵＴ１０４に取り付けられた熱交換器２０の一実施形態
を示している。熱交換器２０は、ヒータ１１２と、ヒートシンク１０８と、ヒー
タ電源・ヒータＲＴＤライン１０２と、液冷媒ライン１１０とを備えている。ヒ
ータ１１２は、ヒートシンク１０８に取り付けられたヒートシンク１０８の面と
同一平面にある。液冷媒ライン１１０は液体を液体ヒートシンク１０８に供給す
る。ライン１０２は電力をヒータ１１２に供給する。温度制御されるデバイス１
０４はヒータ１１２の下方でヒータ１１２の底面に接触して配置されている。
【００１９】 図１０はまた、チップ１０４への熱伝導を改善するためにヒータ１１２に取り
付けることができる任意の導電コーティング・導電構造１０６を示している。こ
の構成により、空気の層が介在する時に比べて、ヒータ１１２とチップ１０４と
の間の伝熱性が改善される。このように伝熱性を改善することで、チップ温度の
制御性能が改善される。ＤＵＴの所定のエンベロープ（envelope）に対し、伝熱
性の改善により、より詳しく後述するようにヒートシンクと設定温度との必要な
温度差が小さくなる。
【００２０】 チップを受け入れるために使用されるソケットを取り付け、ヘリウムガスを噴
射することもできる。こうすることで、ヒータとチップの間の空気をヘリウムに
置換することができる。ヘリウムは空気より伝熱性が大きいので、熱制御性能が
改善される。図１１はヘリウム噴射のために取り付けられたソケットの一実施形
態を示している。ヘリウムの流れは、当業者には公知の様々な方法で制御できる
。一つの実施の形態では、デバイスの実際のテスト中に制御システムで流れを制
御している。
【００２１】 図７は複数の熱交換器を使用した別の実施形態を示している。図７を参照する
と、熱交換器５４と熱交換器５６は別々の入口と出口５８，６０を持っている。
こうすることで、必要に応じ、一つの冷却装置（図２の装置２２）と熱交換器毎
に別々の流量制御器（図２の装置２８，３０）を使用して、二つの熱交換器を別
々に制御して別々の温度に維持することができる。好ましくは、各サブシステム
は図１０に示される方法で異なるヒートシンクに取り付けられた異なるヒータを
備えている。この実施形態では、ヒータは各々別々に制御される。別の実施形態
では、二つの異なるヒータは一つの熱制御チャネルにより制御される。
【００２２】 あるいは、別々の入口と出口５８，６０は同じ冷媒システムと各熱交換器で同
じ温度の液冷媒で作動する二つの熱交換器５４，５６に接続される。熱交換器に
取り付けられた別々のヒータを使用して、別々のダイを異なる温度で作動するよ
うにしてもよい。
【００２３】 さらに別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチチップモジュール６１
のようなマルチＤＵＴに使用され、マルチダイ熱交換器５６が利用される。マル
チダイ熱交換器５６は、それとマルチチップモジュール６１のそれぞれのＤＵＴ
との間に介装された別々のヒータを持つこともできる。
【００２４】 また別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチ熱交換器に使用され、一
列に並んだヒータが冷媒供給ライン（図２の装置３０と２０の間）に取り付けら
れて、一つもしくはそれ以上の熱交換器に別々に供給される冷媒の温度を上げて
、温度制御能をさらに増大させる。
【００２５】 独立制御は制御ループの数を増大することにより達成される。これは、システ
ムに別の熱制御回路を追加することにより達成される。こうすることで、マルチ
チップモジュールの個々のチップを熱制御できる。図６は三つの制御ループ用の
熱制御ボード５２を格納することができる熱制御シャシ５１の一実施形態を示し
ている。図６は３チャネル熱制御サブシステム５０を示している。システム５０
には、三つの熱制御ボード５２、安全リレー５９（電子部品容器１６における自
己テスト機能の一部であり、ヒータとＲＴＤの完全性をテストするために使用さ
れる）、三つのパワーモニタ回路ボード５５、三つのパワーアンプ５７を有する
シャシ５１が設けられている。図６は電子装置を格納したシャシに標準的なシス
テム・コネクタを含む様々な他の部品を示している。
【００２６】 図３は図６の熱制御ボード５２のような熱制御チャネル用制御電子部品の高レ
ベルの図表４６を示している。この図表４６は熱交換器２０におけるヒータの制
御に適用することができる。この図表４６の一般的な操作を以下に記載するが、
特定の実施形態のためのその詳細は、当該明細書の後のセクションで説明するジ
ョーンズの出願に記載されている。
【００２７】 簡単に説明すると、一実施形態では、図３のパワーモニタ回路３４はチップ（
図示せず）により使用されるパワーをモニタし、熱制御ボード３６にそのパワー
を指示する。熱制御回路３８はこの入力を受け取る。熱制御回路３８はまた、例
えばチップと接触しているヒータ面（図示せず）の温度である強制システムの温
度を入力として受け取る。熱制御回路３８は、それから熱交換器温度制御器４０
に送られる熱制御信号を算定する。熱交換器温度制御器４０はヒータパワー信号
を決定し、それをパワーアンプ４２に送り、パワーアンプ４２は熱交換器パワー
信号を熱交換器２０に送る。この実施形態では、熱制御ボード３６は、熱交換器
２０の一部であるヒータを制御する信号を算定する。
【００２８】 図１の説明において既に記載したように、熱交換器２０は、好ましくは液体が
汲み上げられるチャンバを有するヒートシンクを備えている。理想的には、ヒー
トシンク内の液体は、(i）汲み上げられるように必要な温度範囲にわたって比較
的フラットな低粘度を持ち、(ii)効率的な熱交換媒体として作用するように必要
な温度範囲にわたって十分に高い熱容量を持ち、（iii）人体のどの部分が液体
に触れても傷つかないように安全な化学製品で、（iv）たとえこぼれても回路が
電気的にショートすることがない誘電体でなければならない。最初の二つの特性
の最低温度範囲は、約４０℃あるいは６０℃から約−４０℃までの範囲である。
【００２９】 液体（ＨＦＥ７１００）が上記条件のすべてに合致しているということが分か
った。ＨＦＥ７１００は３Ｍ社（３Ｍ corporation）により製造されている特殊
な液体である。ＨＦＥ７１００はエチルノナフルオロブチルエーテル及びエチル
ノナフルオロイソブチルエーテルを含有する。好ましくは、ＨＦＥ７１００は通
常濃度で使用される。ＨＦＥ７１００は他のものに比べて無毒、非爆発性、非導
電性で、安全な液体である。あるいは、水をメタノールあるいはエチレングリコ
ールのような添加剤とともに使用してもよい。しかしながら、そのような混合物
は潜在的に爆発性で、毒性があり、低温で粘度が高い。さらに、そのような水系
液体で１５℃以下の設定温度にするのは難しい。また、自己加熱型のデバイス（
図８の上記説明を参照のこと）のために設定温度を約６０℃以下に維持するのは
難しい。
【００３０】 液体ＨＦＥ７１００は、約−４０℃から約＋４０℃あるいは＋６０℃までの最
低温度範囲の条件に合致している。液体は約６０℃で沸騰する。熱的及び物理的
特性、環境特性、誘電特性が同様ではない他の液体は、例えば低温あるいは高温
のかなり限定された範囲でのみ使用することができるが、低温及び高温の両方で
は使用できない。したがって、ヒートシンクのチャンバは液体を除去し、洗い流
し、異なる混合液を充填して、異なる温度で操作する必要がある。しかしながら
、ＨＦＥ７１００は液体温度とは異なり、約−１０℃から＋１１０℃までの設定
温度で使用されるのが一般的である。さらに、ＨＦＥ７１００の温度範囲の限界
は、異なる冷却装置で両方向に拡大することができる。熱的及び物理的特性、環
境特性、誘電特性が同様で、３Ｍにより製造される新しいＨＦＥ製品を含む他の
製品をＨＦＥ７１００の代わりに使用することもできる。温度範囲をさらに拡大
できる他の製品（熱容量及び低冷媒温度における粘度が同様で、設定温度をより
低くできたり、沸点が高く設定温度をより高くできる製品）も存在するかも知れ
ないし、市場に導入されるかもしれない。
【００３１】 ある実施の形態では、液体を−４０℃まで下げることだけが可能で圧力が加わ
っていない冷却装置が使用されている。別の冷却装置は液体温度をさらに低下さ
せることができたり、液体に圧力を加えて加熱できるようにしている。冷却装置
の現在の温度範囲は、約９０℃の温度差を維持できるヒータとともに操作すると
、所望の設定温度を達成するのに十分である。ある実施の形態では、そのような
ヒータが使用されている。
【００３２】 好ましい冷却装置は、液体の温度を約５分間で−４０℃から＋４０℃まで上昇
させることができる。この時間は、冷媒量が増加するにつれて、また、冷媒シス
テム及び配管の熱容量が増加するにつれて増大する。したがって、大きいシステ
ムほど、冷媒の温度を変化させるのにより多くの時間がかかる。
【００３３】 ある実施の形態では、戻り側が真空引きされており、負圧の冷媒ループを作り
出している。そのような実施の形態は、システムから液体をスプレーする代わり
にシステム内に空気を溜めているので、耐漏れ性に優れている。システムは素早
く分離できるように構成するのが好ましく、システムを溶接する必要がなく、漏
れを事実上無くしている。流量を増大するために多少正圧にしてもよい。しかし
ながら、そのような正圧は液体の沸点に大きな影響を及ぼさない。
【００３４】 ２．システム操作 好ましい実施の形態では、図１０に示されるように、ヒータ１１２に接続され
た液体系ヒートシンク１０８を使用してデバイス１０４の温度を制御している。
ヒータ１１２を使用してデバイス温度を設定温度まで上昇させる一方、ヒートシ
ンク１０８を冷却する液冷媒ライン１１０内の流体は設定温度以下の略一定温度
に維持されるのが一般的である。したがって、冷媒とヒータ１１２は異なる温度
で操作される。ヒータ１１２はさらに、例えば自己加熱によりデバイス１０４内
の早い温度変化を吸収し補償するために温度制御を素早く変化させるのに使用さ
れる。熱交換器２０に必要なアクティブ制御を達成するために多くの技術を使用
することもできる。
【００３５】 Ａ．制御システム １９９６年１０月２１日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたペリッサ（Pe
lissier）の同時継続出願である米国特許出願第０８／７３４，２１２号、及び
、１９９８年７月１４日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたジョーンズらの
の仮出願第６０／０９２，７２０号は両方とも、その内容はすべてここに盛り込
まれているものとする。ペリッサとジョーンズはテスト中の電子デバイスのパワ
ー処理法を使用して電子デバイスの温度を制御することを開示している。そのよ
うな方法を、本発明を使用して温度を制御したり、温度制御の手助けに使用する
こともできる。また、他のアクティブ温度制御を本発明の好ましい実施形態とと
もに使用してもよい。
【００３６】 図３を参照すると、熱制御ボード３６は様々な機能を達成している。一般に、
熱制御ボードはデバイス温度に関する入力情報を処理する必要があり、それから
熱交換器の調節の仕方を決定してＤＵＴを所望の設定温度に維持する。そのよう
な情報には、ＤＵＴの実際の温度、ＤＵＴにより消費されたパワー、ＤＵＴによ
り消費された電流、フィードフォワード装置におけるＤＵＴの「予想される」パ
ワーや、ＤＵＴ温度の表示が含まれる。特定デバイスのために作り出されたパワ
ー計画を、特定デバイスの温度に関する入力として使用することもできる。パワ
ー計画の使用法は、例えば前述したペリッサとジョーンズの出願に開示されてい
る。温度表示器は、例えばＤＵＴにおける熱ダイオードあるいは熱抵抗のような
熱構造体から導き出すことができる。デバイス温度に関する入力情報には、絶対
的あるいは相対的位置や速度及び／又は実際のチップ温度の変化に関する情報を
含んでいてもよい。熱制御ボードは、ソフトウェア同様、アナログあるいはデジ
タル回路を含む様々な方法で実施できる。これは、熱交換器の温度制御と同様に
、入力の受け取りや必要な計算を行うための処理操作に適用される。種々の制御
技術を、比例、積分及び／又は微分制御を適宜組み合わせた性能を有する制御器
に利用することもできる。
【００３７】 ヒータ制御は温度制御システムの基本的な主要な作業である。ヒートシンク内
の流体は液体の温度及び流量を設定することにより制御しなければならない。し
かしながら、このような設定は所定の設定値でテスト中変える必要がないのが一
般的であり、様々な異なる設定が可能である。０．５〜２．５リットル／分の流
量が一般的に使用されるが、これは熱交換器の設計に大きく依存する関数である
。この流量範囲は温度範囲でしばしば変化し、粘度が一般的に高いことから、液
体温度が高ければ流量も大きく、液体温度が低ければ流量を下げる必要がある。
また、低流量はΔＴ値を高くできる一つのファクタであることは明白である。
【００３８】 アクティブ制御が不必要な場合には、制御条件は明確に減少することができる
。自己加熱が起こらなかったり、積極的に相殺されない受動制御では、温度制御
システムを素早く作動させる必要はない。バーン-イン（Burn-in）はアクティブ
温度制御をしばしば必要としない別の例である。これは、行われる機能テストは
自己加熱を引き起こすのに多くのパワーを散逸しないからである。
【００３９】 Ｂ．ヒートシンクの液体 上述したように、ヒートシンクは、好ましくは設定温度以下の比較的一定の温
度に維持される。ヒートシンクは、上述したように、チャンバを流れるＨＦＥ７
１００を含有するのが好ましい。
【００４０】 図８は、三つの異なるシステムにおける設定温度の関数としての設定値のずれ
を示す三つの曲線を示している。システムの一つでは、ヒートシンクの液体とし
て４０％の水と６０％のメタノールの水／メタノールの混合物が使用されるとと
もに、制御方法として直接温度追従が使用されている。第２のシステムでも同じ
水／メタノールの混合物が使用されているが、制御方法としてパワー追従が使用
されている。第３のシステムでは、パワー追従とともにＨＦＥ７１００が使用さ
れている。システムはいずれもテスト中のデバイスの温度を制御するものである
。ＤＵＴでは、０〜２５ワット／ｃｍ２の範囲でパワーが急激に変動する方法を
取っている。
【００４１】 曲線は、水／メタノールの混合物は約６０℃の設定値で問題が生じ始め、低温
になるにしたがって次第に悪化することを示している。直接温度追従及びパワー
追従制御方法の性能は悪い。性能が悪い点については、水／メタノールの混合物
を０℃以下に冷却するのが難しいこと、氷点に近い水／メタノールの混合物の粘
度は比較的低いこと、冷却された水／メタノールの混合物と設定値との間の温度
差が低いこと、で部分的に説明がつく。システムは、例えば自己加熱に応答して
素早くＤＵＴを冷却することができないこともあり、低温度差は問題である。そ
の結果、ＤＵＴの温度が設定値から大きくずれることになる。これはＨＦＥ７１
００の性能とは対照的であり、ＨＦＥ７１００の場合、−１０℃から＋１１０℃
までの設定温度の全範囲にわたって設定値のずれは約４℃あるいは５℃以下に維
持されている。
【００４２】 熱交換器のヒータにおけるパワー散逸は、設定値と液体との温度差とともに増
大する。可能な場合には、ヒートシンクを介して流量を計測することにより、パ
ワー散逸の適正化を図ることができる。流量計測はまた、熱交換器ヒータにかか
る負荷を減少するためにも使用され、高温時のパワー散逸を少なくすることがで
きる。流量計測の限界は冷媒のヒートシンク出口温度であり、関連する他の限界
もある（システム圧で液体の沸点を超える、等）。流量を下げると、ヒータから
逃げる熱量を少なくすることにより液体と設定値との温度差を大きくすることが
できる。したがって、ヒータはＤＵＴをより高い温度まで加熱することができる
。特定の実施形態では、最大流量が４リットル／分で、ヒータパワーは３００ワ
ットである。
【００４３】 本発明によれば、異なる設定値間の変化を素早く行うことができる。これまで
のシステムでは、二つの異なる設定値間の変化には数時間を要していた。本発明
によれば、最も大きい設定値間の変化が約２０〜３０秒で達成される。この減少
は、部分的には、すべての設定値に対し同じ装置が使用でき、すべての設定値に
対し同じ液体をヒートシンクチャンバ内で使用することができることに起因する
。さらに、ヒートシンクとともにヒータを使用するとともに、これらを異なる温
度で動作させることにより、ヒートシンクの液体を実際の設定値間で移動させる
必要がない。これは、液体を設定値より狭い温度範囲で移動するだけでよい場合
には、有利である。
【００４４】 しかしながら、本発明ではまた、液体の温度のみを変化させることにより温度
変化を生じるヒータを使用することなく、設定温度を変えることができる。両方
の設定温度に同じ液体が使用されているとすれば、冷却器の説明で上述したよう
に、システムは新たな設定温度を短い時間で達成することができる。
【００４５】 理想的には、制御システムは、ＤＵＴの最大安全熱膨張率でＤＵＴ温度を変化
させ、その温度を設定値に維持するのがよい。温度に関しては、安全膨張率を示
す勾配を持つ直線状あるいは台形状の曲線がしばしば望ましい。これは、例えば
所望温度に漸近する方法とは異なっている。
【００４６】 図４は、本発明の実施の形態において、二つのデバイスを約２０℃から少なく
とも１００℃に温度上昇させた場合の二つの曲線を示している。フリップチップ
は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約１．５秒で温度上昇し、１１０
℃の設定値まで約３．５秒で温度上昇した。熱拡散器付きワイヤボンド（wire b
ond）は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約４．５秒で温度上昇した
。
【００４７】 Ｃ．ΔＴ システムの温度制御の精度は設定値と液体との温度差に部分的に依存している
。図８はＨＦＥ７１００系システムと水／メタノール系システムの温度制御の精
度を示している。水／メタノール系システムは、低温では粘度が上昇して熱交換
器の流量が減少することから精度が落ちている。ＨＦＥ７１００は液冷媒温度範
囲を通して流量及び粘度が略一定である。ＨＦＥ７１００は約６０℃で沸騰する
が、設定値と液体の温度差を大きくすることにより設定温度を高くすることがで
きる。すなわち、ヒータにより必要な熱を加えることができる。
【００４８】 温度差を大きくすると、所望の設定温度を行き過ぎたり到達しなかった場合に
、ヒータを操作する余地が大きい。温度差が大きくなるにつれて、達成しうる温
度制御性能にあまり影響を与えることなく、設定値を素早く変えることができる
。「ΔＴ」曲線は、異なる設定温度で使用されたΔＴを示す個々のデータ点から
作成される。「設定値から極端にずれた」曲線は、異なる設定温度で発生した最
大ずれを示す個々のデータ点から作成される。図９から分かるように、ΔＴが約
３０℃の設定値に対応する約３０℃から増加するにつれて、ずれは比較的一定か
下降する。図９のΔＴ曲線のずれの多くは、液体温度の変化に起因する。
【００４９】 図１２は、ΔＴが連続して高い場合にテスト中のデバイス（ＤＵＴ）温度を維
持する別の例を示している。図１２において、ΔＴは「流体入口温度」ラインと
「Ｈｘ温度」ラインとの間の差である。設定値（図示せず）は約５℃，３０℃，
７０℃である。「ＤＵＴへのパワー」曲線は、ＤＵＴが可変パワー量を引き出し
、したがって、自己加熱の変動を潜在的に受けていることを示している。「ＨＸ
温度」曲線は、ヒータパワーいわゆる温度が所望の設定値に近い「ＤＵＴ温度」
曲線を維持するために制御されていることを示している。「流体入口温度」曲線
と関連して「ＨＸ温度」曲線はまた、ヒータパワーを単に変化させることにより
液体温度を変化させることなく設定値をどのように２度、約２２秒と４２秒で変
えられるかを示している。
【００５０】 ΔＴの範囲は幾つかのパラメータに基づいて変化する。これらのパラメータに
は、所定のヒートシンクの流量、ヒートシンクのデザイン、ヒータの最大パワー
レベル、ヒータとＤＵＴの幾何学的形状、ＤＵＴがヒータに加える熱負荷の大き
さが含まれる。典型的な例では、ΔＴ値は５０℃であるが、さらに高い値を得る
こともできる。例えば、冷媒流量を調節して上記あるいは他のパラメータを調節
することによりより高い値を得ることができる。
【００５１】 Ｄ．プロフィール 図１を参照すると、システム・コントローラ１４はオペレータ・インタフェー
ス・パネル１２を介してオペレータが接触するソフトウェアを実行する。ソフト
ウェアには、ウィンドウズＮＴ（Windows NT）システム、ラブビュー（Labview
）プログラム環境、システムの様々な機能を達成するためにラブビュー下で動作
するよう注文設計されたソフトウェアが含まれる。タッチスクリーンが操作を簡
単にするために使用されるが、キーボード／マウス・インタフェースも同様にサ
ポートされている。音声入力も使用できる。他の種々のソフトウェア環境やユー
ザ・インタフェースも使用できる。
【００５２】 ソフトウェアにより「プロフィール」が定義され格納される。プロフィールは
、強制温度や、新しい温度への変化率や、プロフィールをどのように発展すべき
かが特定される。一般的に、これは時間と関係していたり、チップをテストする
ために使用される自動テスト装置のような外部ソースからの信号により発展する
。図５はプロフィールを構築するために使用されるシステムソフトウェアセット
アップスクリーンの一例を示している。このプロフィール例は、７０℃から９０
℃までの範囲のＤＵＴの九つの一連の設定値、±２℃の許容差、ヒートシンクの
液体の温度が４０℃であること、ΔＴが２０℃であること、各設定値に対しパワ
ー追従の熱制御モードであること、を示している。プロフィール例には、浸漬時
間に関する様々な他のフィールド、ＰＩＤ制御、データ収集、ＤＵＴ温度勾配制
御が含まれている。
【００５３】 プロフィールは、ＤＵＴの温度をより早く変化させるために、ヒータが所望の
設定値を超えたり到達しないようにプログラムすることができる。プロフィール
はまた、前述した台形状温度曲線を達成するためにプログラムすることもできる
。
【００５４】 設定値のずれは、多数の異なる方法により特徴づけられる。多くの場合、設定
値のずれは、２０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して３℃を超え
ず、３０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して５℃を超えないよう
に規定されている。すなわち、実際の温度は、設定温度の±３℃あるいは±５℃
以内である。実際の形態は、ダイが露出しているかケースに収容されているかと
いうことや、実際のパワー密度や、ダイとヒータの境界の熱抵抗を含む様々なフ
ァクタに依存している。一般的には、設定値のずれは十分低く維持されているの
で、設定温度にｆmaxを決定するようなＤＵＴのテスト結果も正確であり信頼で
きる。前述したジョーンズの出願に、ｆmaxとベンチマークとしてのその重要性
の詳細な説明がある。一般的に、曲線全体は様々の異なる温度値でｆmaxを計算
することにより決定される。設定値のずれは異なる温度値の各々で十分に低く維
持されているので、各設定値は信頼できる値である。
【００５５】 Ｅ．テスト制御及び温度の決定 既に記載したように、制御システムはＤＵＴ温度を所定の許容値以内で特定の
設定値に維持している。したがって、制御システムは、ＤＵＴ温度に関する何ら
かの情報を持つ必要がある。直接温度追従のような幾つかの制御システムは、定
期的なＤＵＴ温度情報を必要とする。設定値からのずれを制御するパワー追従の
ような他の制御システムは定期的なＤＵＴ温度情報を必要としないが、温度維持
プロセスをいつ始めるかということだけは知る必要がある。
【００５６】 維持あるいはずれ制御プロセスは、ＤＵＴが設定温度に達した後しばしば開始
する。この情報は、例えば浸漬タイマが切れた後間接的に決定するようにしても
よい。また、例えば、熱構造をモニタすることにより直接決定するようにしても
よい。熱構造は初期ＤＵＴ温度情報を供給するのに使用することができ、それら
が適切に校正されるならばテストを通してモニタすることもできる。本発明の一
実施形態では、熱構造をモニタしており、パワー追従温度制御法を開始する前に
初期ＤＵＴ温度を決定している。
【００５７】 本発明には、温度を制御しテストシーケンスを制御する別の制御部を含むこと
ができる。図１３には、ＤＵＴ１３４に接続され交信するテスト制御システム１
３０と温度制御システム１３２を含む包括的な高レベルのブロック図が示されて
いる。この明細書では、温度制御システム１３２を基本的に記載することにする
。テスト制御システム１３０は、温度制御システム１３２がＤＵＴ温度を制御し
ている時に、ＤＵＴ１３４に対し適切なテストを行う。
【００５８】 これら二つの制御システム１３０，１３２は交信したり、これらのアクティビ
ティを調整する必要がある。温度制御システム１３２とテスト制御システム１３
０のいずれかは熱構造をモニタすることができる。本発明の一実施形態では、テ
スト制御システム１３０はＤＵＴ１３４の熱構造をモニタし、ＤＵＴ温度を示す
測定電圧のような信号を温度制御システム１３２に送信する。図１３は、テスト
制御システム１３０と温度制御システム１３２の間の点線でそのような実施形態
の交信パスを示している。制御システムとその構成の実施形態は種々変えること
ができる。一実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は分離されてお
り、直接交信することはない。二つの制御システム１３０，１３２はＤＵＴ１３
４をモニタし、そのアクティビティを調整するために必要なＤＵＴ温度情報を入
手する。別の実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は完全に統合さ
れている。
【００５９】 ３．実施例 本発明の一実施形態では、ＨＦＥ７１００が液冷媒として使用されており、−
４０℃から＋４０℃の温度範囲で動作している。供給冷媒とチップ設定温度の温
度差は５℃から１６０℃の範囲である。繰り返し発生する早くて大きい温度変化
や、冷媒ループやヒータ／熱交換器装置の熱応力と関連する長期信頼性の問題が
あるので、高温は制限される。これはまた、ヒータに供給されるパワー定格に耐
えうる液体温度差を平均化するため最大設定値によっても制限される。これはさ
らに、エポキシの破壊温度やはんだの融解点や冷媒の沸点のように、ヒータ／熱
交換器装置を製造するために使用される材料やプロセスにより制限される。現在
のシステムにおけるチップ設定温度の範囲は−３５℃から＋１２５℃までである
。その結果、液冷媒が４０℃の時には少なくとも８５℃のΔＴが必要となる。し
かしながら、実際には、ヒータが所望の温度を超えて応答を早くするために、よ
り大きいΔＴが望ましい。本発明の一実施形態では、約５℃から約１００℃の間
で動作するΔＴを使用している。
【００６０】 別の実施形態では、＋１０℃から＋９０℃の温度範囲で動作する水か、水／グ
リコール（不凍液）あるいは水／メタノールの混合物が使用されている。液体と
チップ設定温度の温度差は５℃から１６０℃の範囲にすることができる。チップ
設定温度は＋１５℃から＋１７０℃の範囲である。
【００６１】 さらに別の実施形態では、冷却器の温度範囲は−４０℃から５０℃である。設
定温度は０℃から１１０℃に指定される。ＤＵＴの自己加熱を補償するために、
４０℃から１１０℃までのアクティブ制御を行うヒータを使用することができる
。アクティブ制御の性能は、設定温度が冷媒温度に近づくにつれて、低下する。
低下量は、とりわけ包装の種類やパワー密度に依存する。低下はダイ温度のずれ
の増大で表示される。
【００６２】 ４．変形例 熱交換器は上述した実施例に加えて他の多くの形態を持つ。特に、熱交換器は
ヒータとヒートシンクの両方を同時に持つ必要はない。さらに、熱交換器は熱を
吸収及び／又は供給するデバイスを持つこともできる。熱交換器は、所望の効果
に応じて、複数のヒータを横に並べたり、上下に積み重ねたりするようにしても
よい。
【００６３】 当業者には容易に理解できるところであるが、全システムの機能は様々な技術
により実施することができる。本発明によれば、ここに開示した機能は、ハード
ウェア、ソフトウェア及び／又は両方の組み合わせにより達成することができる
。
【００６４】 アナログ素子、デジタル素子あるいはその組み合わせを使用した電気回路で、
制御、プロセス、インタフェース機能を実施するようにしてもよい。ソフトウェ
アは、Ｃ＋＋のような高レベルのプログラム言語や、中間レベルや低レベルの言
語や、アセンブリ言語や、アプリケーションやデバイスに特有の言語や、ラブビ
ューのようなグラフィック言語を含む適当な言語で書くことができる。そのよう
なソフトウェアはペンティアム（Pentium）のような汎用コンピュータや、アプ
リケーションに特有のハードウェアや、他の適当な装置上で走らすことができる
。論理回路において分離したハードウェア素子を使用するのに加えて、必要な論
理は、アプリケーションに特有な集積回路（ＡＳＩＣ）や他の装置により実行す
るようにしてもよい。
【００６５】 システムはまた、コネクタ、ケーブル等のように当業者に周知の様々なハード
ウェア部品を備えている。さらに、その機能の少なくとも一部を、本発明を達成
するために情報処理装置のプログラムに使用される磁気媒体、磁気−光媒体、光
媒体のようなコンピュータが読取り可能な媒体（コンピュータプログラム製品と
も称す）で具体化するようにしてもよい。この機能はまた、情報や機能の伝達に
使用される送信波形のように、コンピュータで読取り可能な媒体やコンピュータ
プログラム製品で具体化するようにしてもよい。
【００６６】 さらに、本発明は様々な異なる分野、アプリケーション、産業、技術に適用で
きることは当業者には容易である。本発明は温度をモニタしたり制御したりする
必要があるどのようなシステムにも利用できる。これには、半導体の製造、テス
ト、操作に含まれる多くの異なるプロセスやアプリケーションが含まれる。対象
となる温度は、電子デバイスや、流動あるいは静止している空気粒子のような周
囲のものを含むどのような物理的物体の温度でもよい。
【００６７】 本発明の原理、好ましい実施の形態、操作モードは既に記載したが、開示され
た特定の形態は限定的なものではなく説明するためのものであるので、それらに
限定されるものではない。さらに、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
、当業者には種々の変形例が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 システムの概略図を示している。
【図２】 本発明の一実施形態にかかる液冷媒システムの概略図を示してい
る。
【図３】 ある熱制御チャネル用制御電子部品の高レベルの概略図を示して
いる。
【図４】 設定温度の高速変更特性を使用して、テストデバイスの設定温度
を変更するシステムを示している。
【図５】 プロフィールセットアップスクリーンの１例を示している。
【図６】 ３チャネル熱制御サブシステムを示している。
【図７】 マルチチップモジュール上の複数の熱交換器を示している。
【図８】 温度制御精度−設定値を示すグラフである。
【図９】 ジャンクション温度−設定温度と液体とのΔTを示すグラフであ
る。
【図１０】 任意の導電コーティングあるいは構造を有する熱交換器を示し
ている。
【図１１】 ヘリウム噴射のために取り付けられたソケット装置を示してい
る。
【図１２】 ジャンクション温度と時間を示すグラフである。
【図１３】 テスト制御システムと温度制御システムとＤＵＴの関係を示す
高レベルのブロック図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年９月１１日（２０００．９．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項３３】 自己加熱があったとしても前記半導体デバイス（１０４）
の温度を略第１設定値に維持するステップと、 自己加熱があったとしても前記半導体デバイス（１０４）の温度を略第２設定
値に維持するステップとを更に設け、 前記半導体デバイス（１０４）の温度を略第２設定値へ移動させるステップが
、チャンバに流入する液体の温度を３５℃より高い温度から-３０℃より低い温
度へと変化させることにより行われる請求項３２に記載の温度制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年８月１日（２００１．８．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 電子デバイスの速応温度反復制御を液体を利用して広範囲に行
うための装置、方法及びシステム
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、電子デバイスの操作中あるいはテスト中にその温度を所定の設定温
度近傍に維持する温度制御システムに関する。一定温度で操作あるいはテストす
る必要がある電子デバイスの特定の２つの例として、包装した集積チップと包装
していないむき出しのチップがある。
【０００２】
【従来の技術】 操作中あるいはテスト中におけるチップのパワー散逸が一定か、あるいは変動
範囲が小さければ、チップ温度を所定の設定温度に維持することは困難なことで
はない。そのような場合、チップを固定された熱抵抗を介して一定温度の熱質量
に接続すれば十分である。しかしながら、操作中あるいはテスト中にチップの瞬
間的なパワー散逸が広範囲で上下動する場合には、チップ温度を一定に維持する
のは非常に難しい。チップの欠陥を取り除いたりテストをしている時には、低温
から高温に至る幅広い温度範囲でその性能を評価するのがよい。変動する瞬間的
パワー散逸と関連する温度変化を吸収しながら広範囲にわたって温度を強制的に
変化させる技術を組み合わせるのは非常に難しい。
【０００３】 この問題を解決するための典型的な対応策には、高温度域及び低温度域の両方
で所望の強制温度範囲をはるかに超える強制空気対流システムが含まれる。この
ように、過冷あるいは過熱によりチップの温度調節を促進することができる。チ
ップの呼称パワー密度は増大し続けるので、過冷するための強制空気対流システ
ムの能力は事実上限界に達し、設定温度と実際の温度との間の誤差が増大する。
最近のプロセスで製造されたチップは高温に対する感度が増大しているという別
の問題もある。過熱によりチップが損傷する可能性があるので、過熱による試み
にはリスクを伴う。設定温度に達するまでの時間が長くなると、高価なテスト装
置の実用性が失われ技術者にも経費がかさむことになる。
【０００４】 別の対応策は高温と低温の液体を使用した２液伝導システムである。液体の比
率は所望の強制温度に影響を与えるので機械的に計量される。この対応策で応答
時間を早くするためには、計量をチップに非常に近いところで行う必要がある。
その結果、機械的包装が制約され、温度強制システムの制御面をチップあるいは
チップ容器に接触させる必要があるために融通性が制約される。そうではあって
も、強制温度の変化に与える２液の機械的計量の影響は、チップの瞬間的パワー
散逸による温度変化に比べてはるかに遅い。これはまた、所望の温度と実際の温
度との間の誤差を増大させる。
【０００５】 本発明は、上述の問題の一つあるいはそれ以上の問題を解決すること、あるい
は少なくとも減少することを目的としている。
【０００６】
【発明の概要】 本発明は熱交換器付き液体温度制御システムと最適な液体を組み合わせたもの
である。できるだけ広い温度範囲を単一の液体を使用してカバーしている。加熱
素子の制御モードが、温度強制システムの接触面の設定温度範囲を拡大するのに
使用される。本発明の一実施形態では、熱交換器の液体流量は計量され、チップ
における所望の熱制御性能に対し熱交換器のパワー散逸を最適化する。
【０００７】 本発明は、液体を使用して広範囲の高速応答チップ温度制御システムを提供す
るものである。広い温度範囲は、制御面を抵抗加熱し、液体系冷媒ループの有効
温度範囲を拡大することにより達成される。このようにして、テストチップの所
望の温度範囲が達成できるとともに、（i）設定温度の素早い変化、（ii）パワ
ー散逸の瞬間的変化への応答、（iii）チップがあるところの小さい波形率と可
撓性、という特徴を提供している。
【０００８】 このシステムには、（i）液体冷却循環システム、（ii）ヒータ温度を制御す
る熱制御回路、（iii）熱制御回路に内蔵され、所望のデバイス温度からヒータ
制御に変えるアルゴリズム、（iv）液体が冷却されたヒートシンクとそれに取り
付けられチップと接触する抵抗ヒータからなる熱交換器、を設けることができる
。
【０００９】 簡潔に説明すると、本発明の一実施形態では、デバイスの温度を制御する装置
が設けられている。この装置は、ヒータと、ヒートシンクと、温度制御システム
とを備えている。温度制御システムは、ヒータ及びデバイスの一つのある部位の
温度を第１の設定温度近くから第２の設定温度近くまで変化させる。
【００１０】 本発明の別の実施形態では、テスト中の半導体デバイスの温度を制御する方法
が提供されている。この方法では、デバイス温度を第１の設定温度近傍に変化さ
せる。この方法ではまた、デバイス温度を第２の設定温度近傍に変化させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】 １．システム概要 図１は本発明にかかるシステム１０の概略図である。図示のように、ユーザは
オペレータ・インタフェース・パネル１２でシステム１０を操作する。オペレー
タ・インタフェース・パネル１２はシステム・コントローラ１４へのインタフェ
ースとして機能する。システム・コントローラ１４はシステム電子部品容器１６
に収容されており、熱交換器２０と液体冷却循環システム２２を制御している。
システム電子部品容器１６はシステム・コントローラ１４の直下に熱制御シャシ
１１を収容している。熱制御シャシ１１の下には、二つの薄いモジュールである
高電圧電源１３が設けられているが、二つの小さいモジュールに代えて一つの大
きいモジュールを使用してもよい。下部のモジュールは低電圧電源１５である。
【００１２】 熱交換器２０は、好ましくはヒータとヒートシンクを備えている。しかしなが
ら、他の熱交換器を使用することもできる。ヒートシンクは、好ましくは液体を
汲み上げるチャンバを備えている。他のヒートシンクもまた使用できる。熱伝導
が十分大きければ、液体のないヒートシンクやヒートシンクシステムも使用でき
る。特に、ペルチェデバイスのような固体のヒートシンクもこの技術分野では公
知であり、温度及び温度勾配を制御するために材料を介して電気信号を使用して
いる。ヒートシンクは伝熱ユニットとして考えることもできるし、ヒートシンク
はまた熱源として機能することも注目すべき点である。
【００１３】 好ましい実施の形態では、ヒータは抵抗型ヒータである。しかしながら、他の
多くのヒータを使用することもでき、レーザや他の光や電磁波を使用したヒータ
を何の制約もなく使用できる。
【００１４】 代表的なヒータあるいはヒートシンクは、表面に沿って温度勾配があることは
知られている。ヒータの場合、勾配の存在は部分的には、加熱素子がヒータの一
部しか占有していないことによる。
【００１５】 液体冷却循環システム２２は、ブームアーム１８を介して熱交換器２０、特に
ヒートシンクに液体を供給する。ブームアーム１８はまた、システム・コントロ
ーラ１４と熱制御シャシ１１からヒータに制御信号を送る。
【００１６】 テストヘッド２１は熱交換器２０の下に配置されている。テストヘッド２１は
、好ましくはチップのようなテストされるデバイス（ＤＵＴ（Device Under Tes
t））との連結に使用されるテストソケットを備えている。
【００１７】 図２は本発明とともに使用することができる冷媒システムの概要２３を示して
いる。冷却システム２２を図１の液体冷却循環システム２２を実施するために使
用してもよい。冷却システム２２は、フィルタ２６、流量制御器２８、フローセ
ンサ３０を介して最終的に熱交換器２０に液体を汲み上げる。液体はそれから冷
却システム２２に戻り、システムを介して冷却され再循環する。図１の実施の形
態では、液体の行きと帰りの両方の通路はブームアーム１８（図１）を通過して
いる。
【００１８】 図１０はとりわけ、ＤＵＴ１０４に取り付けられた熱交換器２０の一実施形態
を示している。熱交換器２０は、ヒータ１１２と、ヒートシンク１０８と、ヒー
タ電源・ヒータＲＴＤライン１０２と、液冷媒ライン１１０とを備えている。ヒ
ータ１１２は、ヒートシンク１０８に取り付けられたヒートシンク１０８の面と
同一平面にある。液冷媒ライン１１０は液体を液体ヒートシンク１０８に供給す
る。ライン１０２は電力をヒータ１１２に供給する。温度制御されるデバイス１
０４はヒータ１１２の下方でヒータ１１２の底面に接触して配置されている。
【００１９】 図１０はまた、チップ１０４への熱伝導を改善するためにヒータ１１２に取り
付けることができる任意の導電コーティング・導電構造１０６を示している。こ
の構成により、空気の層が介在する時に比べて、ヒータ１１２とチップ１０４と
の間の伝熱性が改善される。このように伝熱性を改善することで、チップ温度の
制御性能が改善される。ＤＵＴの所定のエンベロープ（envelope）に対し、伝熱
性の改善により、より詳しく後述するようにヒートシンクと設定温度との必要な
温度差が小さくなる。
【００２０】 チップを受け入れるために使用されるソケットを取り付け、ヘリウムガスを噴
射することもできる。こうすることで、ヒータとチップの間の空気をヘリウムに
置換することができる。ヘリウムは空気より伝熱性が大きいので、熱制御性能が
改善される。図１１はヘリウム噴射のために取り付けられたソケットの一実施形
態を示している。ヘリウムの流れは、当業者には公知の様々な方法で制御できる
。一つの実施の形態では、デバイスの実際のテスト中に制御システムで流れを制
御している。
【００２１】 図７は複数の熱交換器を使用した別の実施形態を示している。図７を参照する
と、熱交換器５４と熱交換器５６は別々の入口と出口５８，６０を持っている。
こうすることで、必要に応じ、一つの冷却装置（図２の装置２２）と熱交換器毎
に別々の流量制御器（図２の装置２８，３０）を使用して、二つの熱交換器を別
々に制御して別々の温度に維持することができる。好ましくは、各サブシステム
は図１０に示される方法で異なるヒートシンクに取り付けられた異なるヒータを
備えている。この実施形態では、ヒータは各々別々に制御される。別の実施形態
では、二つの異なるヒータは一つの熱制御チャネルにより制御される。
【００２２】 あるいは、別々の入口と出口５８，６０は同じ冷媒システムと各熱交換器で同
じ温度の液冷媒で作動する二つの熱交換器５４，５６に接続される。熱交換器に
取り付けられた別々のヒータを使用して、別々のダイを異なる温度で作動するよ
うにしてもよい。
【００２３】 さらに別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチチップモジュール６１
のようなマルチＤＵＴに使用され、マルチダイ熱交換器５６が利用される。マル
チダイ熱交換器５６は、それとマルチチップモジュール６１のそれぞれのＤＵＴ
との間に介装された別々のヒータを持つこともできる。
【００２４】 また別の実施形態では、一つの冷媒システムがマルチ熱交換器に使用され、一
列に並んだヒータが冷媒供給ライン（図２の装置３０と２０の間）に取り付けら
れて、一つもしくはそれ以上の熱交換器に別々に供給される冷媒の温度を上げて
、温度制御能をさらに増大させる。
【００２５】 独立制御は制御ループの数を増大することにより達成される。これは、システ
ムに別の熱制御回路を追加することにより達成される。こうすることで、マルチ
チップモジュールの個々のチップを熱制御できる。図６は三つの制御ループ用の
熱制御ボード５２を格納することができる熱制御シャシ５１の一実施形態を示し
ている。図６は３チャネル熱制御サブシステム５０を示している。システム５０
には、三つの熱制御ボード５２、安全リレー５９（電子部品容器１６における自
己テスト機能の一部であり、ヒータとＲＴＤの完全性をテストするために使用さ
れる）、三つのパワーモニタ回路ボード５５、三つのパワーアンプ５７を有する
シャシ５１が設けられている。図６は電子装置を格納したシャシに標準的なシス
テム・コネクタを含む様々な他の部品を示している。
【００２６】 図３は図６の熱制御ボード５２のような熱制御チャネル用制御電子部品の高レ
ベルの図表４６を示している。この図表４６は熱交換器２０におけるヒータの制
御に適用することができる。この図表４６の一般的な操作を以下に記載するが、
特定の実施形態のためのその詳細は、当該明細書の後のセクションで説明するジ
ョーンズの出願に記載されている。
【００２７】 簡単に説明すると、一実施形態では、図３のパワーモニタ回路３４はチップ（
図示せず）により使用されるパワーをモニタし、熱制御ボード３６にそのパワー
を指示する。熱制御回路３８はこの入力を受け取る。熱制御回路３８はまた、例
えばチップと接触しているヒータ面（図示せず）の温度である強制システムの温
度を入力として受け取る。熱制御回路３８は、それから熱交換器温度制御器４０
に送られる熱制御信号を算定する。熱交換器温度制御器４０はヒータパワー信号
を決定し、それをパワーアンプ４２に送り、パワーアンプ４２は熱交換器パワー
信号を熱交換器２０に送る。この実施形態では、熱制御ボード３６は、熱交換器
２０の一部であるヒータを制御する信号を算定する。
【００２８】 図１の説明において既に記載したように、熱交換器２０は、好ましくは液体が
汲み上げられるチャンバを有するヒートシンクを備えている。理想的には、ヒー
トシンク内の液体は、(i）汲み上げられるように必要な温度範囲にわたって比較
的フラットな低粘度を持ち、(ii)効率的な熱交換媒体として作用するように必要
な温度範囲にわたって十分に高い熱容量を持ち、（iii）人体のどの部分が液体
に触れても傷つかないように安全な化学製品で、（iv）たとえこぼれても回路が
電気的にショートすることがない誘電体でなければならない。最初の二つの特性
の最低温度範囲は、約４０℃あるいは６０℃から約−４０℃までの範囲である。
【００２９】 液体（ＨＦＥ７１００）が上記条件のすべてに合致しているということが分か
った。ＨＦＥ７１００は３Ｍ社（３Ｍ corporation）により製造されている特殊
な液体である。ＨＦＥ７１００はエチルノナフルオロブチルエーテル及びエチル
ノナフルオロイソブチルエーテルを含有する。好ましくは、ＨＦＥ７１００は通
常濃度で使用される。ＨＦＥ７１００は他のものに比べて無毒、非爆発性、非導
電性で、安全な液体である。あるいは、水をメタノールあるいはエチレングリコ
ールのような添加剤とともに使用してもよい。しかしながら、そのような混合物
は潜在的に爆発性で、毒性があり、低温で粘度が高い。さらに、そのような水系
液体で１５℃以下の設定温度にするのは難しい。また、自己加熱型のデバイス（
図８の上記説明を参照のこと）のために設定温度を約６０℃以下に維持するのは
難しい。
【００３０】 液体ＨＦＥ７１００は、約−４０℃から約＋４０℃あるいは＋６０℃までの最
低温度範囲の条件に合致している。液体は約６０℃で沸騰する。熱的及び物理的
特性、環境特性、誘電特性が同様ではない他の液体は、例えば低温あるいは高温
のかなり限定された範囲でのみ使用することができるが、低温及び高温の両方で
は使用できない。したがって、ヒートシンクのチャンバは液体を除去し、洗い流
し、異なる混合液を充填して、異なる温度で操作する必要がある。しかしながら
、ＨＦＥ７１００は液体温度とは異なり、約−１０℃から＋１１０℃までの設定
温度で使用されるのが一般的である。さらに、ＨＦＥ７１００の温度範囲の限界
は、異なる冷却装置で両方向に拡大することができる。熱的及び物理的特性、環
境特性、誘電特性が同様で、３Ｍにより製造される新しいＨＦＥ製品を含む他の
製品をＨＦＥ７１００の代わりに使用することもできる。温度範囲をさらに拡大
できる他の製品（熱容量及び低冷媒温度における粘度が同様で、設定温度をより
低くできたり、沸点が高く設定温度をより高くできる製品）も存在するかも知れ
ないし、市場に導入されるかもしれない。
【００３１】 ある実施の形態では、液体を−４０℃まで下げることだけが可能で圧力が加わ
っていない冷却装置が使用されている。別の冷却装置は液体温度をさらに低下さ
せることができたり、液体に圧力を加えて加熱できるようにしている。冷却装置
の現在の温度範囲は、約９０℃の温度差を維持できるヒータとともに操作すると
、所望の設定温度を達成するのに十分である。ある実施の形態では、そのような
ヒータが使用されている。
【００３２】 好ましい冷却装置は、液体の温度を約５分間で−４０℃から＋４０℃まで上昇
させることができる。この時間は、冷媒量が増加するにつれて、また、冷媒シス
テム及び配管の熱容量が増加するにつれて増大する。したがって、大きいシステ
ムほど、冷媒の温度を変化させるのにより多くの時間がかかる。
【００３３】 ある実施の形態では、戻り側が真空引きされており、負圧の冷媒ループを作り
出している。そのような実施の形態は、システムから液体をスプレーする代わり
にシステム内に空気を溜めているので、耐漏れ性に優れている。システムは素早
く分離できるように構成するのが好ましく、システムを溶接する必要がなく、漏
れを事実上無くしている。流量を増大するために多少正圧にしてもよい。しかし
ながら、そのような正圧は液体の沸点に大きな影響を及ぼさない。
【００３４】 ２．システム操作 好ましい実施の形態では、図１０に示されるように、ヒータ１１２に接続され
た液体系ヒートシンク１０８を使用してデバイス１０４の温度を制御している。
ヒータ１１２を使用してデバイス温度を設定温度まで上昇させる一方、ヒートシ
ンク１０８を冷却する液冷媒ライン１１０内の流体は設定温度以下の略一定温度
に維持されるのが一般的である。したがって、冷媒とヒータ１１２は異なる温度
で操作される。ヒータ１１２はさらに、例えば自己加熱によりデバイス１０４内
の早い温度変化を吸収し補償するために温度制御を素早く変化させるのに使用さ
れる。熱交換器２０に必要なアクティブ制御を達成するために多くの技術を使用
することもできる。
【００３５】 Ａ．制御システム １９９６年１０月２１日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたペリッサ（Pe
lissier）の同時継続出願である米国特許出願第０８／７３４，２１２号、及び
、１９９８年７月１４日に提出され、本願の譲受人に譲渡されたジョーンズらの
の仮出願第６０／０９２，７２０号は両方とも、その内容はすべてここに盛り込
まれているものとする。ペリッサとジョーンズはテスト中の電子デバイスのパワ
ー処理法を使用して電子デバイスの温度を制御することを開示している。そのよ
うな方法を、本発明を使用して温度を制御したり、温度制御の手助けに使用する
こともできる。また、他のアクティブ温度制御を本発明の好ましい実施形態とと
もに使用してもよい。
【００３６】 図３を参照すると、熱制御ボード３６は様々な機能を達成している。一般に、
熱制御ボードはデバイス温度に関する入力情報を処理する必要があり、それから
熱交換器の調節の仕方を決定してＤＵＴを所望の設定温度に維持する。そのよう
な情報には、ＤＵＴの実際の温度、ＤＵＴにより消費されたパワー、ＤＵＴによ
り消費された電流、フィードフォワード装置におけるＤＵＴの「予想される」パ
ワーや、ＤＵＴ温度の表示が含まれる。特定デバイスのために作り出されたパワ
ー計画を、特定デバイスの温度に関する入力として使用することもできる。パワ
ー計画の使用法は、例えば前述したペリッサとジョーンズの出願に開示されてい
る。温度表示器は、例えばＤＵＴにおける熱ダイオードあるいは熱抵抗のような
熱構造体から導き出すことができる。デバイス温度に関する入力情報には、絶対
的あるいは相対的位置や速度及び／又は実際のチップ温度の変化に関する情報を
含んでいてもよい。熱制御ボードは、ソフトウェア同様、アナログあるいはデジ
タル回路を含む様々な方法で実施できる。これは、熱交換器の温度制御と同様に
、入力の受け取りや必要な計算を行うための処理操作に適用される。種々の制御
技術を、比例、積分及び／又は微分制御を適宜組み合わせた性能を有する制御器
に利用することもできる。
【００３７】 ヒータ制御は温度制御システムの基本的な主要な作業である。ヒートシンク内
の流体は液体の温度及び流量を設定することにより制御しなければならない。し
かしながら、このような設定は所定の設定値でテスト中変える必要がないのが一
般的であり、様々な異なる設定が可能である。０．５〜２．５リットル／分の流
量が一般的に使用されるが、これは熱交換器の設計に大きく依存する関数である
。この流量範囲は温度範囲でしばしば変化し、粘度が一般的に高いことから、液
体温度が高ければ流量も大きく、液体温度が低ければ流量を下げる必要がある。
また、低流量はΔＴ値を高くできる一つのファクタであることは明白である。
【００３８】 アクティブ制御が不必要な場合には、制御条件は明確に減少することができる
。自己加熱が起こらなかったり、積極的に相殺されない受動制御では、温度制御
システムを素早く作動させる必要はない。バーン-イン（Burn-in）はアクティブ
温度制御をしばしば必要としない別の例である。これは、行われる機能テストは
自己加熱を引き起こすのに多くのパワーを散逸しないからである。
【００３９】 Ｂ．ヒートシンクの液体 上述したように、ヒートシンクは、好ましくは設定温度以下の比較的一定の温
度に維持される。ヒートシンクは、上述したように、チャンバを流れるＨＦＥ７
１００を含有するのが好ましい。
【００４０】 図８は、三つの異なるシステムにおける設定温度の関数としての設定値のずれ
を示す三つの曲線を示している。システムの一つでは、ヒートシンクの液体とし
て４０％の水と６０％のメタノールの水／メタノールの混合物が使用されるとと
もに、制御方法として直接温度追従が使用されている。第２のシステムでも同じ
水／メタノールの混合物が使用されているが、制御方法としてパワー追従が使用
されている。第３のシステムでは、パワー追従とともにＨＦＥ７１００が使用さ
れている。システムはいずれもテスト中のデバイスの温度を制御するものである
。ＤＵＴでは、０〜２５ワット／ｃｍ２の範囲でパワーが急激に変動する方法を
取っている。
【００４１】 曲線は、水／メタノールの混合物は約６０℃の設定値で問題が生じ始め、低温
になるにしたがって次第に悪化することを示している。直接温度追従及びパワー
追従制御方法の性能は悪い。性能が悪い点については、水／メタノールの混合物
を０℃以下に冷却するのが難しいこと、氷点に近い水／メタノールの混合物の粘
度は比較的低いこと、冷却された水／メタノールの混合物と設定値との間の温度
差が低いこと、で部分的に説明がつく。システムは、例えば自己加熱に応答して
素早くＤＵＴを冷却することができないこともあり、低温度差は問題である。そ
の結果、ＤＵＴの温度が設定値から大きくずれることになる。これはＨＦＥ７１
００の性能とは対照的であり、ＨＦＥ７１００の場合、−１０℃から＋１１０℃
までの設定温度の全範囲にわたって設定値のずれは約４℃あるいは５℃以下に維
持されている。
【００４２】 熱交換器のヒータにおけるパワー散逸は、設定値と液体との温度差とともに増
大する。可能な場合には、ヒートシンクを介して流量を計測することにより、パ
ワー散逸の適正化を図ることができる。流量計測はまた、熱交換器ヒータにかか
る負荷を減少するためにも使用され、高温時のパワー散逸を少なくすることがで
きる。流量計測の限界は冷媒のヒートシンク出口温度であり、関連する他の限界
もある（システム圧で液体の沸点を超える、等）。流量を下げると、ヒータから
逃げる熱量を少なくすることにより液体と設定値との温度差を大きくすることが
できる。したがって、ヒータはＤＵＴをより高い温度まで加熱することができる
。特定の実施形態では、最大流量が４リットル／分で、ヒータパワーは３００ワ
ットである。
【００４３】 本発明によれば、異なる設定値間の変化を素早く行うことができる。これまで
のシステムでは、二つの異なる設定値間の変化には数時間を要していた。本発明
によれば、最も大きい設定値間の変化が約２０〜３０秒で達成される。この減少
は、部分的には、すべての設定値に対し同じ装置が使用でき、すべての設定値に
対し同じ液体をヒートシンクチャンバ内で使用することができることに起因する
。さらに、ヒートシンクとともにヒータを使用するとともに、これらを異なる温
度で動作させることにより、ヒートシンクの液体を実際の設定値間で移動させる
必要がない。これは、液体を設定値より狭い温度範囲で移動するだけでよい場合
には、有利である。
【００４４】 しかしながら、本発明ではまた、液体の温度のみを変化させることにより温度
変化を生じるヒータを使用することなく、設定温度を変えることができる。両方
の設定温度に同じ液体が使用されているとすれば、冷却器の説明で上述したよう
に、システムは新たな設定温度を短い時間で達成することができる。
【００４５】 理想的には、制御システムは、ＤＵＴの最大安全熱膨張率でＤＵＴ温度を変化
させ、その温度を設定値に維持するのがよい。温度に関しては、安全膨張率を示
す勾配を持つ直線状あるいは台形状の曲線がしばしば望ましい。これは、例えば
所望温度に漸近する方法とは異なっている。
【００４６】 図４は、本発明の実施の形態において、二つのデバイスを約２０℃から少なく
とも１００℃に温度上昇させた場合の二つの曲線を示している。フリップチップ
は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約１．５秒で温度上昇し、１１０
℃の設定値まで約３．５秒で温度上昇した。熱拡散器付きワイヤボンド（wire b
ond）は２０℃の周囲温度から１００℃の設定値まで約４．５秒で温度上昇した
。
【００４７】 Ｃ．ΔＴ システムの温度制御の精度は設定値と液体との温度差に部分的に依存している
。図８はＨＦＥ７１００系システムと水／メタノール系システムの温度制御の精
度を示している。水／メタノール系システムは、低温では粘度が上昇して熱交換
器の流量が減少することから精度が落ちている。ＨＦＥ７１００は液冷媒温度範
囲を通して流量及び粘度が略一定である。ＨＦＥ７１００は約６０℃で沸騰する
が、設定値と液体の温度差を大きくすることにより設定温度を高くすることがで
きる。すなわち、ヒータにより必要な熱を加えることができる。
【００４８】 温度差を大きくすると、所望の設定温度を行き過ぎたり到達しなかった場合に
、ヒータを操作する余地が大きい。温度差が大きくなるにつれて、達成しうる温
度制御性能にあまり影響を与えることなく、設定値を素早く変えることができる
。「ΔＴ」曲線は、異なる設定温度で使用されたΔＴを示す個々のデータ点から
作成される。「設定値から極端にずれた」曲線は、異なる設定温度で発生した最
大ずれを示す個々のデータ点から作成される。図９から分かるように、ΔＴが約
３０℃の設定値に対応する約３０℃から増加するにつれて、ずれは比較的一定か
下降する。図９のΔＴ曲線のずれの多くは、液体温度の変化に起因する。
【００４９】 図１２は、ΔＴが連続して高い場合にテスト中のデバイス（ＤＵＴ）温度を維
持する別の例を示している。図１２において、ΔＴは「流体入口温度」ラインと
「Ｈｘ温度」ラインとの間の差である。設定値（図示せず）は約５℃，３０℃，
７０℃である。「ＤＵＴへのパワー」曲線は、ＤＵＴが可変パワー量を引き出し
、したがって、自己加熱の変動を潜在的に受けていることを示している。「ＨＸ
温度」曲線は、ヒータパワーいわゆる温度が所望の設定値に近い「ＤＵＴ温度」
曲線を維持するために制御されていることを示している。「流体入口温度」曲線
と関連して「ＨＸ温度」曲線はまた、ヒータパワーを単に変化させることにより
液体温度を変化させることなく設定値をどのように２度、約２２秒と４２秒で変
えられるかを示している。
【００５０】 ΔＴの範囲は幾つかのパラメータに基づいて変化する。これらのパラメータに
は、所定のヒートシンクの流量、ヒートシンクのデザイン、ヒータの最大パワー
レベル、ヒータとＤＵＴの幾何学的形状、ＤＵＴがヒータに加える熱負荷の大き
さが含まれる。典型的な例では、ΔＴ値は５０℃であるが、さらに高い値を得る
こともできる。例えば、冷媒流量を調節して上記あるいは他のパラメータを調節
することによりより高い値を得ることができる。
【００５１】 Ｄ．プロフィール 図１を参照すると、システム・コントローラ１４はオペレータ・インタフェー
ス・パネル１２を介してオペレータが接触するソフトウェアを実行する。ソフト
ウェアには、ウィンドウズＮＴ（Windows NT）システム、ラブビュー（Labview
）プログラム環境、システムの様々な機能を達成するためにラブビュー下で動作
するよう注文設計されたソフトウェアが含まれる。タッチスクリーンが操作を簡
単にするために使用されるが、キーボード／マウス・インタフェースも同様にサ
ポートされている。音声入力も使用できる。他の種々のソフトウェア環境やユー
ザ・インタフェースも使用できる。
【００５２】 ソフトウェアにより「プロフィール」が定義され格納される。プロフィールは
、強制温度や、新しい温度への変化率や、プロフィールをどのように発展すべき
かが特定される。一般的に、これは時間と関係していたり、チップをテストする
ために使用される自動テスト装置のような外部ソースからの信号により発展する
。図５はプロフィールを構築するために使用されるシステムソフトウェアセット
アップスクリーンの一例を示している。このプロフィール例は、７０℃から９０
℃までの範囲のＤＵＴの九つの一連の設定値、±２℃の許容差、ヒートシンクの
液体の温度が４０℃であること、ΔＴが２０℃であること、各設定値に対しパワ
ー追従の熱制御モードであること、を示している。プロフィール例には、浸漬時
間に関する様々な他のフィールド、ＰＩＤ制御、データ収集、ＤＵＴ温度勾配制
御が含まれている。
【００５３】 プロフィールは、ＤＵＴの温度をより早く変化させるために、ヒータが所望の
設定値を超えたり到達しないようにプログラムすることができる。プロフィール
はまた、前述した台形状温度曲線を達成するためにプログラムすることもできる
。
【００５４】 設定値のずれは、多数の異なる方法により特徴づけられる。多くの場合、設定
値のずれは、２０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して３℃を超え
ず、３０ワット／ｃｍ２より大きくないパワー密度に対して５℃を超えないよう
に規定されている。すなわち、実際の温度は、設定温度の±３℃あるいは±５℃
以内である。実際の形態は、ダイが露出しているかケースに収容されているかと
いうことや、実際のパワー密度や、ダイとヒータの境界の熱抵抗を含む様々なフ
ァクタに依存している。一般的には、設定値のずれは十分低く維持されているの
で、設定温度にｆmaxを決定するようなＤＵＴのテスト結果も正確であり信頼で
きる。前述したジョーンズの出願に、ｆmaxとベンチマークとしてのその重要性
の詳細な説明がある。一般的に、曲線全体は様々の異なる温度値でｆmaxを計算
することにより決定される。設定値のずれは異なる温度値の各々で十分に低く維
持されているので、各設定値は信頼できる値である。
【００５５】 Ｅ．テスト制御及び温度の決定 既に記載したように、制御システムはＤＵＴ温度を所定の許容値以内で特定の
設定値に維持している。したがって、制御システムは、ＤＵＴ温度に関する何ら
かの情報を持つ必要がある。直接温度追従のような幾つかの制御システムは、定
期的なＤＵＴ温度情報を必要とする。設定値からのずれを制御するパワー追従の
ような他の制御システムは定期的なＤＵＴ温度情報を必要としないが、温度維持
プロセスをいつ始めるかということだけは知る必要がある。
【００５６】 維持あるいはずれ制御プロセスは、ＤＵＴが設定温度に達した後しばしば開始
する。この情報は、例えば浸漬タイマが切れた後間接的に決定するようにしても
よい。また、例えば、熱構造をモニタすることにより直接決定するようにしても
よい。熱構造は初期ＤＵＴ温度情報を供給するのに使用することができ、それら
が適切に校正されるならばテストを通してモニタすることもできる。本発明の一
実施形態では、熱構造をモニタしており、パワー追従温度制御法を開始する前に
初期ＤＵＴ温度を決定している。
【００５７】 本発明には、温度を制御しテストシーケンスを制御する別の制御部を含むこと
ができる。図１３には、ＤＵＴ１３４に接続され交信するテスト制御システム１
３０と温度制御システム１３２を含む包括的な高レベルのブロック図が示されて
いる。この明細書では、温度制御システム１３２を基本的に記載することにする
。テスト制御システム１３０は、温度制御システム１３２がＤＵＴ温度を制御し
ている時に、ＤＵＴ１３４に対し適切なテストを行う。
【００５８】 これら二つの制御システム１３０，１３２は交信したり、これらのアクティビ
ティを調整する必要がある。温度制御システム１３２とテスト制御システム１３
０のいずれかは熱構造をモニタすることができる。本発明の一実施形態では、テ
スト制御システム１３０はＤＵＴ１３４の熱構造をモニタし、ＤＵＴ温度を示す
測定電圧のような信号を温度制御システム１３２に送信する。図１３は、テスト
制御システム１３０と温度制御システム１３２の間の点線でそのような実施形態
の交信パスを示している。制御システムとその構成の実施形態は種々変えること
ができる。一実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は分離されてお
り、直接交信することはない。二つの制御システム１３０，１３２はＤＵＴ１３
４をモニタし、そのアクティビティを調整するために必要なＤＵＴ温度情報を入
手する。別の実施形態では、二つの制御システム１３０，１３２は完全に統合さ
れている。
【００５９】 ３．実施例 本発明の一実施形態では、ＨＦＥ７１００が液冷媒として使用されており、−
４０℃から＋４０℃の温度範囲で動作している。供給冷媒とチップ設定温度の温
度差は５℃から１６０℃の範囲である。繰り返し発生する早くて大きい温度変化
や、冷媒ループやヒータ／熱交換器装置の熱応力と関連する長期信頼性の問題が
あるので、高温は制限される。これはまた、ヒータに供給されるパワー定格に耐
えうる液体温度差を平均化するため最大設定値によっても制限される。これはさ
らに、エポキシの破壊温度やはんだの融解点や冷媒の沸点のように、ヒータ／熱
交換器装置を製造するために使用される材料やプロセスにより制限される。現在
のシステムにおけるチップ設定温度の範囲は−３５℃から＋１２５℃までである
。その結果、液冷媒が４０℃の時には少なくとも８５℃のΔＴが必要となる。し
かしながら、実際には、ヒータが所望の温度を超えて応答を早くするために、よ
り大きいΔＴが望ましい。本発明の一実施形態では、約５℃から約１００℃の間
で動作するΔＴを使用している。
【００６０】 別の実施形態では、＋１０℃から＋９０℃の温度範囲で動作する水か、水／グ
リコール（不凍液）あるいは水／メタノールの混合物が使用されている。液体と
チップ設定温度の温度差は５℃から１６０℃の範囲にすることができる。チップ
設定温度は＋１５℃から＋１７０℃の範囲である。
【００６１】 さらに別の実施形態では、冷却器の温度範囲は−４０℃から５０℃である。設
定温度は０℃から１１０℃に指定される。ＤＵＴの自己加熱を補償するために、
４０℃から１１０℃までのアクティブ制御を行うヒータを使用することができる
。アクティブ制御の性能は、設定温度が冷媒温度に近づくにつれて、低下する。
低下量は、とりわけ包装の種類やパワー密度に依存する。低下はダイ温度のずれ
の増大で表示される。
【００６２】 ４．変形例 熱交換器は上述した実施例に加えて他の多くの形態を持つ。特に、熱交換器は
ヒータとヒートシンクの両方を同時に持つ必要はない。さらに、熱交換器は熱を
吸収及び／又は供給するデバイスを持つこともできる。熱交換器は、所望の効果
に応じて、複数のヒータを横に並べたり、上下に積み重ねたりするようにしても
よい。
【００６３】 当業者には容易に理解できるところであるが、全システムの機能は様々な技術
により実施することができる。本発明によれば、ここに開示した機能は、ハード
ウェア、ソフトウェア及び／又は両方の組み合わせにより達成することができる
。
【００６４】 アナログ素子、デジタル素子あるいはその組み合わせを使用した電気回路で、
制御、プロセス、インタフェース機能を実施するようにしてもよい。ソフトウェ
アは、Ｃ＋＋のような高レベルのプログラム言語や、中間レベルや低レベルの言
語や、アセンブリ言語や、アプリケーションやデバイスに特有の言語や、ラブビ
ューのようなグラフィック言語を含む適当な言語で書くことができる。そのよう
なソフトウェアはペンティアム（Pentium）のような汎用コンピュータや、アプ
リケーションに特有のハードウェアや、他の適当な装置上で走らすことができる
。論理回路において分離したハードウェア素子を使用するのに加えて、必要な論
理は、アプリケーションに特有な集積回路（ＡＳＩＣ）や他の装置により実行す
るようにしてもよい。
【００６５】 システムはまた、コネクタ、ケーブル等のように当業者に周知の様々なハード
ウェア部品を備えている。さらに、その機能の少なくとも一部を、本発明を達成
するために情報処理装置のプログラムに使用される磁気媒体、磁気−光媒体、光
媒体のようなコンピュータが読取り可能な媒体（コンピュータプログラム製品と
も称す）で具体化するようにしてもよい。この機能はまた、情報や機能の伝達に
使用される送信波形のように、コンピュータで読取り可能な媒体やコンピュータ
プログラム製品で具体化するようにしてもよい。
【００６６】 さらに、本発明は様々な異なる分野、アプリケーション、産業、技術に適用で
きることは当業者には容易である。本発明は温度をモニタしたり制御したりする
必要があるどのようなシステムにも利用できる。これには、半導体の製造、テス
ト、操作に含まれる多くの異なるプロセスやアプリケーションが含まれる。対象
となる温度は、電子デバイスや、流動あるいは静止している空気粒子のような周
囲のものを含むどのような物理的物体の温度でもよい。
【００６７】 本発明の原理、好ましい実施の形態、操作モードは既に記載したが、開示され
た特定の形態は限定的なものではなく説明するためのものであるので、それらに
限定されるものではない。さらに、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
、当業者には種々の変形例が可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 システムの概略図を示している。
【図２】 本発明の一実施形態にかかる液冷媒システムの概略図を示してい
る。
【図３】 ある熱制御チャネル用制御電子部品の高レベルの概略図を示して
いる。
【図４】 設定温度の高速変更特性を使用して、テストデバイスの設定温度
を変更するシステムを示している。
【図５】 プロフィールセットアップスクリーンの１例を示している。
【図６】 ３チャネル熱制御サブシステムを示している。
【図７】 マルチチップモジュール上の複数の熱交換器を示している。
【図８】 温度制御精度−設定値を示すグラフである。
【図９】 ジャンクション温度−設定温度と液体とのΔTを示すグラフであ
る。
【図１０】 任意の導電コーティングあるいは構造を有する熱交換器を示し
ている。
【図１１】 ヘリウム噴射のために取り付けられたソケット装置を示してい
る。
【図１２】 ジャンクション温度と時間を示すグラフである。
【図１３】 テスト制御システムと温度制御システムとＤＵＴの関係を示す
高レベルのブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 トーマス・ピー・ジョーンズ アメリカ合衆国43081オハイオ州ウエスタ ービル、グリーン・メドーズ・ドライブ・ ノース8377番 (72)発明者 ブライアン・アニス アメリカ合衆国43081オハイオ州ウエスタ ービル、グリーン・メドーズ・ドライブ・ ノース8377番 (72)発明者 ジョナサン・イー・ターナー アメリカ合衆国43081オハイオ州ウエスタ ービル、グリーン・メドーズ・ドライブ・ ノース8377番 Ｆターム(参考） 2G003 AC00 AD03 AD04 AG01 AH01 2G132 AB13 AF20 AL21

Claims (38)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 デバイスの温度を制御する装置であって、 デバイスと熱結合されたヒータと、 前記ヒータと熱結合され、液体が流れるチャンバを画成するヒートシンクと、 前記ヒータと前記ヒートシンクとの両方に連結され、ヒータのある部位の温度
    を制御する温度制御システムとを備え、 前記温度制御システムは、ヒータの制御を変化させ、かつ、前記チャンバを流
    れる液体を略一定温度に維持することによりヒータの前記部位の温度を略第１設
    定温度から略第２設定温度へと変化させるようにした温度制御装置。
  2. 【請求項２】 前記チャンバを流れる液体がＨＦＥ７１００である請求項１
    に記載の温度制御装置。
  3. 【請求項３】 前記第１設定温度が、チャンバを流れる液体の略一定の温度
    より少なくとも２５℃高い請求項１に記載の温度制御装置。
  4. 【請求項４】 前記第１設定温度が３５℃以下であり、前記第２設定温度が
    ６５℃以上である請求項１に記載の温度制御装置。
  5. 【請求項５】 前記温度制御システムは、５分以内にヒータの前記部位の温
    度を略第１設定温度から略第２設定温度へと移動させるようにした請求項４に記
    載の温度制御装置。
  6. 【請求項６】 前記ヒータは、デバイスがソケットにあるときに該デバイス
    と熱結合されるようにした請求項１に記載の温度制御装置。
  7. 【請求項７】 前記ヒータが抵抗加熱素子からなる請求項１に記載の温度制
    御装置。
  8. 【請求項８】 前記ヒータが、デバイスの下方に配置され、該デバイスと伝
    熱状態で接触するようにした請求項１に記載の温度制御装置。
  9. 【請求項９】 装置がヘリウムガスをヒータとデバイスとの間の接触領域へ
    と強制的に送り込むようにした請求項８に記載の温度制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記温度制御システムがアナログ回路よりなる請求項１に
    記載の温度制御装置。
  11. 【請求項１１】 チャンバを流れる液体がエチルノナフルオロブチルエーテ
    ルとエチルノナフルオロイソブチルエーテルである請求項１に記載の温度制御装
    置。
  12. 【請求項１２】 デバイスの温度を制御する装置であって、 デバイスと熱結合されたヒータと、 前記ヒータと熱結合され、液体が流れるチャンバを画成するヒートシンクと、 前記ヒータと前記ヒートシンクとの両方に連結され、デバイスの一箇所の温度
    に関する入力を受ける温度制御システムとを備え、 前記温度制御システムは、ヒータの温度を変化させ、かつ、前記チャンバを流
    れる液体を略一定温度に維持することによりデバイスの前記箇所の温度を略第１
    設定温度から略第２設定温度へと移動させるようにした温度制御装置。
  13. 【請求項１３】 前記温度制御システムは、デバイスが自己加熱により温度
    変動を潜在的に伴うことがあっても、デバイスの前記箇所の温度を略第１設定温
    度に維持するようにした請求項１２に記載の温度制御装置。
  14. 【請求項１４】 前記温度制御システムがデバイスの温度を、ヒートシンク
    に流入する液体の温度より少なくとも５０℃以上である略設定温度に維持するよ
    うにした請求項１２に記載の温度制御装置。
  15. 【請求項１５】 温度制御システムが受けるデバイスの温度に関する入力が
    、デバイスのパワープロフィールと、デバイスのパワー消費量と、デバイスの電
    流消費量と、デバイスの温度と、デバイスにおける熱構造体からの情報が含まれ
    ている信号との何れか一つである請求項１２に記載の温度制御装置。
  16. 【請求項１６】 前記温度制御システムは、デバイスが自己加熱により温度
    変動を潜在的に伴うことがあっても、デバイスの前記箇所の温度を略第１設定温
    度の±２０℃以内に制御するようにした請求項１３に記載の温度制御装置。
  17. 【請求項１７】 前記温度制御システムは、デバイスが自己加熱により温度
    変動を潜在的に伴うことがあっても、デバイスの前記箇所の温度を略第１設定温
    度に維持し、前記第１設定温度でのｆmaxを判定するデバイスの試験結果が正確
    なものであるとして信頼できるようにした請求項１３に記載の温度制御装置。
  18. 【請求項１８】 前記温度制御システムがパワー追従法を利用するようにし
    た請求項１３に記載の温度制御装置。
  19. 【請求項１９】 前記温度制御システムは、チャンバに流入する液体の温度
    が前記第１設定温度より少なくとも２５℃低い略一定の温度に維持されている間
    に、デバイスの前記箇所の温度を略第１設定温度に維持するようにした請求項１
    ６に記載の温度制御装置。
  20. 【請求項２０】 デバイスの温度を制御する装置であって、 デバイスと熱結合されたヒータと、 前記ヒータに熱結合され、液体が流れるチャンバを画成するヒートシンクと、 前記ヒータと前記ヒートシンクとの両方に連結され、ヒータの一箇所の温度を
    制御する温度制御システムとを備え、 前記温度制御システムは、ヒートシンクのチャンバにおける液体の温度を変化
    させることによりヒータの前記箇所の温度を略第１設定温度から略第２設定温度
    へと移動させ、また、温度制御装置は両方の設定温度に対してヒートシンクのチ
    ャンバにある共通の液体を利用すると共に、ヒータの制御は、温度制御システム
    がチャンバ内の液体の温度を移動させている間略一定になるようにした温度制御
    装置。
  21. 【請求項２１】 前記温度制御システムはデバイスの温度に関する入力を受
    信し、かつ、前記温度制御システムがデバイスの温度を略第１設定値に維持する
    ようにした請求項２０に記載の温度制御装置。
  22. 【請求項２２】 前記温度制御システムは、デバイスの温度を第１設定温度
    もしくはその近傍に維持すべくヒータを制御し、デバイスが自己加熱により温度
    変動を潜在的に伴うことがあっても、略第２設定温度もしくはその近傍に維持す
    るようにした請求項２０に記載の温度制御装置。
  23. 【請求項２３】 前記第１設定温度は-２５℃よりも低く、前記第２設定温
    度は３５℃よりも高い請求項２２に記載の温度制御装置。
  24. 【請求項２４】 チャンバを流れる液体はＨＦＥ７１００である請求項２３
    に記載の温度制御装置。
  25. 【請求項２５】 デバイスの温度を制御する装置であって、 デバイスと熱結合されたヒータと、 前記ヒータと熱結合された伝熱ユニットと、 前記ヒータと前記伝熱ユニットとの両方に連結され、デバイスの一箇所の温度
    を制御する温度制御システムとを備え、 前記温度制御システムは、ヒータへ供給するパワーを制御すると共に、伝熱ユ
    ニットの表面の温度を制御することにより、デバイスの前記箇所における温度を
    少なくとも５０℃だけ移動させるようにした温度制御装置。
  26. 【請求項２６】 前記伝熱ユニットが液体が流れるチャンバを有し、 前記温度制御システムがチャンバを流れる液体の温度を制御して、この流入す
    る液体と接触する伝熱ユニットの表面の温度を制御するようにした請求項２５に
    記載の温度制御装置。
  27. 【請求項２７】 デバイスの温度を制御する装置であって、 デバイスと熱結合されたヒータと、 前記ヒータと熱結合されたヒートシンクと、 前記ヒータと前記ヒートシンクとの両方に連結され、デバイスの自己加熱があ
    ったとしても、そのデバイスの一箇所の温度を設定温度もしくはその近傍に維持
    するようにした温度制御システムとを備え、 前記温度制御システムは、ヒータの温度を変化させ、ヒートシンクの表面の温
    度を約一定の温度に維持することにより、デバイスの前記箇所の温度を制御する
    ようにした温度制御装置。
  28. 【請求項２８】 テスト中に半導体デバイスの温度を制御する装置であって
    、 テスト中に半導体デバイスと熱結合された熱交換器と、 前記熱交換器と熱結合され、その熱交換器を制御する温度制御システムとを備
    え、該温度制御システムは、テスト中の半導体デバイスが自己加熱により温度変
    動を伴うことがあっても、該半導体デバイスの温度を設定温度もしくはその近傍
    に維持し、前記設定温度は第１の値もしくは少なくとも２５℃低い第２の値に設
    定されるようにした温度制御装置。
  29. 【請求項２９】 前記熱交換器が、ヒートシンクと連結したヒータを備え、
    前記ヒータは半導体デバイスと連結され、また、前記ヒートシンクは、液体が流
    れるチャンバを画成しており、 前記温度制御システムは専らヒータの制御を変えることにより、自己加熱があ
    ったとしても半導体デバイスの温度を設定温度もしくはその近傍に維持し、また
    、前記温度制御システムは専らヒータの制御を変えることで、設定温度を第１設
    定値から第２設定値へと変化させるようにした請求項２８に記載の温度制御装置
    。
  30. 【請求項３０】 前記熱交換器が、ヒートシンクと連結したヒータを備え、
    前記ヒータは半導体デバイスと連結され、また、前記ヒートシンクは、液体が流
    れるチャンバを画成しており、 前記温度制御システムは専らヒータの制御を変えることにより、自己加熱があ
    ったとしても半導体デバイスの温度を設定温度もしくはその近傍に維持し、また
    、前記温度制御システムは、ヒータの制御を変えると共に、チャンバに流入する
    液体の温度をも変えることで、設定温度を第１設定値から第２設定値へと変化さ
    せるようにした請求項２８に記載の温度制御装置。
  31. 【請求項３１】 テスト中の半導体デバイスと熱結合されたヒータと、前記
    ヒータと熱結合され、液体が流れるチャンバを画成するヒートシンクと、前記ヒ
    ータと前記ヒートシンクとの両方に連結された温度制御システムとを備えたシス
    テムに利用される前記半導体デバイスの温度を制御する方法であって、 前記デバイスの温度を略第１設定温度から移動させるステップと、 ヒータの温度を変化させて、チャンバに流入する液体を略一定温度に維持する
    ことにより、前記デバイスの温度を略第１設定温度から略第２設定温度へと移動
    させるステップとからなる温度制御方法。
  32. 【請求項３２】 自己加熱があったとしても半導体デバイスの温度を略第１
    設定値に維持するステップと、 自己加熱があったとしても半導体デバイスの温度を略第２設定値に維持するス
    テップとを更に設け、 半導体デバイスの温度を略第２設定値へ移動させるステップが、チャンバに流
    入する液体の温度を略一定温度に維持しながら、ヒータの温度を少なくとも３０
    ℃だけ変化させることにより行われる請求項３１に記載の温度制御方法。
  33. 【請求項３３】 略第１設定温度において半導体デバイスをテストするステ
    ップと、 略第２設定温度において前記半導体デバイスをテストするステップと、 半導体デバイスを略第１設定温度でテストする前に該半導体デバイスをソケッ
    トに接続すると共に、温度を略第２設定温度へと移動させるまでソケットに接続
    した状態を維持して略第２設定温度にてテストするステップとを更に設け、これ
    ら二回のテストの間、デバイスをソケットから外したり再接続しないようにした
    請求項３１に記載の温度制御方法。
  34. 【請求項３４】 テスト中の半導体デバイスと熱結合されたヒータと、前記
    ヒータと熱結合され、液体が流れるチャンバを画成するヒートシンクと、前記ヒ
    ータと前記ヒートシンクとの両方に連結された温度制御システムとを備えたシス
    テムに利用される前記半導体デバイスの温度を制御する方法であって、 テストのために前記半導体デバイスの温度を略第１設定温度に移動させるステ
    ップと、 ヒートシンクのチャンバに流入する液体の温度を調節することにより、テスト
    に備えて前記半導体デバイスの温度を略第１設定温度から略第２設定温度へと移
    動させるステップとからなり、両設定温度に対して共通の液体を前記チャンバで
    利用すると共に、その液体の温度の調節が略第１設定温度から略第２設定温度へ
    のデバイスの温度の全ての移動をもたらすようにした温度制御方法。
  35. 【請求項３５】 自己加熱があったとしても半導体デバイスの温度を略第１
    設定値に維持するステップと、 自己加熱があったとしても半導体デバイスの温度を略第２設定値に維持するス
    テップとを更に設け、 半導体デバイスの温度を略第２設定値へ移動させるステップが、チャンバに流
    入する液体の温度を３５℃より高い温度から-３０℃より低い温度へと変化させ
    ることにより行われる請求項３４に記載の温度制御方法。
  36. 【請求項３６】 半導体デバイスの温度を制御する装置であって、 半導体デバイスと接触した状態で、かつ、伝熱状態で配置された熱交換器と、 前記熱交換器と連結されて、半導体デバイスが熱交換器と接触しているときに
    熱交換器と半導体デバイスとの間の接触領域にガスを注入するガス噴射備品と、 前記熱交換器と連結され、半導体デバイスの温度に関する入力を受けると共に
    、半導体デバイスの温度を制御する温度制御システムとを備えた温度制御装置。
  37. 【請求項３７】 前記温度制御システムが、前記ガス噴射備品へのガスの流
    れを制御し、前記ガスがヘリウムである請求項３６に記載の温度制御装置。
  38. 【請求項３８】 前記熱交換器がチャンバを有するヒートシンクを備え、 前記チャンバは半導体デバイスと伝熱接触し、かつ、前記チャンバは当該チャ
    ンバを流れる液体を有する請求項３６に記載の温度制御装置。
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