JP5000803B2 - 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 - Google Patents

Description

【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 Test））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１０４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（Pelissier）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ＨＦＥ７１００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／ｃｍ^２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ＨＦＥ７１００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 bond）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／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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１３０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１３０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ＤＵＴ１３４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。

Claims (28)

1. デバイス（１０４）の温度を制御する装置であって、
   デバイス（１０４）と熱結合されたヒータ（１１２）と、
   前記ヒータ（１１２）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（１０８）と、
   前記ヒータ（１１２）と前記ヒートシンク（１０８）との両方に連結され、ヒータ（１１２）あるいはデバイス（１０４）のある部位の温度を制御する温度制御システム（１３２）とを備え、
   前記温度制御システム（１３２）は、ヒータ（１１２）の制御を変化させ、かつ、前記チャンバを流れる液体を一定温度に維持することによりヒータ（１１２）あるいはデバイス（１０４）の前記部位の温度を、デバイス（１０４）の温度の変化速度が経時的に変化するように第１設定温度から第２設定温度へと変化させ、上記液体は−４０℃まで低い作動温度範囲を有し、上記液体は−１０℃まで低い範囲の作動設定温度を有する温度制御装置。
2. 前記温度制御システム（１３２）は、５分以内にヒータ（１１２）の前記部位の温度を第１設定温度から第２設定温度へと移動させるようにした請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記ヒータ（１１２）は、デバイス（１０４）がソケットにあるときに該デバイス（１０４）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。
4. 前記ヒータ（１１２）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。
5. 前記デバイス（１０４）は前記ヒータ（１１２）の下方で前記ヒータ（１１２）の底面に接触して配置され、前記ヒータ（１１２）は前記デバイス（１０４）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。
6. 装置がヘリウムガスをヒータ（１１２）とデバイス（１０４）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５に記載の温度制御装置。
7. 前記温度制御システム（１３２）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。
8. 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。
9. 前記温度制御システム（１３２）がデバイス（１０４）上のある部位の温度に関する入力を受け取るようにした請求項１に記載の温度制御装置。
10. 前記温度制御システム（１３２）は、デバイス（１０４）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（１０４）の前記部位の温度を第１設定温度に維持するようにした請求項９に記載の温度制御装置。
11. 前記温度制御システム（１３２）がデバイス（１０４）の温度を、ヒートシンク（１０８）に流入する液体の温度より少なくとも５０℃以上である設定温度に維持するようにした請求項９に記載の温度制御装置。
12. 前記温度制御システム（１３２）が受けるデバイス（１０４）の温度に関する入力が、デバイス（１０４）のパワープロフィールと、デバイス（１０４）のパワー消費量と、デバイス（１０４）の電流消費量と、デバイス（１０４）の温度と、デバイス（１０４）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９に記載の温度制御装置。
13. 前記温度制御システム（１３２）は、自己加熱によるデバイス（１０４）の温度変動を吸収するように、デバイス（１０４）の前記部位の温度を制御するようにした請求項１０に記載の温度制御装置。
14. 前記温度制御システム（１３２）は、デバイス（１０４）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（１０４）の前記部位の温度を第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（１０４）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１０に記載の温度制御装置。
15. 前記温度制御システム（１３２）は、チャンバに流入する液体の温度が前記第１設定温度より低い一定の温度に維持されている間に、デバイス（１０４）の前記部位の温度を第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。
16. 温度制御装置は両方の設定温度に対してヒートシンク（１０８）のチャンバにある共通の液体を利用すると共に、ヒータ（１１２）の制御は、温度制御システム（１３２）がチャンバ内の液体の温度を移動させている間一定になるようにした請求項１に記載の温度制御装置。
17. 前記温度制御システム（１３２）はデバイス（１０４）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（１３２）がデバイス（１０４）の温度を第１設定値に維持するようにした請求項１６に記載の温度制御装置。
18. 前記温度制御システム（１３２）は、デバイス（１０４）の温度を第１設定温度に維持すべくヒータ（１１２）を制御し、デバイス（１０４）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、第２設定温度に維持するようにした請求項１６に記載の温度制御装置。
19. 前記温度制御システム（１３２）は、ヒータ（１１２）へ供給するパワーを制御すると共に、ヒートシンク（１０８）の表面の温度を制御することにより、デバイス（１０４）の前記部位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請求項１に記載の温度制御装置。
20. 前記温度制御システム（１３２）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ヒートシンク（１０８）の表面の温度を制御するようにした請求項１９に記載の温度制御装置。
21. 前記温度制御システム（１３２）は、デバイス（１０４）の自己加熱があったとしても、そのデバイス（１０４）の一箇所の温度を設定温度に維持するとともに、ヒータ（１１２）の温度を変化させ、ヒートシンク（１０８）の表面の温度を一定の温度に維持することにより、デバイス（１０４）の前記部位の温度を制御するようにした請求項１に記載の温度制御装置。
22. 前記液体は６０℃まで高い作動温度範囲を有している請求項１に記載の温度制御装置。
23. 作動設定温度が−３５℃まで低い請求項１に記載の温度制御装置。
24. 作動設定温度が＋１１０℃まで高い請求項１に記載の温度制御装置。
25. 作動設定温度が＋１２５℃まで高い請求項１に記載の温度制御装置。
26. テスト中の半導体デバイス（１０４）と熱結合されたヒータ（１１２）と、前記ヒータ（１１２）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（１０８）と、前記ヒータ（１１２）と前記ヒートシンク（１０８）との両方に連結された温度制御システム（１３２）とを備えたシステムに利用される前記半導体デバイス（１０４）の温度を制御する方法であって、
    前記デバイス（１０４）の温度を第１設定温度から移動させるステップと、
    前記ヒータ（１１２）の温度を変化させて、チャンバに流入する液体を一定温度に維持することにより、前記デバイス（１０４）の温度を、デバイス（１０４）の温度の変化速度が経時的に変化するように第１設定温度から第２設定温度へと移動させるステップとを備え、
    上記液体は−４０℃まで低い作動温度範囲を有し、上記液体は−１０℃まで低い範囲の作動設定温度を有する温度制御方法。
27. 自己加熱があったとしても半導体デバイス（１０４）の温度を第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（１０４）の温度を第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（１０４）の温度を第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一定温度に維持しながら、前記ヒータ（１１２）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２６に記載の温度制御方法。
28. 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第１設定温度から第２設定温度への前記デバイス（１０４）の温度の全ての移動をもたらすようにした請求項２６に記載の温度制御方法。

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