JP2007503127A - Ｉｃモジュールに液体冷媒液滴を噴霧し、放射（輻射）を向ける温度制御システム - Google Patents

Abstract

ＩＣチップの電力消費が変動する間ＩＣチップを設定点温度付近に維持するためのシステムは、シールリング付きの開端を有する容器を含む。容器内に配置されるのは、ＩＣモジュールのＩＣチップを保持する部分に液体冷媒液滴を噴霧するための少なくとも１つのノズルである。液体冷媒のこの噴霧は、シールリングをＩＣモジュールに押し付けながら行われる。さらに、放射源からＩＣモジュールへ電磁放射によるエネルギを通すが、液体冷媒を遮断するように、容器に少なくとも１つの窓が設けられる。

Description

（関連出願）
上記発明は、本願の「発明を実施するための最良の形態」と同じ単一の記載をもって説明される別の発明に関連するものである。前記別の発明は、米国特許出願第１０／６４７，０９０号「準大気圧でＩＣモジュールに液体冷媒液滴を噴霧する温度制御システム」である。両発明についての米国特許出願は２００３年８月２１日に同時に出願された。

本発明は、集積回路チップ（ＩＣチップ）が試験される間、ＩＣチップを一定の設定点温度付近に維持するための温度制御システムに関する。本発明はまた、上記温度制御システムの主要部分を構成するサブアセンブリに関する。

温度を調節されるＩＣチップは一般的に、集積回路モジュールの一部である。ＩＣモジュールにおいて、ＩＣチップは通常基板上に実装され、蓋で被覆される。また、非被覆ＩＣチップを基板上に実装することができる。デジタル論理回路機構またはメモリ回路機構またはアナログ回路機構など、どんな型の回路機構でもＩＣチップに組み込むことができる。さらに、ＩＣチップの回路機構は、電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタなど、どんな型のトランジスタからでも構成することができる。

ＩＣチップを試験している間にＩＣチップの温度を一定に維持することを試みる理由のひとつとして、ＩＣチップの動作速度が温度に依存することがある。例えば、相補形電界効果トランジスタ（ＣＭＯＳトランジスタ）から構成されるＩＣチップは一般的に、ＩＣチップの温度が低下するほど高速で動作する。

特定の型のＩＣチップを大量生産し、その後それらの速度ソートを行い、より高速で動作するＩＣチップをより高い価格で販売することは、ＩＣチップ業界の一般的な慣行である。ＣＭＯＳメモリチップおよびＣＭＯＳマイクロプロセッサチップはこの方法で処理される。しかし、そのようなＩＣチップの速度を適切に決定するために、速度試験が実行される間、各ＩＣチップの温度をほぼ一定に維持しなければならない。

速度試験が実行されている間、ＩＣチップの瞬時電力消費が一定であるか、小さい範囲で変動する場合、ＩＣチップ温度を一定設定点付近に維持することは比較的容易である。その場合、ＩＣチップを固定温度である熱質量に固定熱抵抗を介して結合することが必要なだけである。例えば、ＩＣチップの最大電力変動がわずか１０ワットであり、かつＩＣチップと熱質量との間の熱抵抗が１ワット当たり摂氏０．２度である場合には、ＩＣチップ温度の最大変動はわずか摂氏２度となる。

しかし、速度試験が実行されている間、チップの瞬時電力消費が広い範囲で上下に変動する場合には、ＩＣチップ温度を一定設定点付近に維持することは非常に難しい。ＩＣチップの電力消費が大きく変化するたびに、その温度およびその速度も大きく変化する。

今日のマイクロプロセッサチップの瞬時電力消費は一般的に、ゼロから１００ワット超まで変動する。また、ＩＣチップ業界は、ＩＣチップ上のトランジスタの総数を絶えず増加する傾向にあり、それはＩＣチップの最大電力消費を増大する。さらに、「バーンイン」と呼ばれる一種の試験では、故障の発生を加速するために、ＩＣチップに対する電圧が増大するので、ＩＣチップの電力消費は通常より大きくなる。

先行技術では、ＩＣチップが試験される間、高電力ＩＣチップの温度を設定点付近に維持するための１つの制御システムが、米国特許第５，８２１，５０５号（「ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＡＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥ ＷＨＩＣＨ ＡＣＨＩＥＶＥＳ Ａ ＱＵＩＣＫ ＲＥＳＰＯＮＳＥ ＢＹ
ＩＮＴＥＲＰＯＳＩＮＧ Ａ ＨＥＡＴＥＲ ＢＥＴＷＥＥＮ ＴＨＥ ＤＥＶＩＣＥ
ＡＮＤ Ａ ＨＥＡＴ ＳＩＮＫ」と称する）に開示されている。第５，８２１，５０５号の温度制御システムは平坦な電気ヒータを含み、それは、ＩＣモジュールの対応する表面に押し付けられる１つの表面を有し、かつ液体冷媒を担持する冷却ジャケットに不動に接続された反対側の表面を有する。ＩＣモジュールの対応する表面は、ＩＣチップを被覆する蓋とすることができ、蓋が無い場合にはＩＣチップ自体とすることができる。

第５，８２１，５０５号の温度制御システムにおいて、ＩＣチップを最大速度で冷却するためには、電気ヒータは停止される。次いで、熱は素早くＩＣチップから電気ヒータを介して冷却ジャケットへ移動する。熱がＩＣチップから電気ヒータを介して冷却ジャケットへ移動する速度を低減するためには、電気ヒータは低レベルでオン作動される。熱をＩＣチップに加えるためには、電気ヒータは高いレベルで作動される。

しかし、第５，８２１，５０５号の温度制御システムでは、押し合わされる電気ヒータの表面とＩＣモジュールの対応する表面との間に熱抵抗が存在する。この熱抵抗は、２つの接触面の間の微細な不一致のために発生する。

上記熱抵抗とＩＣチップの電力消費の積は、ＩＣチップを冷却するために電気ヒータが停止されたときに、電気ヒータからＩＣチップに発生する温度の上昇に等しい。この温度上昇は、ＩＣチップを過熱させたり破損させたりすることなく、ＩＣチップに発生し得る最大電力消費を制限する。このように、ＩＣチップを破損することなく許容できる最大電力消費は、熱抵抗の大きさによって限定される。

さらに、第５，８２１，５０５号の温度制御システムでは、電気ヒータは本質的に熱質量を有する。その熱質量が大きければ大きいほど、電気ヒータの温度が変化するのに長い時間がかかる。その結果として、電気ヒータの熱質量は、ＩＣチップの温度を調節できる速度を制限する。

したがって、本書に開示する発明の主たる目的は、上述のような第５，８２１，５０５号の持つ制限を完全に回避する温度制御システム用の全く異なる構造を提供することである。

(発明の概要)
本発明では、ＩＣチップの電力消費が変動する間、ＩＣチップを設定点温度付近に維持するためのシステムは、底およびシールリング付き周囲側面を有する開口容器を含む。容器の底には、ＩＣモジュールのＩＣチップを保持する部分に液体冷媒液滴を噴霧するための少なくとも１つのノズルが配置される。液体冷媒のこの噴霧は、シールリングがＩＣモジュールに押し当てられている間に発生する。さらに、電磁放射によるエネルギを電気源からＩＣモジュールへ通すように、少なくとも１つの窓が容器の底に設けられる。しかし、各窓は、液体冷媒がそこを通して逃げることができないように構成される。

冷媒の各液滴がＩＣモジュールに当たると、ＩＣモジュールから直接冷媒液滴に熱が伝
達される。ＩＣモジュールから冷媒液滴への熱抵抗は非常に小さい。したがって、第５，８２１，５０５号の温度調節システムで発生する熱抵抗の限界は、完全に回避される。

ＩＣチップの温度は、フィードバック制御ループ内の制御信号発生器によって、自動的に設定点温度に維持される。ＩＣモジュールから熱を除去するために、制御信号発生器は第１制御信号を各ノズルに送り、選択可能な量の液体冷媒液滴をＩＣモジュールに噴霧させる。ＩＣモジュールに熱を加えるために、制御信号発生器は、放射源から各窓を通してＩＣモジュールに対する放射線を放出させる第２制御信号を放射源に送る。

ある実施形態では、数百個の気泡噴出ノズルおよび数百個の小さい窓がアレイ状に交互配列される。この実施形態の場合、容器の底は、放射源からの放射に実質的に透明な薄い平坦な基板から構成される。全てのノズルは基板の表面上に組み込まれ、窓は、制御信号用の導体および液体冷媒用の流路のいずれも通らないノズルの間に存する基板の部分によって画定される。

別の実施形態では、数百個の気泡噴出ノズルは密集して配置され、数個の大きい窓によって包囲される。さらに別の実施形態では、単一のエアゾール噴霧ノズルが数個の大きい窓によって包囲される。これらの実施形態の場合、窓は基板を貫通する開口通路から構成され、放射源からの放射は光学部品によって通路を通してノズルから離れるように方向付けられる。この構造により、ノズルまたはそれらの動作を損傷することなく、ＩＣモジュールに照射することのできる最大電力レベルが増大する。

(詳細な説明)
本発明を組み込んだ１つの好適な温度調節システムについて、今、図１、２、３Ａ〜３Ｄ、４、および５Ａ〜５Ｂを参照しながら説明する。この温度調節システムの概略を図１に示す。

図１で、温度調節システムは、項目１０を除き、図示された全てのものから構成される。項目１０は、温度調節システムがその上で動作するＩＣモジュール（集積回路モジュール）である。このＩＣモジュール１０は部品１０ａ〜１０ｇを含み、その各々について下の表１に記載する。

動作中、図１の温度調節システムは、ＩＣチップ１０ａが消失する電力がＴＥＳＴ信号に応答して変動する間、ＩＣチップ１０ａの温度をほぼ設定点温度に維持する。この動作を実現するために、図１の温度調節システムは部品２０〜３４を含み、その各々について下の表２に記載する。

今、表２の全ての部品がＩＣパッケージ１０と相互作用する方法について説明する。最初に、試験される１つの特定のＩＣパッケージ１０は、図１に示すように、シールリング
２１に押し付けられる。次いでオペレータは、制御入力３４を介して特定の設定点温度を手動で選択し、かつ制御入力２５を介して特定の大気圧以下の圧力を選択する。その後、弁２２ｂが開放される。次いで、容器２０の内部が選択された大気圧以下の圧力に達した後、電力ＰＷＲおよび電気試験信号ＴＥＳＴが、外部供給源（図示せず）から導体１０ｃおよび１０ｄに印加される。しかし、シールリング２１からの漏れのため、容器２０の内部が選択された大気圧以下の圧力に到達することができないことを計器２５ａが示す場合には、図１のシステムは停止され、是正処置が講じられる。これはＩＣモジュール１０の破損を回避する。

ＴＥＳＴ信号が１つの状態から別の状態に変化する場合はいつでも、ＩＣチップ１０ａによって消費される電力の量も変化する。したがって、ＩＣチップ１０ａの温度は変動する傾向にある。しかし、ＩＣチップ１０ａの温度はＴＥＭＰ信号を介して制御信号発生器３３によって監視される。また、制御信号ＣＳ１およびＣＳ２を適切に生成することにより、制御信号発生器３３はＩＣチップ１０ａの温度を設定点温度付近に維持することができる。

ＩＣチップ１０ａから熱を除去するために、制御信号発生器３３は、制御信号ＣＳ１をノズル３０の選択可能な部分集合に送る。制御信号ＣＳ１を受け取った各ノズルは、一滴の液体をＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆに噴出する。四滴の噴出液体が図１に文字「Ｌ」によって示される。

噴出された液体液滴ＬがＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆに衝突したときに、熱が蓋１０ｆから液滴Ｌに迅速に伝えられ、液滴は気化する。図１で、気化した液滴は文字「Ｖ」によって示される。

気化した液滴は全て、真空ポートＰを介して容器２０から除去される。これらのポートから、気化した液滴は導管２２を介して凝縮器／熱交換器２３へ移動する。

凝縮器／熱交換器２３で、熱は気化した液滴から除去され、それは液体に戻る。次いで、凝縮器／熱交換器２３からの液体は真空ポンプ２４を通してリザーバ２６に進む。リザーバ２６から、液体は液体ポンプ２７、圧力調整器２８、および導管２９を通して容器２０の底２０ａの内部流路に進む。

ＩＣチップ１０ａに熱を加えるために、制御信号発生器３３は制御信号ＣＳ２をＩＲ源３２に送る。応答して、ＩＲ源３２は、それがＣＳ２信号を受け取る限り、赤外放射を放出する。その赤外放射はＩＲ窓３１を通過し、ＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆに衝突する。図１において、赤外放射はＩＲアドレス３１からの破線で示される。

次に、図２を参照しながら、容器２０の底２０ａにあるノズル３０およびＩＲ窓３１に関して追加的詳細を説明する。図２は、ノズル３０およびＩＲ窓３１が行および列および行のアレイ状に交互配置されることを示す。図２には、３行および４列しか示す余地が無いが、実際のアレイは任意の数の行および列を持つことができる。

図２の各ノズル３０は、容器２０の底２０ａに存する内部流路から液体冷媒を受け取る。その内部流路は図１で導管２９に結合される。

図２の各ノズル３０はまた、図１の制御信号発生器３３から別個の制御信号ＲｉＣｊをも受け取る。ここで「ｉ」および「ｊ」は、インデックス１、２、３等である。制御信号ＲｉＣｊは、図２のアレイのｉ番目の行およびｊ番目の列のノズル３０に送られる。制御信号ＲｉＣｊを全部合わせて図１の制御信号ＣＳ１が構成される。

各制御信号ＲｉＣｊは、予め定められた幅の電圧パルス（または電流パルス）である。このパルスがノズル３０によって受け取られると、ノズルはそのオリフィス３０ａから一滴の液体冷媒を噴出する。ＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆに対して噴出される液体冷媒の総量は、同時に送られる制御信号ＲｉＣｊの個数を増加することによって、かつ／または制御信号の繰返し率を増加することによって、増加される。

図２のアレイの全てノズル３０のみならず、制御信号ＲｉＣｊを搬送する全ての導体、および液体冷媒を運ぶ全ての流路も同様に、平坦な基板（図示せず）の表面上に組み込まれる。ＩＲ源３２は平坦な基板の反対側の表面に取り付けられる。その基板は、基本的にＩＲ源３２からの放射を透過するガラスのような材料から作られる。ＩＲ窓３１は、制御信号ＲｉＣｊ用の導体および液体冷媒用の内部流路がまったく通らない、ノズル３０の間に存する基板の部分によって画定される。

今、図３Ａ〜３Ｄを参照しながら、ＩＣチップによる電力消費が変動する間に、信号発生器３３が図２のノズル３０およびＩＲ窓３１をいかに使用して、ＩＣチップ１０ａの温度をほぼ設定点付近に維持するかを示す、一例について説明する。図３Ａ〜３Ｄの各々に、ノズル３０およびＩＲ窓３１の１つの完全なアレイを示す。また、冷媒の液滴を噴射する各々の特定のノズル３０は円内の文字によって示される一方、冷媒液滴を噴射しない各ノズル３０は円無しの文字Ｃによって示される。同様に、赤外放射としてエネルギを通す各々の特定のＩＲ窓３１は、円内の文字「Ｈ」によって示される一方、エネルギを通さない各ＩＲ窓３１は、円無しの文字Ｈによって示される。

今、図１の温度調節システムにおけるＩＣチップ１０ａは、１００ワットの電力を消費していると仮定する。その場合、ＩＣチップ１０ａの温度を一定に維持するために、ノズル３０から噴射される液体冷媒の量は、毎秒１００ジュールの熱をＩＣチップ１０ａから除去しなければならない。これは、円内のＣで示されたノズルの部分集合から予め定められた速度で冷媒液滴を噴射することによって達成されることが、図３Ａに示される。

次に、ＩＣチップ１０ａが消費している電力が１００ワットから２００ワットに増加すると仮定する。その場合、ＩＣチップ１０ａの温度を一定に維持するために、ノズル３０から噴出される液体冷媒の量は、ＩＣチップ１０ａから毎秒２００ジュールの熱を除去しなければならない。これは、図３Ａに示したものを超える冷媒液滴を噴射し、噴出速度を一定に維持するノズル３０の数を倍にすることによって達成されることが、図３Ｂに示される。

次に、ＩＣチップ１０ａが消費している電力が０ワットに減少すると仮定する。その場合、ＩＣチップ１０ａの温度を一定に維持するために、各ノズル３０からの液体冷媒の噴出は停止しなければならず、かつＩＣチップ１０ａが（基板１０ｂに冷却を行うことなどによって）失う全ての熱は、ＩＲ窓３１を通した赤外放射によって補わなければならない。これは、図３Ｃで達成されることが示される。そこで、ＩＣチップ１０ａに加えられる熱の量は、ＩＲ源３２への制御信号ＣＳ２のＯＮ対ＯＦＦ比を増加（または減少）することによって増加（または減少）される。

制御信号ＣＳ２のＯＮ／ＯＦＦ比は、固定周波数の一連のパルスとしてＣＳ２信号を発生し、各パルスの幅を変動させることによって変動することができる。代替的に、各パルスの幅を固定することができ、パルス周波数を変動させることができる。また、ＩＲ源３２は、ＣＳ２信号のパルスに応答してそれが放射を放出することを可能にする任意の内部構造を持つことができる。例えばＩＲ源３２は、常時ＯＮである石英ランプを含み、さらに、ＣＳ２パルスが存在するときにだけ開くシャッタを含むことができる。

次に、ＩＣチップ１０ａが消費している電力が３００ワットに増加すると仮定する。その場合、ＩＣチップ１０ａの温度を一定に維持するために、ノズル３０から噴出される液体冷媒の量は、ＩＣチップ１０ａから毎秒３００ジュールの熱を除去しなければならない。これは、噴出速度を一定に維持しながら、図３Ａおよび図３Ｂで冷却材を噴出するノズルの組合せに等しい多数のノズル３０から、冷媒液滴を噴出することによって達成されることが図３Ｄに示される。

今、図４を参照しながら、図２のノズル３０およびＩＲ窓３１のアレイの構造に関して、多少の追加的詳細を提供する。図４において、方程式１は、図２のノズル３０の１つから噴出される液体冷媒の一滴の体積が、１つの特定的な実施例として、１０ピコリットルであることを示す。液体冷媒が水である場合、この体積は１０ナノグラムの重量を有する。

図４の方程式４は、方程式１の一滴の水によって図１のＩＣチップ１０ａから除去できる熱の量ΔＱを計算する。その計算の結果はΔＱであり、概算で一滴当たり２０マイクロジュールに等しい。方程式２で、ΔＴは水滴が気化するときの温度と、それがノズル３０から噴射されるときのその初期温度との間の差であり、Ｃｐは水の比熱である。また、方程式２で、１グラム当たり２２６０ジュールの項は、水の気化熱である。気化熱は項（ΔＴ）（Ｃｐ）より著しく大きく、したがって大まかな概算として、項（ΔＴ）（Ｃｐ）は無視することができる。

今、ＩＣチップ１０ａから熱を除去する必要のある最大速度が、毎秒４００ジュールであると想定する。その場合、図４の方程式３は、方程式２からの一滴当たりの熱、図２の配列のノズル３１の総数、およびパルスが制御信号ＲｉＣｊを介していずれかのノズル３０に送られる周波数に関する要件を表わす。

制御信号ＲｉＣｊのパルスの１つの特定の周波数は１０ＫＨｚである。これは、方程式４によって明記される。その場合、１０ＫＨｚを方程式３に代入し、アレイ内のノズル３０の総数について解くと、２０００の結果を生じる。

今、ＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆが、熱伝達に利用可能な一辺１インチの方形の面積を有すると仮定する。そのような蓋の場合、２０００個のノズル３０は、４５行および一行当たり４５個のノズルを有する方形のアレイに作製することができる。これは方程式５によって明記される。

４５個のノズル３０が各行に等間隔で配置される場合、これらのノズル３０の中心間距離は５６０マイクロメートルである。これは方程式６によって導出される。

今日のインクジェットプリンタにおける単一のノズルは、５０×１００マイクロメートル未満の面積を占める。この面積は方程式７に明記される。そのようなノズルは、間隔が５６０マイクロメートルである図２のアレイに容易に適合する。

また、図２のアレイには、一行における２つの連続するノズル３０の間に１つのＩＲ窓３１のための余地が無ければならない。各ＩＲ窓３１は、放射を通すために赤外放射の波長より大きくすることが唯一必要があり、赤外放射の波長は１ないし１０マイクロメートルの範囲である。したがて、２０×２０マイクロメートルの大きいＩＲ窓３１は、方程式７によって示されるように、５６０マイクロメートルだけ間隔をおいて配置されたノズル３０の間に容易に収まる。

次の図５Ａ〜５Ｂに目を向けながら、図１のシステムによって得られる３つの特定の利点について説明する。図５Ａで、参照番号４０は、ノズル３０の１つによって蓋１０ｆの一部分に対して噴出された単一の液滴を識別する。

液滴４０が蓋１０ｆに当てられる間に、気化熱は蓋１０ｆから液滴４０に伝達される。その熱伝達は、液滴が温度Ｔ_Ｖである間に発生し、それはＴ_ＩＣとＴ_Ｖとの間の差が増加すると減少する期間Δｔ内に発生する。ここで、Ｔ_ＩＣはＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆの表面温度であり、Ｔ_Ｖは液滴４０が液体から蒸気に変化するときの温度である。

容器２０の内部を大気圧以下の圧力に維持することによって、温度Ｔｖは低減される。これは差Ｔ_ＩＣ−Ｔ_Ｖを増大させ、したがって、各液滴に流入する熱流束ΔＱ／Δｔは、容器２０内の圧力が大気圧以上であった場合に発生する値から増大する。

図５Ｂで、参照番号４０^＊は、気化した後の図５Ａからの液滴４０を識別する。気化される毎秒の液滴総数と液滴当たりの気化熱の積が、ＩＣチップ１０ａが消費する電力より大きい場合には、ＩＣチップ１０ａの温度は低減される。しかし、ＩＣチップ１０ａが低減できる最小温度は、液滴４０が気化する温度よりわずかに高いだけである。したがって、図１のシステムにおいて、ＩＣチップ１０ｃを維持できる最低温度は、容器２０内の圧力が大気圧以上であった場合に発生する値より低い。

好ましくは、容器２０内の大気圧以下の圧力は、基本的に各ノズルから噴出される各液体冷媒液滴が、ＩＣモジュールに衝突するやいなや急速に気化するポイントに維持される。また、好ましくは、容器２０内の大気圧以下の圧力は、液体冷媒の沸点が大気圧での沸点より少なくとも１０℃低くなるポイントに維持される。

さらに図１のシステムにおいて、真空ポンプ２４によって生成される大気圧以下の圧力は、シールリング２１を（容器２０および導管２２も同様に）漏れに強くする。シールリング２１とＩＣモジュール１０の蓋１０ｆとの間に漏れが発生した場合、空気は容器２０内に吸い込まれるが、空気がシステムからパージされることはない。比較として、真空ポンプ２４が除去され、容器２０内部の圧力が正圧であった場合、液体冷媒はシールリング２１と蓋１０ｆとの間の漏れから噴出し、それは基板１０ｂ上の導体１０ｃ、１０ｄ、および１０ｅの間の電気的短絡を引き起こし得る。

図１〜５Ｂのシステムで１つの特定のＩＣモジュール１０を試験した後、そのＩＣモジュールは取り出され、別のＩＣモジュールと交換され、次いでそれが試験される。このシーケンスは、希望に応じて何回も繰り返される。各ＩＣモジュールの取外しを助けるために、隔離弁２２ｂは閉じられ、次いで圧力逃がし弁２２ａが開かれる。これは、ＩＣモジュール１０がシールリング２１から分離される前に、容器２０の内部を急速に大気圧に戻すことを可能にする。

本発明を組み込んだ温度調節システムの１つの好適な実施形態について今、詳細に説明した。次に、図６を参照しながら、第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、図6に示すノズル３０およびＩＲ窓３１のアレイが前に説明した図２のアレイに取って代って代ることを除き、図１〜５Ｂの実施形態と同一である。

図６および図２のアレイ間の相違は、図６では単一の制御信号ＡＬＬＲＣが全てのノズル３０に送られる一方、図２では別個の制御信号ＲｉＣｊが各ノズルに送られたことである。したがって、図６では、信号ＡＬＬＲＣを搬送する導体は、信号ＲｉＣｊを搬送する図２の導体より、かなり少ない空間を占める。

図６の変形アレイにより、全てのノズル３０は、制御信号ＡＬＬＲＣの各パルスに応答して一滴の冷媒を噴出する。ＩＣチップ１０ａから除去される毎秒の熱量を増加（または減少）するために、制御信号ＡＬＬＲＣのパルスの周波数は増加（または減少）される。任意の時刻における特定の周波数は、制御信号ＣＳ１を信号ＡＬＬＲＣとして生成する図１の制御信号発生器３３によって選択される。

ＴＥＭＰ信号によって示されるＩＣチップ１０ａの温度が,設定点温度に等しい場合には、制御信号発生器３３は、ＡＬＬＲＣ信号のパルスの周波数をその現行レートで一定に維持に保持する。ＩＣチップ１０ａの温度が設定点より高く増加し始めた場合には、制御信号発生器３３は、ＡＬＬＲＣ信号のパルスの周波数を増加する。逆に、ＩＣチップ１０ａの温度が設定点より低く低下し始めた場合には、制御信号発生器３３は、ＡＬＬＲＣ信号のパルスの周波数を低下する。ＡＬＬＲＣ信号のパルスの周波数がゼロまで低下すると、制御信号発生器３３は、図３Ｃに関連して前述した通り、制御信号ＣＳ２をＩＲ源３２に送ることによって、ＩＣチップ１０ａに熱を加える。

次に、図７Ａ〜７Ｃを参照しながら、本発明を組み込んだ温度調節システムの第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、図７Ａ〜７Ｃに示すノズル３０およびＩＲ窓３１’のアレイが前述した図２のアレイに取って代ることを除き、図１〜５Ｂの実施形態と同一である。

図２と図７Ａ〜７Ｃのアレイ間の１つの相違は、図７Ａ〜７Ｃではノズル３０が密集して配置され、かつ４つの拡大ＩＲ窓３１’によって包囲される一方、図２では、ノズル３０およびＩＲ窓３１が交互配置されることである。また、図７Ａ〜７Ｃのアレイでは、単一の制御信号ＡＬＬＲＣが、図６のＡＬＬＲＣ制御信号とまったく同様に、全てのノズル３０に送られる。

図７Ａ〜７Ｃに示すようにＩＲ窓３１’をノズル３０から分離することにより、ＩＲ源３２からの全ての放射は、光学部品によってＩＲ窓３１’を通してノズル３０のクラスタから離れる方向に向けることができる。したがって、図７Ａ〜７Ｃのアレイでは、ノズル３０またはそれらの動作を損傷することなく、ＩＲ源３２によって照射することのできる最大電力レベルは、図２のアレイより増大する。

図７Ｃは、ＩＲ源３２によって放出される放射をノズル３０の周りに方向付ける光学部品を含む、容器２０の底２０ａ用の１つの特定の構造を示す。図７Ｃの部品５１はピラミッド形ミラーである。ＩＲ源３２からの放射は、ミラー５１によって、相互に垂直な４つのビームに偏向される。これらのビームのうちの２つが図７Ｃに破線で示され、他の２つのビーム（図示せず）は、図７Ｃの面に対して垂直である。

図７Ｃの部品５２および５３は一緒に、ミラー５１からの放射が進む４つの中空通路５４を形成する。各通路５４は、放射を通路の開端５４ａに方向付ける反射性側壁を有する。

図７Ｃの部品５５は平坦な基板である。図７Ｂに示すノズル３０のアレイは、基板５５の頂面上に作製され、部品５２および５３はその後接着剤により基板５５の底面に取り付けられる。４つの穴５５ａは、通路５４の開端５４ａと整列して基板５５を貫通して延びる。

基板５５の全ての穴５５ａは、それぞれのレンズ５６によって覆われる。各レンズ５６は、それが受け取った放射をＩＣチップ１０ａが保持されたノズル３０のアレイ上の領域に拡散するように形作られる。代替的に、全ての穴５５ａは、放射を通す材料で栓をし、
各穴付近にミラーを配置して、ＩＣチップ１０ａが保持される領域に放射を方向付けることができる。

次に、図８Ａおよび８Ｂに関連して、本発明を組み込んだ温度調節システムの第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、図８Ａに示すように４つの拡大ＩＲ窓３１’によって包囲された単一のエアロゾル噴霧ノズル６１が、図２に示されたノズル３０およびＩＲ窓３１のアレイに取って代ることを除き、図１〜５Ｂの実施形態と同じである。

エアロゾル噴霧ノズル６１は、図１の導管２９から液体冷媒を受け取り、制御信号ＣＳ１が「ＯＮ」状態である限り、液体冷媒の多数の液滴を連続的に噴射する。これらの冷媒液滴は、図１でシールリング２１に押し付けられたＩＣパッケージ１０に円錐形のパターンを噴出する。

制御信号発生器３３は、固定周波数で生じる一連のパルスとして制御信号ＣＳ１を生成することが好ましい。ＩＣチップ１０ａから毎秒除去される熱の量を増加（または減少）するために、制御信号ＣＳ１のパルスの幅が増加（または減少）される。任意の時刻における特定のパルス幅は、制御信号発生器３３によって選択される。

代替的に制御信号発生器３３は、固定パルス幅を有する一連のパルスとして制御信号ＣＳ１を生成する。ＩＣチップ１０ａから毎秒除去される熱の量を増加（または減少）するために、制御信号ＣＳ１のパルスの周波数が増加（または減少）される。任意の時刻における特定の周波数は、制御信号発生器３３によって選択される。

ＩＲ源３３によって放出される放射をエアロゾル噴霧ノズル６１から離れる方向に向けるために、１つの変形を施してノズル３０のアレイがエアロゾルノズル６１に置き換えられた、図７Ｃの前述の構造を使用することができる。代替的に、図８Ｂに示される構造を使用することができる。

図８Ｂで、図７Ｃの基板５５および４つのレンズ５６は維持される。また、レンズ５６と整列する別個のＩＲ源３２が、基板５５の４つの穴５５ａの各々に設けられる。制御信号ＣＳ２は４つのＩＲ源３２の全部に送られる。

次に、図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態のいずれかに施すことのできる変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、図１は、容器２０の側壁２０ｂがシールリング２１をＩＣパッケージ１０の蓋１０ｆに押し付けることを示している。しかし、変形として、側壁２０ｂはシールリング２１をＩＣパッケージ１０ａに直接押し付けることができる。

上記変形の一例を図９に示す。そこで、ＩＣパッケージ１０’は、蓋１０ｆおよびサーマルインタフェース材料１０ｇが除去されていることを除き、図１のＩＣパッケージ１０と同じである。また、図９では、容器２０の底２０ａが図８Ａ〜８Bに関連して前述した構造を持つように図示されている。代替的に、容器２０の底２０ａは、図２、または図６、または図７Ａ〜７Ｂに関連して前述した構造を持つことができる。

次に、図７Ａ〜７Ｃの実施形態に施すことのできる変形について説明する。その実施形態について、図７Ｂは、全てのノズル３０が単一の制御信号ＡＬＬＲＣに応答して一滴の液体冷媒を噴出することを示している。しかし、変形として、図７Ｂのノズル３０の各々に、図２に示すように別個の制御信号ＲｉＣｊを送ることができる。

次に、図８Ａ〜８Ｂの実施形態に施すことのできる変形について説明する。図８Ａおよ
び８Ｂの各々に、単一のエアロゾル噴霧ノズル６１しか示されていない。しかし、変形として、２つ（またはそれ以上）のエアロゾル噴霧ノズル６１を、基板５５によってレンズ５６間に保持することができる。また、全てのエアロゾル噴霧ノズル６１に同一の制御信号を送って、それらの全てを作動させることができ、あるいはエアロゾル噴霧ノズル６１に別個の制御信号を送ることができる。

次に、図１〜５Ｂ、図６、または図７Ａ〜７Ｃの実施形態のいずれかに施すことのできる変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、ノズル３０は、コンピュータ用のプリンタにあるような気泡噴出ノズルとして描かれている。気泡噴出ノズルは、液滴を電気抵抗により加熱することによってそれを噴出する。しかし、変形として、各ノズル３０は、液滴をオリフィスから押し出すことによって液滴を噴出する圧電素子とすることができる。そのような圧電素子は現在、デジタルコンピュータ用のエプソンプリンタで使用されている。

次に、図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態のいずれかに施すことのできる変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、図１は容器２０の底２０ａにＩＲ源３２を含む。しかし、ある特定の型のＩＣチップ１０ａを試験するときに、ＩＣチップの電力消費は決してゼロに達しない。したがって、これらの型のＩＣチップ１０ａを試験するには、ＩＲ源３２およびＩＲ窓３１〜３１’を図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態から除去することができる。

次に、同じく図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態のいずれかに施すことのできる別の変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、図１は、容器２０の内部を大気圧以下の圧力に維持する真空ポンプ２３を含む。それは次に、ＩＣチップ１０ａを維持することのできる最小温度を低減し、かつ図５Ａ〜５Ｂに関連して前述したように各液滴が気化する速度を高める。

しかし、ＩＣチップ１０ａにある特定の型の試験が実行される場合、設定点温度が非常に高いので、容器２０の内部に大気圧以下の圧力は必要無い。したがって、これらの試験を実行するには、図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態から真空ポンプ２４を除去することができる。その場合、容器２０内の気化された液滴は、液体ポンプ２７および蒸気自体によって生み出される正圧下で、導管２２および凝縮器／熱交換器２３を通過する。

次に、図４の方程式１〜７によって示される計算に施すことのできる変形について説明する。そこで、制御信号ＲｉＣｊのパルスは方程式４によって設定され、毎秒１万パルスの周波数で発生する。しかし、それは単なる１つの特定の実施例にすぎない。方程式４によって設定することのできる周波数の実用的な範囲は、５００Ｈｚないし５００ＫＨｚである。

次に、図１、２、３Ａ〜３Ｄ、６、７Ａ、７Ｃ、８Ａ、８Ｃ、および９に示されたＩＲ窓３１および３１’に施すことのできる変形について説明する。これらの窓は、ＩＲ源３２からの赤外放射を容器２０内およびＩＣモジュール１０上へ通す。しかし、変形として、ＩＲ源３２は、赤外帯域以外の周波数帯域の電磁エネルギを放射する（レーザのような）代替源に置換することができる。その場合、ＩＲ窓３１および３１’は、代替源が放射するエネルギを通すように変形される。

次に、図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態のいずれかに施すことのできる変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、図１は、単一の容器２０だけが導管２２によって凝縮器／熱交換器２３に接続されていることを示す
。しかし、変形として、複数個の容器２０が、１つの導管によって凝縮器／熱交換器２２に接続されたそれらの真空ポートＰを持つことができる。その場合、圧力調整器２８の出力は別の導管によって、各容器２０の底２０ｃにある液体冷媒用の内部流路に接続される。

上記変形が施された場合、図１または図８のいずれかに示すように、各容器２０は別個のＩＣモジュール１０を保持する。また、制御信号発生器３３は、各ＩＣモジュールからの別個のＴＥＭＰ信号に応答して、各ＩＣモジュール１０のために別個の制御信号ＣＳ１およびＣＳ２を同時に発生する。

次に、同じく図１〜５Ｂ、図６、図７Ａ〜７Ｃ、および図８Ａ〜８Ｂの実施形態のいずれかに施すことのできる別の変形について説明する。これらの実施形態の全てについて、図１の記述は、設定点温度がＩＣチップの試験の開始時に選択され、試験中ずっと一定に維持されることを示した。しかし、変形として、設定点温度は、ＩＣチップの試験中いつでも制御入力３４によって変更することができる。

ＩＣチップが試験されている間に、設定点温度が変更される場合、温度制御システムの上記実施形態の各々が非常に迅速に応答して、ＩＣチップの温度を新しい設定点に変更する。冷却材の液滴によってＩＣチップから除去される熱の量、およびＩＲ窓を通してＩＣチップに加えられる熱の量が、図３Ａ〜３Ｄおよび図５Ａ〜５Ｂに関連して前述した通り、迅速に増加または減少することができるので、この迅速な応答が発生する。

次に、図８Ａ〜８Ｂの温度調節システムに施すことのできる変形について説明する。その実施形態では、制御信号ＣＳ１はエアロゾル噴霧ノズル６１に送られ、それによりＩＣモジュール１０に噴霧される液体冷媒の量が増加または減少される。しかし、変形として、制御信号ＣＳ１は図１の圧力調整器２８に送ることができる。その場合、圧力調整器２８は、制御信号ＣＳ１に応答して、それが液体冷媒をエアロゾル噴霧ノズルに送る圧力を増加または減少するように構成される。

本発明の多くの実施形態およびこれらの実施形態の多くの修正例を、ここまで、詳細に説明してきた。したがって、本発明はいずれかの特定の実施形態のみに限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって定義されることは言うまでもないことである。

本発明を組み込んだ温度調節システムの第１の実施形態の概略を示す図である。 図１のシステムにおける、液体冷媒の液滴を噴霧するノズルおよび放射線を透過するＩＲ窓のアレイをさらに詳細に示す図である。 図２のアレイによって送られる冷媒液滴および放射線の数パターンを示す図である。 図２のアレイによって送られる冷媒液滴および放射線の数パターンを示す図である。 図２のアレイによって送られる冷媒液滴および放射線の数パターンを示す図である。 図２のアレイによって送られる冷媒液滴および放射線の数パターンを示す図である。 図２のアレイの具体的な実施例の数値の詳細を含む数式のセットを示す図である。 図１の温度調節システムにより得られる、ある特有の利点を示す図である。 図１の温度調節システムにより得られる、別の特有の利点を示す図である。 図１の温度制御システムにおける図２のアレイと置き換えることのできるノズルおよびＩＲ窓の代替アレイを示す図である。 図１の温度制御システムにおける図２のアレイと置き換えることのできるノズルおよびＩＲ窓の第２の代替アレイを示す図である。 図７Ａのアレイの追加的詳細を示す図である。 図７Ａのアレイのさらなる詳細を示す図である。 図１の温度制御システムにおける図２のアレイと置き換えることのできるノズルおよびＩＲ窓の第３の代替アレイを示す図である。 図８Ａのアレイをさらに詳細に示す図である。 図８Ａ〜８Ｂの代替アレイを組み込み、かつ基板上に実装されたベアＩＣチップ上で動作する図１の温度制御システムを示す図である。

Claims (14)

1. ＩＣモジュールの電力消費が変動する間、前記ＩＣモジュールをほぼ設定点温度付近に維持するシステムであって、
   前記ＩＣモジュールに押し付けるためのシール付き開端を有する容器と、
   前記シールが前記ＩＣモジュールに押し付けられているときに、液体冷媒を前記ＩＣモジュールに噴霧する、前記容器内の少なくとも１つのノズルと、
   前記シールが前記ＩＣモジュールに押し付けられているときに、ＩＣモジュールへ電磁放射を送るための、前記容器内の少なくとも１つの窓と、
   を備えたシステム。
2. ａ）前記ＩＣモジュールの感知温度を表わすセンサ信号を受け取り、ｂ）前記感知温度が前記設定点を越える場合には、前記液体冷媒を前記ノズルを介して前記ＩＣモジュールへ送る第１制御信号を発生し、かつｃ）前記設定点が前記感知温度を超える場合には、前記放射を前記窓を介して前記ＩＣモジュールへ送る第２制御信号を発生する閉ループ制御手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記閉ループ制御手段は、前記設定点と前記感知温度との間の差が増加するにつれて増加するＯＮ−ＯＦＦ比で前記第２制御信号を発生する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ノズルは前記容器内の相隔たる位置に複製され、かつ前記窓は前記相隔たる位置の間に複製される、請求項２に記載のシステム。
5. 前記窓は赤外放射を透過するが、前記冷媒を液体状態および気体状態の両方とも遮断する、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ノズルは前記容器内の相隔たる位置に複製され、かつ各ノズルは前記第１制御信号を受け取ったときに前記液体冷媒を一滴だけ噴出する、請求項２に記載のシステム
7. 前記閉ループ制御手段は、前記感知温度と前記設定点との間の差が増加するにつれて増加する周波数で、前記ノズルの全てに同時に前記第１制御信号を送る、請求項６に記載のシステム。
8. 前記閉ループ制御手段は前記ノズルの部分集合に同時に前記第１制御信号を送り、前記感知温度と前記設定点との間の差が増加するにつれて、前記部分集合のノズルの数が増加する、請求項６に記載のシステム。
9. 各ノズルは、前記冷媒を圧電素子により押し出すことによって前記液滴を噴出する、請求項６に記載のシステム。
10. 各ノズルは、前記冷媒を電気ヒータで加熱することによって前記液滴を噴出する、請求項６に記載のシステム。
11. 各ノズルは、前記第１制御信号を受け取ったときに前記液体冷媒を複数滴噴霧する、請求項２に記載のシステム。
12. 前記閉ループ制御手段は、前記感知温度と前記設定点との間の差が増加するにつれて増加するＯＮ−ＯＦＦ比で前記第１制御信号を発生する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記シールは、ＩＣチップを密閉する前記ＩＣモジュールの表面を取り囲むように形作
    られる、請求項２に記載のシステム。
14. 前記シールは、前記ＩＣモジュール内のＩＣチップの露出表面を取り囲むように形作られる、請求項２に記載のシステム。
    

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