JP2018087647A - 熱電素子を用いた冷却装置、冷却方法及び半導体検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、短時間で目標とする低温に到達しその温度を維持できる冷却装置を提供すること。
【解決手段】内部に断熱空間を有する断熱部材と、断熱部材に取り付けられ、断熱部材の断熱空間に放熱側、断熱部材の外に吸熱側が配された熱電素子と、断熱部材に取り付けられ、断熱部材の断熱空間に冷却側、断熱部材の外に放熱側が配された一又は複数の冷却素子と、を備え、熱電素子の吸熱側の吸熱面が冷却される。吸熱面の温度を測定する温度センサと、吸熱面の温度が目標の温度となるように熱電素子と一又は複数の冷却素子とのうちの少なくとも一つの電流又は／及び電圧を制御する制御部とを備えることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電素子を用いた冷却装置、冷却方法及び半導体検査装置に関する。

熱電素子としてペルチェ素子を用いた冷却装置としては、例えば、特許文献１に、第１のペルチェユニットと第２のペルチェユニットと熱交換器とを設け、第１のペルチェユニットの放熱面からの熱を、流路を流れる一次冷媒に伝え、その熱を一次冷媒を介して第２のペルチェユニットの吸熱面に伝え、第２のペルチェユニットの放熱面からの熱を、流路を流れる二次冷媒に伝え、二次冷媒を介して伝えられた熱を熱交換器で放熱する熱移動ユニットの記載がある。

国際公開第２０１３／１５７４１７号

半導体検査装置の半導体チップの検査において低温（例えば−５０°Ｃ）で試験を行う場合、小型で、短時間で目標とする低温に到達しその温度を維持できる冷却装置が望まれる。

本発明は、小型で、短時間で目標とする低温に到達しその温度を維持できる冷却装置、冷却方法及び半導体検査装置を提供することを目的とする。

（１） 本発明に係る冷却装置は、内部に断熱空間を有する断熱部材と、前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に放熱側、前記断熱部材の外に吸熱側が配された熱電素子と、前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に冷却側、前記断熱部材の外に放熱側が配された一又は複数の冷却素子と、を備え、
前記熱電素子の吸熱側の吸熱面が冷却される冷却装置である。
（２） 上記（１）の冷却装置において、前記吸熱面の温度を測定する温度センサと、前記吸熱面の温度が目標の温度となるように前記熱電素子と前記一又は複数の冷却素子とのうちの少なくとも一つの電流又は／及び電圧を制御する制御部とを備えることが望ましい。
（３） 上記（１）又は（２）の冷却装置において、前記断熱部材は、上面部、側面部、及び底面部を備え、前記熱電素子は記上面部に取り付けられ、前記一又は複数の冷却素子が前記側面部又は／及び前記底面部に取り付けられることが望ましい。
（４） 上記（１）から（３）のいずれかの冷却装置において、前記熱電素子はペルチェ素子と、放熱フィンと、放熱ファンと、を備えることが望ましい。
（５） 上記（１）から（４）のいずれかの冷却装置において、前記冷却素子は熱電素子であり、該熱電素子はペルチェ素子と、放熱フィンと、放熱ファンと、吸熱フィンと、吸熱ファンと、を備えることが望ましい。
（６） 上記（１）から（５）のいずれかの冷却装置において、前記断熱空間の形状は、前記断熱部材の外観形状と異なるようにすることができる。
（７） 本発明の冷却装置の冷却方法は、内部に断熱空間を有する断熱部材と、
前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に放熱側、前記断熱部材の外に吸熱側が配された熱電素子と、
前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に冷却側、前記断熱部材の外に放熱側が配された一又は複数の冷却素子と、を備えた冷却装置の冷却方法であって、
温度センサにより前記熱電素子の吸熱側の吸熱面の温度を測定し、前記吸熱面の温度が目標の温度となるように、前記熱電素子の電流又は／及び電圧を制御するとともに、前記断熱空間内の温度を下げるように前記一又は複数の冷却素子の少なくとも一つの電流又は／及び電圧を制御する冷却方法である。
（８） 本発明に係る半導体検査装置は、上記（１）から（６）のいずれか１項に記載の冷却装置と、前記吸熱面と接続され、半導体チップが載置される冷却台とを備え、前記冷却台に載置された状態で前記半導体チップの電気的特性を測定する半導体検査装置である。

本発明によれば、小型で、短時間で目標とする低温に到達しその温度を維持できる冷却装置、冷却方法及び半導体検査装置を得ることができる。

本発明の冷却装置の一実施形態の構成を示す概念図である。 本発明の冷却装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。 本実施形態の冷却装置の温度制御を説明するための概念図である。 （Ａ）は本発明の冷却装置の第１の構成例を示す縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。 （Ａ）は本発明の冷却装置の第２の構成例を示す縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。 本発明の冷却装置の第３の構成例を示す横断面図である。 （Ａ）は本発明の冷却装置の第４の構成例を示す縦断面図、（Ｂ）は横断面図である。 本発明の冷却装置の第５の構成例を示す横断面図である。 本発明の冷却装置の第６の構成例を示す縦断面図である。 本発明の冷却装置の第７の構成例を示す縦断面図である。 半導体検査装置の一構成例を示す斜視図である。 半導体検査装置の構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の冷却装置の一実施形態の構成を示す概念図、図２は斜視図である。図３は本実施形態の冷却装置の温度制御を説明するための概念図である。
本実施形態の冷却装置は、内部に断熱空間６を有する断熱部材１と、ペルチェ素子等の熱電素子２と、冷却素子４及び５と、熱電素子２の吸熱側の吸熱面に接続される冷却台３とを有する。熱電素子２は断熱部材１に取り付けられ、断熱部材１の断熱空間６に放熱側、断熱部材１の外に吸熱側が配置される。熱電素子２の放熱側の放熱面から断熱空間６内に熱が放出される。放出された熱は冷却素子４、５を介して断熱部材１の外に放出される。冷却素子４、５は断熱部材１に取り付けられ、断熱部材６の断熱空間６に冷却側、断熱部材１の外に放熱側が配置される。このような構成によって、冷却台３の温度を低温（例えば−５０°Ｃ）にすることが可能となる。断熱部材１の材料は内部に断熱空間を形成できればよく、特に限定されないが、発泡スチロール、発泡ウレタン、シリコンスポンジ、ヘミサル等を挙げることができる。断熱部材１は断熱材料のみで構成してもよいが、内部に空間を形成する筺体の内壁又は外壁に発泡スチロール、発泡ウレタン、シリコンスポンジ、ヘミサル等の断熱材料を取り付けてもよい。また、真空、空気は断熱作用を有するため、断熱部材として、真空や空気を介した二重構造の容器等を用いることもできる。

ペルチェ素子は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属から他方の金属へ熱が移動するペルチェ効果を利用した素子である。冷却素子は断熱空間内の温度を低下させるもので、ペルチェ素子等の熱電素子を用いることができるが、他の素子を用いてもよい。例えば、ボルテックスチューブに圧縮空気を供給すると、製品内部にある特殊な部品ブッシング・ゼネレータの働きにより、空気が高速で回転を始め、高速回転により発生するクーラー内部での渦流、圧縮、膨張、圧力差を利用して冷風（熱を奪われた側）と熱風（熱を奪った側）に分離する、ボルテックスクーラーと呼ばれる素子を冷却素子として用いることができる。冷却素子を複数設ける場合に、複数の冷却素子は、ペルチェ素子だけを用いて構成しても、ボルテックスクーラーだけを用いて構成しても、又はペルチェ素子とボルテックスクーラーとを組み合わせて構成してもよい。さらに、ペルチェ素子とボルテックスクーラー以外の素子を、ペルチェ素子、ボルテックスクーラー、又はペルチェ素子とボルテックスクーラーとの組み合わせに加えて冷却素子を構成してもよい。

熱電素子２と、冷却素子４及び５とは、ペルチェ素子だけで構成し、熱電素子２を構成するペルチェ素子の放熱面と、冷却素子４及び５を構成するペルチェ素子の吸熱面とを断熱空間に直接露出させていてもよい。しかし、放熱効率を上げるために、ペルチェ素子の放熱面に放熱フィンと放熱ファンを取り付けて熱電素子２を構成してもよい。また、吸熱効率を上げるために、ペルチェ素子の吸熱面に吸熱ファンと吸熱フィンを取り付け、放熱効率を上げるために、このペルチェ素子の放熱面に放熱フィンと放熱ファンを取り付けて、冷却素子４及び５を構成してもよい。また、放熱フィンと放熱ファンの代わりに特許文献１に記載したように、流路を流れる冷媒を用いてペルチェ素子の放熱面を冷却してもよい。

なお図１及び図２では、冷却素子を２つ設けた例を示しているが、１又は３以上であってもよい。冷却素子の数が少ないと冷却温度の下限が高くなり、冷却温度に達する速度が低下することになり、必要に応じて冷却素子の数を設定する。
図２では、断熱部材１の外観形状は直方体であるが、これに限定されず、熱電素子及び冷却素子を取り付け可能であればその他の形状であってもよく、例えば角錐台形状等の他の形状であってもよい。断熱空間６の形状はここでは断熱部材１の外観形状と同じ形状であるが、断熱空間６の形状は断熱部材１の外観形状と異なるようにしてもよい。例えば、断熱部材１の外観形状が直方体のときに、断熱空間６の形状を角錐台形状、逆角錐台形状、直方体と四角錐台とを組み合わせた形状、又は逆四角錐台と直方体とを組み合わせた形状としてもよい。

冷却台３の設定温度は、熱電素子２の吸熱面の温度と、熱電素子２及び冷却素子４及び５に与える電圧や電流との関係を予め測定しておき、熱電素子２及び冷却素子４及び５に与える電圧や電流を設定すればよい。冷却台３の設定温度可変とする場合は、図３に示すように、サーミスタ等の温度センサ２０１で熱電素子の吸熱面の温度を検出し、その温度が目標の温度（例えば−５０°Ｃ）となるように制御部２０２で熱電素子２及び冷却素子４及び５の少なくとも一つに与える電圧又は及び電流を調整する。熱電素子２と、冷却素子４及び５が、ペルチェ素子を含む場合、ペルチェ素子の吸熱量は電流値に依存するので、電流値を制御することで、熱電素子２の吸熱面の温度を制御することができる。なお、温度を測定する場合に、ここでは熱電素子２の吸熱面の温度でなく冷却台３の温度を測定しているが、冷却台３の温度は熱電素子２の吸熱面の温度とほとんど変わらないので、実質的には冷却台３の温度測定は、熱電素子２の吸熱面の温度測定としてとらえることができる。

以下、ペルチェ素子の放熱面に放熱フィンと放熱ファンを取り付けて熱電素子を構成し、ペルチェ素子の吸熱面に吸熱ファンと吸熱フィンを取り付け、このペルチェ素子の放熱面に放熱フィンと放熱ファンを取り付けて、冷却素子を構成した冷却装置の構成例について説明する。

（第１の構成例）
図４（Ａ）は本発明の冷却装置の第１の構成例を示す縦断面図、図４（Ｂ）は横断面図である。本第１の構成例は、熱電素子２として、ペルチェ素子２０、放熱フィン４１、及び放熱ファン４２を用いる。冷却素子４、５として、ペルチェ素子２０、放熱フィン４１、放熱ファン４２、吸熱フィン５１、及び吸熱ファン５２を用いる。放熱フィン４１、及び放熱ファン４２を放熱部４０、吸熱フィン５１、及び吸熱ファン５２を吸熱部５０とする。断熱部材１の外観形状は直方体であり、断熱部材１内の断熱空間６の形状も直方体となっている。
熱電素子２のペルチェ素子２０の放熱面に放熱フィン４１が接続され、放熱フィン４１に放熱ファン４２が接続されている。熱電素子２は断熱部材１の上面部に取り付けられ、冷却素子４、５は断熱部材１内の断熱空間６を介して対向するように断熱部材１の側面部に取り付けられている。以下、この配置方向を左右方向とし、左右方向の側面部を左側面部、右側面部として説明する。冷却素子４、５のペルチェ素子２０の吸熱面にはそれぞれ吸熱フィン５１が接続され、吸熱フィン５１に吸熱ファン５２が接続されている。冷却素子４、５のペルチェ素子２０の放熱面にはそれぞれ放熱フィン４１が接続され、放熱フィン４１に放熱ファン４２が接続されている。
熱電素子２のペルチェ素子２０の放熱面から放出された熱は放熱フィン４１、放熱ファン４２を介して断熱空間６に放出される。放出された熱は吸熱ファン５２、吸熱フィン５１を介して、それぞれ冷却素子４、５のペルチェ素子２０の吸熱面に伝えられ、熱は放熱面から放熱フィン４１、放熱ファン４２を介して断熱部材１の外に放出される。

（第２の構成例）
図５（Ａ）は本発明の冷却装置の第２の構成例を示す縦断面図、図５（Ｂ）は横断面図である。本第２の構成例は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した左右方向の左側面部、右側面部に設けられた冷却素子４、５の他に断熱部材１の背面部に冷却素子７を設けている。冷却素子７として、ペルチェ素子２０、放熱フィン４１、放熱ファン４２、吸熱フィン５１、及び吸熱ファン５２を用いる。本第２の構成例では冷却素子は３個配置される。

（第３の構成例）
図６は本発明の冷却装置の第３の構成例を示す横断面図である。本第３の構成例は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示した、断熱部材１の左右方向の左側面部、右側面部に設けられた冷却素子４及び５、背面部（側面部の一つ）に設けられた冷却素子７の他に、断熱部材１の前面部（側面部の一つ）に冷却素子８を設けている。冷却素子８として、ペルチェ素子２０、放熱フィン４１、放熱ファン４２、吸熱フィン５１、及び吸熱ファン５２を用いる。本第３の構成例では冷却素子は４個配置される。

（第４の構成例）
図７（Ａ）は本発明の冷却装置の第４の構成例を示す縦断面図、図７（Ｂ）は横断面図である。本第４の構成例は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した、断熱部材１の左右方向の左側面部、右側面部に設けられた冷却素子４及び５の他に、断熱部材１の底面部に冷却素子９を設けている。冷却素子９として、ペルチェ素子２０、放熱フィン４１、放熱ファン４２、吸熱フィン５１、及び吸熱ファン５２を用いる。本第４の構成例では冷却素子は３個配置される。

（第５の構成例）
図８は本発明の冷却装置の第５の構成例を示す横断面図である。本第５の構成例は、図６に示した、断熱部材１の左右方向の左側面部、右側面部に設けられた冷却素子４及び５、背面部に設けられた冷却素子７、前面部に設けられた冷却素子８の他に、底面部に設けられた冷却素子９を設けている。本第５の構成例では冷却素子は５個配置される。
以上、冷却装置の第１から第５の構成例について説明したが、断熱部材１の左右方向の左側面部、右側面部に設けられた冷却素子４及び５、背面部（側面部の一つ）に設けられた冷却素子７、前面部（側面部の一つ）に設けられた冷却素子８、底面部に設けられた冷却素子９は適宜組み合わせて配置することができる。例えば、冷却素子４、５、７、８及び９のいずれかを配置してもよく、冷却素子４と冷却素子７、冷却素子５と冷却素子７、冷却素子４と冷却素子８、冷却素子５と冷却素子８、冷却素子７と冷却素子９、冷却素子８と冷却素子９のいずれかの組み合わせ等を配置してもよく、さらに、冷却素子４と冷却素子５と冷却素子８、冷却素子４と冷却素子７と冷却素子９、冷却素子５と冷却素子７と冷却素子９の組み合わせ等を配置してもよい。

（第６の構成例）
第１から第５の構成例は、断熱部材１の断熱空間６の形状は、断熱空間６の形状は、断熱部材１の外見形状と同じ直方体であったが、断熱部材１の外見形状と異なる形状としてもよい。図９は本発明の冷却装置の第６の構成例を示す縦断面図である。本第６の構成例では、断熱部材１１の断熱空間６の上部を四角錐台形状とし、断熱部材１１の底面部に４つの冷却素子９−１〜９−４を配置している。断熱空間６は直方体と四角錐台とを組み合わせた形状となっている。冷却素子９−１〜９−４のそれぞれは冷却素子９と同じ構成である。
本構成例の冷却装置は、図９の矢印で示されるように、熱の流れの向きを直線状に最適化し、熱の移動効率を向上することができる。また、奥行き方向が薄くなる為、測定用装置などをステージ付近に設置する際に有利となる。さらに、側面部の冷却素子の突き出しが無くなり、加工や取り回しが容易となる。

（第７の構成例）
本第７の構成例は、断熱空間６の形状が、断熱部材１の外見形状と異なる形状とした他の例を示すものである。図１０は本発明の冷却装置の第７の構成例を示す縦断面図である。本第７の構成例では、断熱部材１２の断熱空間６の下部を逆四角錐台形状とし、断熱部材１２の左右方向の左側面部、右側面部に冷却素子４及び５を配置し、断熱部材１の底面部に２つの冷却素子９−５、９−６を配置している。断熱空間６は逆四角錐台と直方体とを組み合わせた形状となっている。冷却素子９−５及び９−６は冷却素子９と同じ構成である。図１０の矢印で示されるように、断熱部材１の底面部に２つの冷却素子９−５、９−６が設けられているために底面部方向に放出される熱の移動効率を向上することができる。

以上説明した実施形態及び第１〜第７の構成例の冷却装置は、特に用途は限定されないが、半導体チップを低温でＩＣプローブカードにより電気的特性の検査を行う半導体検査装置の冷却装置に好適に用いることができる。
図１１は半導体検査装置の一構成例を示す斜視図、図１２は半導体検査装置の構成を示す縦断面図である。
本構成例の半導体検査装置は、図６に示す第３の構成例の冷却装置が用いられる。冷却台上には半導体チップ１０５が載置され、半導体チップ１０５は低温動作の設定温度（例えば、−５０°Ｃ）に冷却される。半導体チップ１０５が冷却台上に載置された後に、ミラー１０２を半導体チップ１０５の挿入、挿出方向とは反対側に移動させ、上部からＬＥＤ照明光をミラー１０２に照射し、半導体チップ１０５からの反射光をカメラ１０３で受光し、ＩＣプローブカードからの反射光をカメラ１０４で受光し、半導体チップ１０５が冷却台の所定の位置に配置されたかを画像合成により確認してアライメントを行う。
半導体チップ１０５が冷却台の所定の位置に配置されている場合は、半導体チップ１０５を上へ移動させ、ＩＣプローブカードに半導体チップ１０５を接触させ、電気的検査を行う。検査後に検査後の半導体チップ１０５を移動させ、次の半導体チップが冷却台上に載置される。

１，１１、１２ 断熱部材
２ 熱電素子
３ 冷却台
４、５、７、８、９ 冷却素子
６ 断熱空間
２０ ペルチェ素子
４１ 放熱フィン
４２ 放熱ファン
５１ 吸熱フィン
５２ 吸熱ファン

Claims (8)

1. 内部に断熱空間を有する断熱部材と、
   前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に放熱側、前記断熱部材の外に吸熱側が配された熱電素子と、
   前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に冷却側、前記断熱部材の外に放熱側が配された一又は複数の冷却素子と、を備え、
   前記熱電素子の吸熱側の吸熱面が冷却される冷却装置。
2. 前記吸熱面の温度を測定する温度センサと、前記吸熱面の温度が目標の温度となるように前記熱電素子と前記一又は複数の冷却素子とのうちの少なくとも一つの電流又は／及び電圧を制御する制御部とを備えた請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記断熱部材は、上面部、側面部、及び底面部を備え、前記熱電素子は記上面部に取り付けられ、前記一又は複数の冷却素子が前記側面部又は／及び前記底面部に取り付けられる請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記熱電素子はペルチェ素子と、放熱フィンと、放熱ファンと、を備えた請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記冷却素子は熱電素子であり、該熱電素子はペルチェ素子と、放熱フィンと、放熱ファンと、吸熱フィンと、吸熱ファンと、を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 前記断熱空間の形状は、前記断熱部材の外観形状と異なる請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 内部に断熱空間を有する断熱部材と、
   前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に放熱側、前記断熱部材の外に吸熱側が配された熱電素子と、
   前記断熱部材に取り付けられ、前記断熱部材の前記断熱空間に冷却側、前記断熱部材の外に放熱側が配された一又は複数の冷却素子と、を備えた冷却装置の冷却方法であって、
   温度センサにより前記熱電素子の吸熱側の吸熱面の温度を測定し、前記吸熱面の温度が目標の温度となるように、前記熱電素子の電流又は／及び電圧を制御するとともに、前記断熱空間内の温度を下げるように前記一又は複数の冷却素子の少なくとも一つの電流又は／及び電圧を制御する冷却方法。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却装置と、前記吸熱面と接続され、半導体チップが載置される冷却台とを備え、前記冷却台に載置された状態で前記半導体チップの電気的特性を測定する半導体検査装置。
   

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