JP4298421B2 - サーマルプレートおよび試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーマルプレートに関するものである。また、本発明は、恒温恒湿槽などの環境試験装置や、半導体ウェーハ、電子部品などの温度試験を行う試験装置に関するものである。

従来より、集積回路などはバーンイン試験によって温度試験が行われる。集積回路のバーンイン試験は、半導体ウェーハに形成された複数の集積回路を個々のベアダイに分離し、分離された各ベアダイを封止してパッケージ化した集積回路を通電しつつ高温の温度環境に晒すことによって行われる。バーンイン試験により、集積回路に潜在する欠陥を短時間で顕在化させることができ、初期不良や経年劣化による不良を効果的に除去することを可能にしている。

しかし、このようなバーンイン試験では、パッケージ化された個々の集積回路を試験装置に装着しなければならず多大な手間を要する。また、パッケージ化された個別の集積回路を加熱しなければならず、試験装置が大型化し発熱量が増大する不具合があった。更に、バーンイン試験によって不良と判別された集積回路は廃棄せざるを得ず、パッケージ工程に無駄が生じる要因となっていた。

ところで、近時、半導体ウェーハに形成された複数の集積回路を個々のベアダイに分離し、分離されたベアダイをそのままボード実装するベアチップ実装の需要が増している。このようなベアチップ実装や前記したパッケージ化の無駄の除去に対応するべく、半導体ウェーハの段階でバーンイン試験を行う試験装置が開発されている。

図８は、従来の試験装置に用いられるサーマルプレート１０１の一例を示すもので、図８（ａ）はサーマルプレート１０１の正面図、同図（ｂ）はその底面図、同図（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図、同図（ｄ）は（ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。

サーマルプレート１０１は、円板形のプレート本体１０２に加熱ヒータ１０３と冷媒流路１０２ｅを備える。加熱ヒータ１０３は、シーズヒータをプレート本体１０２の底面１０２ｂに環状に取り付けて形成される。また、プレート本体１０２の内部にはリング形の空洞１０２ｅが設けられ、当該空洞１０２ｅは冷媒流路１０２ｅとして機能する。冷媒流路１０２ｅの一端には冷媒供給口１０２ｃが設けられ、他端には冷媒回収口１０２ｄが設けられている。また、プレート本体１０２の外周壁には、温度センサー１０４が取り付けられている。

図９は、このような従来のサーマルプレート１０１を用いた試験装置１００の構成例を示すものである。温度制御部１３０は、加熱ヒータ１０３への通電制御、および、冷却回路１５０の制御を行うことにより、サーマルプレート１０１の加熱および冷却を行う。

冷却回路１５０は、圧縮装置１５１、凝縮装置１５２、膨張弁１５３および熱交換器１４１の一次側を直列に接続して形成され、内部にフロン（代替フロン）などの冷媒を循環させる回路である。また、二次冷媒回路（ブライン回路）１４０は、サーマルプレート１０１，循環ポンプ１４２および熱交換器１４１の二次側を直列に接続して形成され、循環ポンプ１４２によってブライン（塩水）を循環させる回路である。

冷却回路１５０では、圧縮装置１５１で圧縮された冷媒は凝縮装置１５２で冷却されて液化し、液化した冷媒は膨張弁１５３で減圧されつつ液状または気・液混合状態で熱交換器１４１に至る。そして、冷媒が蒸発する潜熱によって熱交換器１４１の二次側を流動するブラインから熱を奪う。二次冷媒回路１４０では、熱交換器１４１で冷却されたブラインはサーマルプレート１０１に流入し、冷媒流路１０２ｅを流動しつつプレート本体１０２を冷却する。そして、温度上昇したブラインはプレート本体１０２から流出し、循環ポンプ１４２を経て熱交換器１４１に戻り、再び冷却されて循環する。
則ち、温度制御部１３０は、圧縮装置１５１を制御してブラインの冷却温度を調節し、これによって、サーマルプレート１０１に循環するブラインの温度を調節しつつサーマルプレート１０１の冷却を行う。

図９に示した従来の試験装置１００では、次のようにして半導体ウェーハのバーンイン試験を行う。まず、温度センサー１０４の検知温度が、温度制御部１３０で予め定めた設定温度と一致するように、加熱ヒータ１０３および圧縮装置１５１の制御を行う。一方、バーンイン試験を行う半導体ウェーハ１２０をサーマルプレート１０１の上面１０２ａに載置し、半導体ウェーハ１２０を覆うようにプローバ１１０を被せる。すると、プローバ１１０の多数のプローブ１１１が半導体ウェーハ１２０のバンプ１２１に接触し、試験制御部１３１からプローバ１１０を介して半導体ウェーハ１２０に通電が行われる。

これにより、半導体ウェーハ１２０は、試験制御部１３１で定まる通電状態で駆動されつつ、サーマルプレート１０１で定まる温度環境下においてバーンイン試験が行われ、異常が生じたチップは試験制御部１３１で検出されて正常なチップと区別される。

ところが、図９に示した従来の試験装置１００は、サーマルプレート１０１を冷却するために、冷媒流路１０２ｅを一方向に向けて冷媒を流動させる構造を採用している。このため、冷媒が冷媒流路１０２ｅを流動中に相変化を生じないことが必須要件となっていた。これは、冷媒流路１０２ｅを冷媒が流動中に相変化を生じると、熱伝導率の著しい変動に伴って冷媒の冷却効率が低下し、プレート本体１０２の上面１０２ａの温度を均一に維持することができなくなるためである。

従って、図９に示した従来の試験装置１００では、二次冷媒回路１４０に熱量変動によっても相変化を生じないブラインを循環させてサーマルプレート１０１を冷却し、別の冷却回路１５０を用いて二次冷媒回路１４０を循環するブラインを冷却する構成を採らざるを得なかった。このため、サーマルプレート１０１を冷却するための冷却系が極めて複雑になり、温度制御の安定性や応答性、装置の小型化や省コスト化を阻害する要因となっていた。

本発明は、前記事情に鑑みて提案されるもので、簡単な構成によって温度制御の安定性、応答性を向上させたサーマルプレートを提供することを目的としている。また、同時に提案される発明は、このサーマルプレートを用いて小型化および省コスト化を図った試験装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために提案される請求項１に記載の発明は、加熱ヒータと冷媒によって特定の温度調節面の温度を調節するサーマルプレートにおいて、プレート本体に加熱ヒータが配設され、更にプレート本体内に冷媒空間が設けられ、前記加熱ヒータは、プレート本体の外面であって前記温度調節面を除く１または２以上の面に配設され、前記冷媒空間に対して冷媒を供給する冷媒供給路があり、前記冷媒供給路は冷媒空間内で開口し、加熱ヒータの配設部位に対して冷媒空間側から冷媒を噴射する構成とされている。

本発明によれば、加熱ヒータをプレート本体の外面の１面のみに設けることにより、温度調節面の温度分布を所定の温度分布とすることができる。この構成によれば、部材点数が削減され構造が簡略化される。また、プレート本体の一面のみに加熱ヒータを設けても所定の温度分布が得られないときは、プレート本体の外面の２以上の面に分散して加熱ヒータ配設することも可能である。この構成によれば、温度調節面の温度分布を所定の温度分布に容易に合わせることができ、設計が容易となる。

本発明によれば、冷媒供給路を介して供給される冷媒は、冷媒空間内に無秩序に噴射されるのではなく、加熱ヒータを起動させたときに高温となる部位に集中して噴射される。

ここで、本発明において、加熱ヒータによって加熱中に冷媒を供給すると、冷媒空間内に噴射された冷媒は、加熱ヒータの配設部位を集中して冷却し、冷媒は熱交換されて冷却能力が急速に低下する。則ち、加熱ヒータで加熱中に冷媒を供給すると、加熱ヒータの起動時に高温となる部位が冷媒の噴射によって直接的に冷却され、冷媒が噴射されない他の部位は冷媒の噴射による直接的な冷却は殆ど行われない。
また、本発明において、加熱ヒータの停止中であっても、加熱ヒータの起動時に加熱ヒータの配設部位に対して冷媒空間側から冷媒を噴射すると、冷媒が噴射された部位は冷媒が噴射されない他の部位に比べてより多く冷却される。
則ち、加熱ヒータの通電の有無に拘わらず、加熱ヒータの起動時に高温となる部位へ向けて冷媒を噴射すると、加熱ヒータで加熱される場合と略同等の温度分布のパターンを温度調節面に形成しつつ冷却することができる。

従って、本発明によれば、加熱ヒータおよび冷媒供給量を制御することにより、加熱ヒータの通電時における温度調節面の温度分布のパターンを維持しつつ当該温度調節面を加熱あるいは冷却することが可能となる。
これにより、冷媒空間に無秩序に冷媒を供給して冷却を行うものに比べて、温度調節面の温度分布を安定させることができ、温度調節のための制御が容易になる。

本発明に関連する発明は、加熱ヒータと冷媒によって特定の温度調節面の温度を調節するサーマルプレートにおいて、プレート本体に加熱ヒータが配設され、更にプレート本体内に冷媒空間が設けられ、冷媒空間に対して冷媒を供給する冷媒供給路があり、冷媒供給路は冷媒空間内で開口し、冷媒空間内の一部の部位であって当該部位の温度を変更したときに温度調節面が温度変化し且つ温度調節面の温度分布が略均一となる部位へ向けて冷媒を噴射する構成である。

本発明に関連する発明では、冷媒供給路を介して供給される冷媒は、冷媒空間内に無秩序に噴射されるのではなく、温度調節面が冷却され、且つ、温度調節面の温度分布が略均一となる部位に集中して噴射される。
ここで、前記したように、加熱ヒータの通電の有無に拘わらず、特定の部位へ向けて冷媒を噴射すると、冷媒が噴射された部位は冷媒が噴射されない他の部位に比べてより多く冷却される。

従って、本発明に関連する発明によれば、加熱ヒータの停止中に冷媒を供給することにより、温度調節面を略均一な温度分布に維持しつつ冷却することが可能である。
また、加熱ヒータによって加熱中に冷媒を供給することにより、加熱ヒータの加熱による温度調節面の温度分布のパターンを概ね維持しつつ冷却又は加熱することが可能となる。
これにより、冷媒空間に無秩序に冷媒を供給するものに比べて、温度調節面の温度分布を安定させることができ、温度制御が容易になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のサーマルプレートにおいて、冷媒は、常温で気体であるものが液化されて液状または気・液混合状態であり、当該冷媒は冷媒供給路を介して冷媒空間に供給される構成とされている。

液化されて液状または気・液混合状態の冷媒は、蒸発すると気体へ相変化しつつ潜熱によって周囲から熱を吸収する。ここで、冷媒が潜熱を放出しきって気化すると冷却能力が著しく低下する。従って、このような液化された冷媒を冷媒空間に無秩序に供給すると、冷媒が気化するに連れて冷却能力が低下し、温度調節面に温度むらを生じる。

このような、液化された冷媒を用いて温度調節面を均一に冷却する方法としては、少なくとも冷媒空間内において冷媒を液状または気・液混合状態に維持しつつ冷却を行う方法が挙げられる。しかし、回収される冷媒が液状や気・液混合状態であると、所謂液圧縮の問題が生じる。

しかし、本発明によれば、前記請求項１または関連する発明で述べたように、液化された冷媒は冷媒空間に無秩序に供給されるのではなく、冷媒空間の特定の部位へ向けて噴射される。
特に本発明では、液化されて液状または気・液混合状態の冷媒を用いるので、プレート本体が低温下にあっても、冷媒を噴射すると噴射された部位が急速に冷却され、冷媒は直ちに気化して冷却能力を失う。従って、ブラインなどを噴射して冷却する場合に比べて、冷媒が噴射された部位が直接的にピンポイント状に冷却され、冷媒が噴射されない他の部位は冷媒の噴射による直接的な冷却は殆ど行われない。また、本発明によれば、噴射された冷媒は噴射部位を冷却して直ちに気化するので、前記した回収される冷媒の液圧縮の問題についても支障を生じない。

これにより、本発明を請求項１または関連する発明に適用することにより、請求項１または関連する発明を効果的に実施することが可能となる。
また、本発明によれば、従来のような二次冷媒（ブライン）を用いてサーマルプレートを冷却する構成ではなく、サーマルプレートに直接液化された冷媒を供給して冷却を行う。これにより、従来のような二次冷媒を冷却するための別の冷却回路が不要となり、サーマルプレートに冷媒を供給するための冷却系を著しく簡略化することが可能である。

別の関連発明は、請求項１又は２に記載のサーマルプレートにおいて、加熱ヒータは、プレート本体の一部の部位であって当該部位の温度を変更したときに温度調節面が温度変化し且つ温度調節面の温度分布が略均一となる部位に配設される構成とされている。

加熱ヒータで発生した熱は、その一部はプレート本体を伝導して直接温度調節面に至り、残部は冷媒空間を介した輻射や冷媒空間に充満する気体の対流によって伝導されて温度調節面に至る。これらの熱伝導によって温度調節面が昇温する。従って、プレート本体の形状や材質（熱伝導率）を適宜に設定するとともに、プレート本体の形状や材質に応じて、加熱ヒータの形状や配設部位を適宜に設定することにより、加熱ヒータの加熱によって温度調節面の全面に渡って略均一な温度分布を得ることが可能である。

別の関連発明を請求項１または２の発明に適用することにより、前記した理由によって、プレート本体を加熱ヒータで加熱したときの温度調節面の温度分布のパターンを維持しつつ、言い換えれば、温度調節面の温度分布が略均一な状態を維持しつつ加熱、冷却することが可能となる。

また、別の関連発明を請求項２の発明に適用することにより、プレート本体における加熱ヒータの配設部位と冷媒供給路による冷媒の噴射部位とを近接または一致させることができる。また、この構成においても、温度調節面の温度分布を略均一に維持しつつ加熱、冷却することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のサーマルプレートにおいて、プレート本体は内部に冷媒空間を有した円筒形状であり、当該プレート本体の一面によって温度調節面が形成され、当該温度調節面と対向する面に環状に加熱ヒータが配設され、冷媒供給路は冷媒空間内において加熱ヒータの配設部位に沿う内面に向けて環状に冷媒を噴射する構成とされている。

本発明によれば、加熱ヒータに通電すると、発生した熱は、その一部は、加熱ヒータが配設された面から周壁部を介して温度調節面側に伝導する。また、熱の残部は、加熱ヒータが配設された面側全体に拡散して伝導する。そして、加熱ヒータが配設された面側が加熱されることにより、当該面側から冷媒空間を介した輻射や、冷媒空間に存在する気体の対流によって温度調節面側へ熱が伝導される。

従って、加熱ヒータを環状に配設する位置を適宜に設定することにより、加熱ヒータの加熱による温度調節面の温度分布を均一とすることができる。また、加熱ヒータの配設位置を適宜に設定することにより、温度調節面の温度分布を所定のパターンとすることが可能である。

これにより、請求項１に記載した構成を容易に実施することが可能である。
また、本発明によれば、冷媒は、加熱ヒータの配設されるプレート本体の環状部位に向けて冷媒空間側から噴射される。従って、冷媒の噴射される部位は、加熱ヒータの起動時に高温となる部位である。これにより、請求項１に記載した構成を容易に実施することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のサーマルプレートにおいて、冷媒供給路は、プレート本体の外面であって環状の加熱ヒータの略中央部に設けられた冷媒供給管と、当該冷媒供給管から冷媒空間へ放射状に延びる複数の冷媒分岐管とを備え、各冷媒分岐管は冷媒空間においてその先端部を加熱ヒータの配設部位に沿う内面へ向けて配設する構成とされている。

本発明は、請求項３に記載の発明における冷媒供給路の構成をより具体的に示したものである。本発明によれば、冷媒供給管は、プレート本体の外面において、環状の加熱ヒータの略中央部に位置する。また、冷媒供給管から冷媒空間に放射状に延びる冷媒分岐管は、冷媒空間においてその先端部が環状の加熱ヒータの配設部位に対峙する内面部位に位置する。

従って、冷媒供給管から延びる冷媒分岐管は全て同一の長さを有することとなり、冷媒供給管へ供給される冷媒は各冷媒分岐管に均等に分流して先端部から噴射される。これにより、各冷媒分岐管から噴射される冷媒によって、加熱ヒータの配設される環状部位を冷媒空間側から略均等に冷却することが可能となる。

本発明において、冷媒供給管から冷媒分岐管を分岐させる部位は適宜の位置に設けることができる。例えば、冷媒空間内において冷媒供給管から冷媒分岐管を分岐させる構成を採ることができる。また、冷媒空間の外部、則ち、プレート本体の外部において冷媒供給管から冷媒分岐管を分岐させる構成を採ることも可能である。

また、本発明において、冷媒空間に延びる各冷媒分岐管は、冷媒空間の壁面に当接しない構成を採るのが好ましい。冷媒分岐管が冷媒空間の壁面に当接すると、冷媒分岐管を流動する冷媒がプレート本体と熱交換して温度調節面に温度むらを生じる要因となる。従って、冷媒分岐管は冷媒供給管によって冷媒空間内に宙づり状態に支持するのが好ましい。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のサーマルプレートにおいて、冷媒供給管の近傍に、冷媒供給路を介して冷媒空間に噴射された冷媒を回収する冷媒回収部を設けた構成とされている。

ここで、冷媒回収部が、放射状に延びる各冷媒分岐管に対して偏った部位に位置すると、冷媒空間内に充満する冷媒に気圧の偏りが生じる。このため、各冷媒分岐管に加わる気圧に不均衡が生じ、噴出する冷媒量に差が生じ易い。
本発明によれば、冷媒回収部を冷媒供給管の近傍に設けるので、各冷媒分岐管に加わる気圧が略均等となる。これにより、各冷媒分岐管に分流する冷媒の流量が均等化され、加熱ヒータの配設部位を略均等に冷却することが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサーマルプレートを用いた試験装置であって、気化した冷媒を液化する冷却回路を備え、当該冷却回路は前記サーマルプレートのプレート本体と接続されて冷媒を循環させる構成とされ、当該冷媒の蒸発潜熱によってプレート本体の冷却を行う構成とされている。

本発明によれば、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のサーマルプレートを用いることにより、液化された冷媒を直接サーマルプレートに流動させ、当該冷媒の蒸発潜熱を利用してプレート本体を冷却する。則ち、相変化を伴う冷媒を直接サーマルプレートに供給して冷却を行う。従って、二次冷媒（ブライン）などをサーマルプレートに循環させる冷却構造に比べて、ブラインを冷却するための別の冷却回路が不要となる。これにより、冷却系を著しく簡略化することができ、試験装置の小型化、省コスト化を図ることができる。

本発明の試験装置は種々の被試験体に対して温度試験を行うことが可能である。例えば、多数の集積回路を形成した半導体ウェーハも温度試験（バーンイン試験）の可能なものの一つとして挙げられる。この他に、電子部品、あるいは、電子部品や集積回路を用いて作製された電気機器などの被試験体についても、サーマルプレートを被試験体に応じた形状とすることにより温度試験を行うことが可能である。

請求項１に記載の発明によれば、所定の温度分布パターンを維持しつつ温度調節面を加熱または冷却することができ、安定した温度試験が可能なサーマルプレートを提供できる。
また、温度調節面を全面に渡って略均一温度に維持しつつ加熱、冷却が可能なサーマルプレートを提供できる。
請求項２に記載の発明によれば、相変化を生じる冷媒を直接供給する構成を採用しつつも温度調節面を安定して目標温度に設定可能なサーマルプレートを提供できる。また、サーマルプレートに冷媒を供給する冷却系の構造を著しく簡略化することが可能である。
請求項３〜５に記載の発明によれば、請求項１，２に記載のサーマルプレートを簡単な構成によって実施することが可能となる。
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５に記載のサーマルプレートに液化された冷媒を直接供給する構成を採用することにより、温度調節面の温度を安定化しつつ小型化、省コスト化を図った試験装置を提供することができる。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。尚、以下の説明では、半導体ウェーハの試験装置、および、当該試験装置に採用するサーマルプレートを例に挙げて説明する。

図１は本実施形態に係るサーマルプレート１０を示すもので、図１（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は底面図である。また、図２（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図、図２（ｂ）は図１（ｃ）のＢ−Ｂ矢視断面図、図３は図１に示すサーマルプレート１０の部分破断斜視図である。

本実施形態のサーマルプレート１０は、図１（ｃ）、図３の様に、円板形のプレート本体１１に加熱ヒータ１２と冷媒空間１３を備えて形成される。
順に説明すると、プレート本体１１は、熱伝導率の高いアルミダイキャストで作製され、冷媒空間１３を有し、直径に比べて高さの低い円筒形状を有する。則ち、プレート本体１１は、円板形の上部１１ａおよび底部１１ｂと、これらを繋ぐ周部１１ｃで形成され、内部に円筒形の冷媒空間１３を有する。プレート本体１１の上面１４は、図１（ａ）の様に円形平面であり、当該上面１４は被試験体である半導体ウェーハを当接させて所定の温度環境に維持する温度調節面１４として機能する。

加熱ヒータ１２はプレート本体１１を加熱する機能を有し、図１（ｃ）、図２（ｂ）の様に、温度調節面１４と対向するプレート本体１１の底面１５に環状に配設される。本実施形態では、加熱ヒータ１２としてシーズヒータを用いており、図２（ｂ）の様に、シーズヒータを底面１５の外周縁に沿った内方部位に環状に位置させて底部１１ｂに埋め込んで配設している。加熱ヒータ１２の両端部はプレート本体１１の右方に引き出されて、通電配線１２ａに接続されている。

冷媒空間１３は、内部に冷媒を供給することによってプレート本体１１を冷却するための空間である。冷媒空間１３の内部には、図２、図３の様に、冷媒供給管２１と冷媒分岐管２２で形成される冷媒供給路２０が設けられ、当該冷媒供給路２０を介して冷媒空間１３に冷媒が供給される。

冷媒供給路２０の構造を更に詳細に説明する。冷媒供給管２１は、図２（ｂ）、図３の様に、プレート本体１１の底部１１ｂの略中央を貫通して冷媒空間１３に至る配管で、下端部は冷媒供給口２３として機能する。冷媒供給管２１の上端部は、冷媒空間１３の内部を水平方向へ向けて放射状に延びる６本の冷媒分岐管２２に分岐されている。分岐した各冷媒分岐管２２は、その先端部２４が加熱ヒータ１２の配設部位上方に至り、先端部２４は下方へ向けて折曲されて加熱ヒータ１２と対峙する。則ち、冷媒空間１３の内部において、冷媒供給管２１から分岐した冷媒分岐管２２は、各々の先端部２４を加熱ヒータ１２の配設部位に沿う底部１１ｂの内面部位に向けて配設されている。

また、図２（ｂ）、図３の様に、冷媒供給管２１の周囲には、冷媒回収部２５が設けられている。冷媒回収部２５は、冷媒供給管２１が底部１１ｂを貫通する部位の周囲に形成される冷媒回収流路２６と、当該冷媒回収流路２６に連通して横方向へ延びる冷媒回収口２７とを備えて形成される。

サーマルプレート１０に供給される冷媒は、次の経路を経て流動する。則ち、図３の様に、冷媒供給口２３から供給される冷媒は冷媒供給管２１を上昇して６本の冷媒分岐管２２に分流する。分流した冷媒は各冷媒分岐管２２の先端部２４から底部１１ｂに向けて噴射され、冷媒空間１３に充満する。そして、冷媒空間１３に充満した冷媒は、冷媒回収流路２６を経て冷媒回収口２７から排出される。この経路を冷媒が流動することにより、プレート本体１１の冷却が行われる。

ここで、本実施形態では、図２（ｂ）、図３の様に、放射状に延びる各冷媒分岐管２２とプレート本体１１の上部１１ａあるいは底部１１ｂとの間に、冷媒分岐管２２を支える支持部を設けない構造を採っている。則ち、冷媒空間１３の内部において各冷媒分岐管２２を中央の冷媒供給管２１のみで宙づり状態に支持する構造を採用している。この構造により、冷媒分岐管２２を冷媒が流動する際のプレート本体１１の上部１１ａや底部１１ｂからの熱吸収を抑え、温度調節面１４に温度むらが生じることを抑制している。

尚、本実施形態では、６本の冷媒分岐管２２を設けた構成を採用したが、冷媒分岐管２２を５本以下として構成を簡略化することも可能である。また、７本以上の冷媒分岐管２２を配設した構成を採ることも可能であり、この場合加熱ヒータ１２の配設部位に沿って一層均等に冷媒を噴射することが可能である。また、冷媒分岐管２２の途中で更に分岐させる構造を採ることも可能となる。

次に、前記したサーマルプレート１０において、加熱時および冷却時における熱の伝導状態を図４を参照して説明する。図４（ａ）は、加熱時における熱の伝導状態を示す模式図、図４（ｂ）は、冷却時における冷媒の流動状態および熱の伝導状態を示す模式図である。尚、図４では、高温側から低温側へ向けて熱が伝導される状態を模式的に矢印で示している。また、冷媒供給路２０には、相変化を伴う液化された冷媒が供給されるものとして説明する。

サーマルプレート１０において、加熱ヒータ１２によって加熱を行うと、熱は次のように伝導する。則ち、加熱ヒータ１２に通電すると、図４（ａ）の様に、発生した熱の一部は加熱ヒータ１２からプレート本体１１の周部１１ｃを経て上部１１ａに伝導し、温度調節面１４が周囲側から温度上昇する。また、加熱ヒータ１２で発生した熱の残部は底部１１ｂを拡散しつつ伝導して、底部１１ｂが温度上昇する。底部１１ｂが温度上昇すると、冷媒空間１３に充満する気体（空気や冷媒）の対流や底部１１ｂからの輻射によって上部１１ａが加熱される。

結果的に、温度調節面１４は、周部１１ｃ側から伝導される熱と底部１１ｂから受ける熱により、全面に渡って略均一な温度に加熱される。従って、加熱ヒータ１２への通電電力を制御することにより、温度調節面１４の温度分布を略均一に維持しつつ所定の温度に加熱することが可能である。

一方、サーマルプレート１０において、冷媒によって冷却を行う場合は、熱は次のように伝導する。則ち、図４（ｂ）の様に、冷媒供給口２３に供給される液化された冷媒は冷媒供給管２１を経て各冷媒分岐管２２に分流し、分流した冷媒は各冷媒分岐管２２の先端部２４から底部１１ｂに向けて噴射される。ここで、底部１１ｂに冷媒が噴射される部位は、前記加熱ヒータ１２が配設された部位と対峙する。従って、冷媒が噴射されると、底部１１ｂは加熱ヒータ１２の配設部位に沿って環状に冷却される。これにより、温度調節面１４側の上部１１ａの有する熱は周部１１ｃを経て底部１１ｂの冷却部位に伝導し、温度調節面１４が周囲側から冷却される。

また、底部１１ｂの有する熱は冷媒の噴射される環状部位へ向けて伝導し、底部１１ｂが全体に渡って冷却される。底部１１ｂが冷却されると、冷媒空間１３に充満する気体（空気や冷媒）の対流や底部１１ｂの輻射によって上部１１ａが冷却される。結果的に、周部１１ｃ側へ向けて伝導される熱と底部１１ｂによる冷却により、温度調節面１４は全面に渡って略均一な温度に冷却される。従って、冷媒供給路２０への冷媒供給量を制御することにより、温度調節面１４の温度分布を略均一に維持しつつ所定の温度に冷却することが可能である。

従って、本実施形態のサーマルプレート１０によれば、加熱ヒータ１２または冷媒供給路２０への冷媒の供給量を制御することにより、相変化を伴う冷媒を用いつつも、低温から高温に至る広い温度領域において温度調節面１４の温度分布を略均一に維持しつつ所定の温度に温度制御を行うことが可能である。

本実施形態のサーマルプレート１０は、前記した加熱および冷却の基本特性を有する。従って、加熱ヒータ１２と冷媒供給量の双方を制御することにより、温度調節面１４の温度分布を略均一に維持しつつ極めて精密に目標温度に制御することが可能である。

例えば、加熱ヒータ１２の制御によって温度調節面１４の温度が目標温度を超えたときは、冷媒供給量を制御しつつ冷媒を噴射して冷却することにより、温度調節面１４を短時間に目標温度まで低下させることができる。また、逆に、冷媒の噴射量の制御によって温度調節面１４の温度が目標温度を下回ったときは、加熱ヒータ１２を制御して加熱することにより、温度調節面１４を短時間に目標温度まで上昇させることができる。則ち、温度調節面１４の温度と目標温度との間に誤差が生じると、温度調節面１４の温度の均一性を維持しつつ温度誤差を短時間に縮小することができ、温度調節面１４を目標温度に精密に制御可能となる。

ここで、本実施形態のサーマルプレート１０では、図３に示した様に、冷媒供給管２１から放射状に６本の冷媒分岐管２２を延出させた冷媒供給路２０を採用した。しかし、冷媒供給路２０は、別の構成によって同様の機能を持たせることもできる。以下に、冷媒供給路２０の変形例を図５、図６を参照して説明する。

図５は、変形例の冷媒供給路８０を示す部分破断斜視図である。図５に示す冷媒供給路８０は、垂直方向に延びる冷媒供給管８１の上端部に円板形の冷媒拡散部８２を備えた形状であり、冷媒拡散部８２は内部に空間８４を有する。冷媒拡散部８２はプレート本体１１の冷媒空間１３（図２ｂ，図３参照）よりも一回り小さく、当該冷媒空間１３の内部にすっぽり入る程度の大きさである。冷媒供給管８１は冷媒拡散部８２の底部８２ａの中央部に垂直に固定され、当該冷媒供給管８１と空間８４は連通している。また、冷媒拡散部８２の底部８２ａには、外周縁よりも僅かに内方寄りの部位に全周に渡って複数の貫通孔８３が等間隔で設けられ、当該貫通孔８３は冷媒の噴射孔８３として機能する。

噴射孔８３は、冷媒供給路８０をプレート本体１１（図３参照）の内部に固定したときに、加熱ヒータ１２の配設部位と対峙する部位に位置する。

冷媒供給路８０によれば、冷媒供給口８５に供給される冷媒は冷媒供給管８１を上昇して冷媒拡散部８２の空間８４に流入し、空間８４に流入した冷媒は水平方向へ向けて放射状に拡散する。そして、拡散した冷媒は噴射孔８３から下方へ向けて噴出する。
従って、冷媒供給路８０は、前記図３に示した冷媒供給路２０と同一の機能を有するものであるが、噴射孔８３の口径および配設間隔を適宜に設定することにより、加熱ヒータ１２の配設部位に沿って略均等に冷媒を噴射することが可能である。

図６は、別の変形例の冷媒供給路９０を示す部分破断斜視図である。図６に示す冷媒供給路９０は、垂直方向に延びる冷媒供給管９１の上端部に、円板形の冷媒拡散部９２を備えた形状である。冷媒拡散部９２は、上部拡散板９３と下部拡散板９４とを接続部９５で接続して形成される。上部拡散板９３および下部拡散板９４は、円板の外周縁を全周に渡って下方へ折曲した蓋形状を有し、上部拡散板９３は下部拡散板９４よりも一回り大きい。上部拡散板９３と下部拡散板９４は所定の間隔をあけた状態で折曲部９３ａ，９４ａの間に設けた接続部９５で接続されて一体化されている。

則ち、冷媒拡散部９２は、上部拡散板９３と下部拡散板９４との間に水平方向へ放射状に広がる隙間９７を有し、当該隙間９７は周部に至って、折曲部９３ａ，９４ａの間に形成される垂直下方へ向かう隙間９６に連通している。

冷媒拡散部９２は冷媒空間１３（図３参照）よりも一回り小さく、当該冷媒空間１３の内部にすっぽり入る程度の大きさである。冷媒供給管９１は下部拡散板９４の中央部に垂直に固定され、冷媒供給管９１と隙間９７は連通している。また、隙間９６は、冷媒供給路９０をプレート本体１１（図３参照）の内部に固定したときに、加熱ヒータ１２の配設部位と対向する部位に位置する。

冷媒供給路９０によれば、冷媒供給口９８に供給される冷媒は冷媒供給管９１を上昇して冷媒拡散部９２の隙間９７に流入し、水平方向に放射状に拡散する。そして、拡散した冷媒は外周部の隙間９６から下方へ向けて噴射される。従って、冷媒供給路９０は、前記図３に示した冷媒供給路２０と同一の機能を有するが、加熱ヒータ１２の配設部位に沿う環状部位に略均等に冷媒を噴射することが可能である。

尚、図５に示した冷媒供給路８０において、冷媒拡散部８２によって冷媒空間１３が上下に隔離され、輻射、対流による温度調節面１４への熱伝導効率が低減する場合がある。また、図６に示した冷媒供給路９０においても、冷媒拡散部９２によって温度調節面１４への熱伝導効率が低減することがある。このような場合は、冷媒拡散部８２，９２を上下方向へ貫通する貫通孔を適宜に設けることにより、輻射、対流による温度調節面１４への熱伝導効率の改善を図ることが可能である。

次に、図７を参照して本実施形態の試験装置１の詳細を説明する。図７は、本実施形態の試験装置１を示す構成図である。
本実施形態の試験装置１は、前記したサーマルプレート１０に加えて、温度制御部５０、試験制御部５１、冷却回路５２およびプローバ７０を備えて構成される。
温度制御部５０は、加熱ヒータ１２および冷却回路５２の制御を行うことにより、サーマルプレート１０の加熱および冷却の調節を行う。

冷却回路５２は、圧縮装置５３、凝縮装置５４および膨張弁５５とサーマルプレート１０を直列に接続して形成され、代替フロンなどの冷媒を循環させる循環回路である。圧縮装置５３，凝縮装置５４および膨張弁５５はこの順に直列に接続され、膨張弁５５は循環往路５６を介してサーマルプレート１０の冷媒供給口２３に接続される。また、サーマルプレート１０の冷媒回収口２７は循環復路５７を介して圧縮装置５３に接続されている。

冷却回路５２において、圧縮装置５３で圧縮された冷媒は凝縮装置５４で冷却されて液化し、液化した冷媒は膨張弁５５で減圧されつつ液状または気・液混合状態で循環往路５６を介してサーマルプレート１０に供給される。一方、サーマルプレート１０から排出される気化した冷媒は循環復路５７を介して圧縮装置５３に戻り、再び液化されて循環する。本実施形態では、温度制御部５０は、圧縮装置５３の駆動制御を行うことにより、液化された冷媒のサーマルプレート１０への供給量を連続的に制御している。

プローバ７０は、多数のプローブ７１・・を備えている。プローバ７０は試験制御部５１に接続されており、当該試験制御部５１から供給される電源電圧や試験電圧をプローブ７１を介して被試験体である半導体ウェーハ６０に印加する。また、プローバ７０は、半導体ウェーハ６０の出力電圧をプローブ７１を介して試験制御部５１に伝送する機能を備える。則ち、プローバ７０は、試験制御部５１から供給される電源電圧などを半導体ウェーハ６０に印加すると共に、半導体ウェーハ６０の出力電圧を試験制御部５１に伝送する電極の機能を有する。

本実施形態の試験装置１では、次の手順によって半導体ウェーハのバーンイン試験（温度試験）を行う。まず、温度センサー３０の検知温度が、温度制御部５０で予め定めた設定温度と一致するように、加熱ヒータ１２および圧縮装置５３の通電制御を行う。一方、バーンイン試験を行う半導体ウェーハ６０をサーマルプレート１０の温度調節面１４に載置し、半導体ウェーハ６０の上面を覆うようにプローバ７０を被せる。すると、プローバ７０に設けられた各プローブ７１が半導体ウェーハ６０の各バンプ６１に接触し、試験制御部５１からプローバ７０を介して半導体ウェーハ６０の各集積回路に通電が行われる。

これにより、半導体ウェーハ６０は、試験制御部５１から供給される電源電圧や試験電圧による通電状態で駆動されつつ、サーマルプレート１０の温度調節面１４で定まる温度環境下においてバーンイン試験が行われる。試験制御部５１は、半導体ウェーハ６０の各チップから出力される電圧を監視し、電圧異常が生じたチップを検出して正常なチップと区別する。

ここで、バーンイン試験に際しては、前記したように、加熱ヒータ１２への通電電力または冷媒の供給量のいずれか一方だけを制御して、温度調節面１４を目標温度に制御することもできる。
また、加熱ヒータ１２への通電電力および冷媒供給量の双方を制御して温度調節面１４を目標温度に制御することも可能である。これら双方を制御することにより、温度調節面１４の温度が目標温度に対して誤差を生じたときに、目標温度に直ちに補正することができ、温度分布の均一性を維持しつつ温度調節面１４を精密に目標温度に制御することが可能である。

このように、本実施形態のサーマルプレート１０を採用した試験装置１によれば、サーマルプレート１０に相変化を生じる冷媒を直接供給する構成を採用しつつも、温度調節面１４を目標温度に精密に制御してバーンイン試験を実施することが可能となる。これにより、従来のような二次冷媒を用いる構成に比べてサーマルプレート１０の冷却を冷却回路５２のみで構成することができる。これにより、冷却系の構成を著しく簡略化でき、装置の小型化、省コスト化を図ることが可能である。

尚、前記実施形態では、サーマルプレート１０の温度調節面１４の全面に渡って略均一な温度分布が得られるように加熱ヒータ１２および冷媒供給路２０を配設する構成とした。しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、温度調節面１４の温度分布のパターンが、半導体ウェーハ６０への通電に伴う各部の温度上昇の不均衡を補償する温度分布となるように、加熱ヒータ１２をプレート本体１１に配設することもできる。この構成によれば、バーンイン試験に際して、被試験体である半導体ウェーハ６０自体を全面に渡って均一に目標温度に維持することができ、ウェーハ上に形成される各集積回路の温度が均一となって信頼性を向上させたバーンイン試験を行うことが可能となる。

また、前記実施形態で示した試験装置１では、説明を簡略化するために、プレート本体１１の温度を検知する温度センサー３０を設けた構成とした。しかし、このような構成に限らず、半導体ウェーハ６０の温度を検知する温度センサーや、サーマルプレート１０に供給される冷媒の温度を検知する温度センサーを設け、これらの検知温度を温度制御部５０で参照しつつ制御を行うことにより、一層精密な温度制御を行うことが可能である。

また、前記実施形態では、半導体ウェーハ６０のバーンイン試験（温度試験）を行うサーマルプレート１０および試験装置１を例に挙げて述べたが、半導体ウェーハ６０の他にも、電子部品や電気機器などの被試験体に対して温度試験を行うサーマルプレート１０および試験装置１を作製することも可能である。また、本発明のサーマルプレートを恒温恒湿槽などの環境試験装置に適用することも可能である。

（ａ）は本発明の実施形態に係るサーマルプレートの平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその底面図である。 （ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図１（ｃ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１に示すサーマルプレートの部分破断斜視図である。 （ａ）は図１に示すサーマルプレートの加熱部によって熱の伝導する状態を示す模式図、（ｂ）はその冷却部の冷媒の流動状態および熱の伝導状態を示す模式図である。 図１に示すサーマルプレートの冷媒供給路の変形例を示す部分破断斜視図である。 図１に示すサーマルプレートの冷媒供給路の別の変形例を示す部分破断斜視図である。 図１に示すサーマルプレートを用いた本実施形態の試験装置を示す構成図である。 （ａ）は従来のサーマルプレートの正面図、（ｂ）はその底面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図、（ｄ）は（ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。 図８に示すサーマルプレートを用いた従来の試験装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 試験装置
１０ サーマルプレート
１１ プレート本体
１２ 加熱ヒータ
１３ 冷媒空間
１４ 温度調節面
２０，８０，９０ 冷媒供給路
２１ 冷媒供給管
２２ 冷媒分岐管
２４ 先端部（冷媒分岐管の先端部）
２５ 冷媒回収部
５２ 冷却回路

Claims (6)

1. 加熱ヒータと冷媒によって特定の温度調節面の温度を調節するサーマルプレートにおいて、プレート本体に加熱ヒータが配設され、更にプレート本体内に冷媒空間が設けられ、前記加熱ヒータは、プレート本体の外面であって前記温度調節面を除く１または２以上の面に配設され、前記冷媒空間に対して冷媒を供給する冷媒供給路があり、前記冷媒供給路は冷媒空間内で開口し、加熱ヒータの配設部位に対して冷媒空間側から冷媒を噴射することを特徴とするサーマルプレート。
2. 前記冷媒は、常温で気体であるものが液化されて液状または気・液混合状態であり、当該冷媒は前記冷媒供給路を介して冷媒空間に供給されることを特徴とする請求項１に記載のサーマルプレート。
3. 前記プレート本体は内部に前記冷媒空間を有した円筒形状であり、当該プレート本体の一面によって前記温度調節面が形成され、当該温度調節面と対向する面に環状に加熱ヒータが配設され、前記冷媒供給路は冷媒空間内において加熱ヒータの配設部位に沿う内面に向けて環状に冷媒を噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載のサーマルプレート。
4. 前記冷媒供給路は、前記プレート本体の外面であって前記環状の加熱ヒータの略中央部に設けられた冷媒供給管と、当該冷媒供給管から冷媒空間へ放射状に延びる複数の冷媒分岐管とを備え、各冷媒分岐管は冷媒空間においてその先端部を前記加熱ヒータの配設部位に沿う内面に向けて配設されることを特徴とする請求項３に記載のサーマルプレート。
5. 前記冷媒供給管の近傍に、前記冷媒供給路を介して冷媒空間に噴射された冷媒を回収する冷媒回収部を設けたことを特徴とする請求項４に記載のサーマルプレート。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサーマルプレートを用いた試験装置であって、気化した冷媒を液化する冷却回路を備え、当該冷却回路は前記サーマルプレートのプレート本体と接続されて冷媒を循環させる構成とされ、当該冷媒の蒸発潜熱によってプレート本体の冷却を行うことを特徴とする試験装置。

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