KR20070022232A - Miniature Fluid-Cooled Heat Sink with Integral Heater - Google Patents
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Abstract
일체형 히터와 감지 요소를 구비하는 미니 액체-냉각 히트 싱크를 포함하는 온도 제어 장치가, 시험 동안에 반도체 소자 등의 전자 장치에 제어된 온도 표면을 제공하는 시스템의 일부분으로 사용된다. 온도 제어 장치는, 장치로부터 시험하의 소자로 열 경로를 제공하도록 구성된 인터페이스면을 포함한다. 그러한 장치는 제1 평면에 제1 열전달부를, 제2 평면에는 제2 열전잘부를 포함하는 액체-냉각 히트 싱크를 구비한다. 제1 및 제2 열전달부는, 히트 싱크 구조 내에서 냉매의 3차원 단면-유동을 확립한다. 다른 실시예는, 평행한 유체 도관을 포함하는데, 각각의 유체 도관은 유체 도관 내에서 3차원적으로 냉매 유동을 유도하는 3차원 마이크로채널 구조를 구비한다. 인접하는 유체 도관을 통해 반대 방향으로 유동하는 냉매는 그러므로, 히트 싱크 구조 내에서 3차원 단면 유동을 야기한다.A temperature control device comprising a mini liquid-cooled heat sink with an integrated heater and sensing element is used as part of a system that provides a controlled temperature surface to electronic devices such as semiconductor devices during testing. The temperature control device includes an interface surface configured to provide a thermal path from the device to the device under test. Such a device has a liquid-cooled heat sink comprising a first heat transfer portion in a first plane and a second heat transfer portion in a second plane. The first and second heat transfer sections establish three-dimensional cross-flow of refrigerant within the heat sink structure. Another embodiment includes parallel fluid conduits, each fluid conduit having a three-dimensional microchannel structure that induces refrigerant flow three-dimensionally within the fluid conduit. Refrigerant flowing in opposite directions through adjacent fluid conduits therefore results in three-dimensional cross-sectional flow within the heat sink structure.
유체-냉각, 일체형 히터, 인터페이스면 Fluid-Cooled, Integrated Heater, Interface Surface
Description
본 발명은 일반적으로 시험하는 동안에 전자 소자의 온도를 제어하는 온도 제어 장치에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명은, 일체형 히터와 시험하의 전자 소자의 작동 온도를 일정하게 유지하는 감지 요소를 구비하는 미니 유체-냉각 히트 싱크에 관한 것이다.The present invention generally relates to a temperature control device for controlling the temperature of an electronic device during testing. More particularly, the present invention relates to a mini fluid-cooled heat sink having an integrated heater and a sensing element that maintains a constant operating temperature of the electronic device under test.
집적 회로와 같은 전자 소자는, 보통 사용에 앞서 시험을 거친다. 소자 제작자는 보통, 소자에 결함이 없고 그 사양에 따라 소자가 기능한다는 것을 보장하기 위해 많은 전기 및 물리적 시험을 수행한다. 소자 시험의 통상의 형태는, 번-인(burn-in) 시험과 전기 성능 시험을 포함한다.Electronic devices, such as integrated circuits, are usually tested before use. Device manufacturers usually perform many electrical and physical tests to ensure that the device is free of defects and that the device functions according to its specifications. Common forms of device testing include burn-in tests and electrical performance tests.
시험하의 전자 소자("DUT")의 작동 온도는, 보통 주의 깊은 모니터링 및/또는 조절을 필요로 하는 중요한 시험 파라메타이다. 예를 들어, 전기 시험 절차는, 많은 특정 시험 온도 또는 시험 온도의 특정 범위를 지정할 수 있다. 결과적으로, 종래 기술은, 다른 형태의 온도 제어 시스템, 히트 싱크 부품, 가열하고 냉각하고 그렇지 않으면 DUT의 작동 온도를 제어하도록 설계된 히터 요소가 가득했다. 이러한 온도 제어 시스템은, 전자 시험 절차 도중에 DUT 작동 온도를 일정한 상태로 유지하도록 설계되어 있다. 그러나 시험하는 동안에 DUT가 급격하거나 과도한 내부 온도 변화를 보이면 DUT의 온도를 조절하기가 어려울 수 있는데, DUT 내의 전자 장치가 종종 그러한 내부 온도 변화를 야기하는 열을 발생시키곤 한다. 종래 기술에 의한 구성으로는, DUT에 의해 발생하는 빠른 온도 변화를 효율적이고 효과적으로 보상을 할 수 없었을 것이다.The operating temperature of the electronic device under test ("DUT") is an important test parameter that usually requires careful monitoring and / or adjustment. For example, electrical test procedures can specify many specific test temperatures or specific ranges of test temperatures. As a result, the prior art was full of other forms of temperature control systems, heat sink components, heater elements designed to heat and cool and otherwise control the operating temperature of the DUT. This temperature control system is designed to keep the DUT operating temperature constant during the electronic test procedure. However, if the DUT shows a sudden or excessive internal temperature change during testing, it may be difficult to control the temperature of the DUT, and electronic devices in the DUT often generate heat that causes such internal temperature changes. In the prior art configuration, it would not be possible to efficiently and effectively compensate for the rapid temperature change generated by the DUT.
본 발명의 양호한 실시예는, 일체형 히터 및 감지 요소를 구비하는 미니 유체-냉각 히트 싱크를 포함하는 온도 제어 장치로 인식된다. 장치는, 시험 동안에 반도체 소자 등의 전자 DUT에 제어된 온도면을 제공하는 온도 제어 시스템의 일 부분으로 사용될 수 있다. 하나의 예시적 실시예에 의하면, 액체-냉각 히트 싱크는 유입구와 유출구를 구비하는 두 개의 내부 냉각 통로와 열전달부를 포함한다. 열전달부는 분리 평면에 배치되고 냉각 핀을 포함할 수 있다. 장치에는 두 개의 일체형 히터가 배치된다. 일체형 히터의 위치에 대해서 다른 실시예가 도시된다. 다른 예시적 실시예에 의하면, 온도 제어 장치는, DUT 인터페이스면의 냉각을 위해 3차원적으로 냉매의 단면-유동을 유지하도록 구성된 유체-냉각 히트 싱크를 포함한다. 히트 싱크 구조는, 각 유체 도관 내에서 3차원적으로 냉매 유동을 유도하는 3차원 마이크로채널 구조를 채용할 수 있다.A preferred embodiment of the invention is recognized as a temperature control device comprising a mini fluid-cooled heat sink with an integrated heater and sensing element. The device can be used as part of a temperature control system that provides a controlled temperature plane to an electronic DUT such as a semiconductor device during testing. According to one exemplary embodiment, the liquid-cooled heat sink includes two internal cooling passages and heat transfer sections having inlets and outlets. The heat transfer portion may be disposed in the separation plane and include cooling fins. The device is arranged with two integrated heaters. Another embodiment is shown for the location of the integrated heater. According to another exemplary embodiment, the temperature control device comprises a fluid-cooled heat sink configured to maintain the cross-sectional flow of refrigerant in three dimensions for cooling the DUT interface surface. The heat sink structure may employ a three-dimensional microchannel structure that induces refrigerant flow three-dimensionally in each fluid conduit.
도면 전체에 걸쳐서 비슷한 도면 부호는 유사한 요소를 가리키는 다음 도면과 함께 설명되는 발명의 상세한 설명과 특허청구범위를 참조함으로써 본 발명의 좀더 완전한 이해가 가능할 것이다.Throughout the drawings, like reference numerals refer to the detailed description of the invention and the appended claims, taken in conjunction with the following drawings, in which like elements designate a more complete understanding of the invention.
도 1은 시험하의 소자의 온도를 조절하는 온도 제어 장치의 사시도이다.1 is a perspective view of a temperature control device for adjusting the temperature of an element under test.
도 2는 냉각층과 통로가 도시된, 도 1의 온도 제어 장치의 분해 사시도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view of the temperature control device of FIG. 1, showing the cooling layer and the passage.
도 3 내지 도 5는, 냉각층과 관련한 히터층 위치가 도시된, 다양한 온도 제어 장치의 분해 사시도이다.3 to 5 are exploded perspective views of various temperature control devices, in which heater layer positions are shown relative to the cooling layer.
도 6은, DUT 인터페이스면 쪽이 도시된 온도 제어 장치의 사시도이다.6 is a perspective view of the temperature control device in which the DUT interface surface is shown.
도 7은 유체 진입/진출 쪽이 도시된, 도 6에 도시되어 있는 온도 제어 장치의 사시도이다.FIG. 7 is a perspective view of the temperature control device shown in FIG. 6 with the fluid entry / exit side shown.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 온도 제어 장치의 분해 사시도이다.8 is an exploded perspective view of the temperature control device illustrated in FIGS. 6 and 7.
도 9는, 도 8에 도시된 온도 제어 장치의 외부층 중 하나의 평면도이다.FIG. 9 is a plan view of one of the outer layers of the temperature control device shown in FIG. 8.
도 10은, 도 8에 도시된 온도 제어 장치의 내부층 중 하나의 평면도이다.FIG. 10 is a plan view of one of the inner layers of the temperature control device shown in FIG. 8.
도 11은, 도 6 및 도 7에 도시된 온도 제어 장치 내에 형성되어 있을 수 있는 예시적 마이크로채널 구조의 모식적 사시도이다.FIG. 11 is a schematic perspective view of an exemplary microchannel structure that may be formed within the temperature control device shown in FIGS. 6 and 7.
본 발명에 의한 온도 제어 장치는, 온도 제어 장치의 DUT 인터페이스면을 냉 각하기 위해 3차원적으로 냉매의 단면 흐름을 유지하는 유체-냉각 히트 싱크 구조를 채용하고 있다. 하나의 예시적 실시예에 의하면, 히트 싱크 구조는, 3차원 냉매 흐름을 확립하는, 적어도 두 개의 층으로 되어 있는 열전달부를 포함한다. 다른 예시적 실시예에서는, 히트 싱크 구조는, 유체 도관 혹은 채널 내에서 3차원저으로 냉매가 흐르도록 강제하는 마이크로채널 구조를 포함한다. 다른 실제적 실시예도 본 발명의 범위 및 정신 내에 역시 포함될 수 있다.The temperature control device according to the present invention employs a fluid-cooled heat sink structure that maintains a cross-sectional flow of refrigerant in three dimensions in order to cool the DUT interface surface of the temperature control device. According to one exemplary embodiment, the heat sink structure includes at least two layers of heat transfer to establish a three-dimensional refrigerant flow. In another exemplary embodiment, the heat sink structure includes a microchannel structure that forces refrigerant to flow into the three-dimensional bottom within the fluid conduit or channel. Other practical embodiments may also be included within the scope and spirit of the invention.
일체형 히터와 감지 요소를 구비하는 미니 유체-냉각 히트 싱크는, 온도 제어 시스템의 일부분으로 사용되어, 시험 상태 동안에 반도체 소자 등의 전자 장치에 제어되는 온도면을 제공한다. 사용에 있어서, 반도체 소자는, 장치 또는 금속판 등의 인터페이스 재료나 영역-적응 열 배포부(area-adapting heat spreader) 중 하나와 직접 접촉하도록 배치된다. 사용에 있어서, 일체형 가열 요소는 그 자신과 소자를 설정 온도로 가열하는데 사용되고, 감지 요소는 온도를 감지하고, 히트 싱크를 통해 유동하는 냉매는 소자로부터 초과열을 제거한다.Mini-fluid-cooled heat sinks with integrated heaters and sensing elements are used as part of the temperature control system to provide controlled temperature surfaces to electronic devices such as semiconductor devices during the test condition. In use, the semiconductor device is arranged to be in direct contact with one of an interface material, such as a device or metal plate, or an area-adapting heat spreader. In use, an integral heating element is used to heat itself and the device to a set temperature, the sensing element senses the temperature, and the refrigerant flowing through the heat sink removes excess heat from the device.
실제적인 온도 제어 장치는, -55℃ 내지 155℃ 사이의 시험 온도를 숭ㅇ하도록 설계될 수 있다. 그러나 대부분의 전자 소자는, 보통 -45℃ 내지 120℃ 사이의 온도에서 시험된다.(이러한 예시적 온도 범위는 향후에는 변경될 수 있으며 본 발명은 특정 시험 온도 범위에 제한되지 않는다.) 그리고, 전자 소자의 시험 사양은 보통 일시적 온도를 요구하지 않는데 즉, 대부분의 전자 시험은 실질적으로 일정한 상태 작동 온도에서 수행된다. 여기에 설명되는 장치의 하나의 장점은, 그것의 작은 크기, 낮은 열 질량, 전자 가열이 설정 온도로부터 벗어나는 경우 매우 신속한 보정을 허용한다는 점이다. 또한, 온도 제어 장치의 일체성은 설계를 단순화시키고 추가적인 조립을 필요로 하지 않는다. 한번 조립되면, 열전도성이 있는 재료를 사용하는 장치의 단일성(monolithic nature)이, 유체 채널이 열을 효과적이고 반복적으로 제거하는 것을 보장한다.Practical temperature control devices can be designed to honor test temperatures between -55 ° C and 155 ° C. However, most electronic devices are usually tested at temperatures between -45 ° C and 120 ° C. (These exemplary temperature ranges may change in the future and the present invention is not limited to specific test temperature ranges.) The test specification of the device usually does not require a transient temperature, ie most electronic tests are performed at a substantially constant operating temperature. One advantage of the device described here is that its small size, low thermal mass, allows for very rapid calibration when the electronic heating deviates from the set temperature. In addition, the integration of the temperature control device simplifies the design and does not require additional assembly. Once assembled, the monolithic nature of the device using a thermally conductive material ensures that the fluid channel removes heat effectively and repeatedly.
도 1에는, DUT(102)의 온도를 조절하는데에 사용하는 온도 제어 장치(100)의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있다. 여기에서 예시적인 실시예를 설명하기 위한 목적으로, DUT(102)는 마이크로프로세서 칩 등의 전자 반도체 회로 소자이다. 또는, DUT(102)는 특정한 설정 온도에서 하나 이상의 시험이 수행되도록 되어 있는 전자, 기계 또는 다른 장치가 될 수도 있다. 온도 제어 장치(100)는, 전원 공급, 냉매 유동 제어, 입력 신호, 및 가능하면 DUT(102)로의 다른 입력을 제공하는 적절한 시험 시스템(도시되지 않음)과 협력할 수 있다. 전형적인 시험 시스템은 또한, 시험 절차 동안에 DUT(102)에 의해 발생하는 많은 출력과 신호를 모니터한다.1 shows a perspective view of one embodiment of a
온도 제어 장치(100)는, 온도 제어 장치(100)로부터 DUT(102)로 열 경로를 제공하는 인터페이스면 또는 제1 쪽(103)에서 제어된 온도를 제공하도록 설계되어 있다. DUT(102)는, 온도 제어 장치(100)의 인터페이스면(103)에 대항하거나 근접하여 유지되는 것이 바람직하다. 온도 제어 장치(100)의 내측에는, 내부 냉각 통로, 일체형 히터, 감지 요소가 있다. 인터페이스면(103)에서의 온도를 조절하기 위해, 일체형 히터가 켜져서 열을 공급하고, 유체는 냉각 통로를 통해 흘러서 냉각을 제공한다. 다음 도면과 설명은, 냉각 통로와 일체형 히터층 그리고 그 위치에 대해서 설명할 것이다.The
온도 조절 장치(100)는, 적절하게 구성된 제어 시스템(101)에 의해 조절될 수 있다. 감지 요소는 제어 시스템에 입력을 제공하는데 사용되어 온도 제어 장치(100)의 온도를 모니터하고 언제 가열되거나 냉각되어야 할지를 결정한다. 제어 시스템(101)은, 온도 제어 장치(100)에 수용된 일체형 히터 및/또는 냉각 시스템에 입력 신호로서 기능하는 제어 신호를 발생한다. 제어 신호는, 하나 이상의 시험 기준, 작동 조건 또는 피드백 신호에 반응하여 제어 시스템(101)에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(101)은 다음과 같은 파라미터 중 어느 것에 반응하여 제어 신호를 생성할 수 있는데, 이 파라미터들은, DUT(102)에 대한 현재 시험 사양과 관련되어 설정된 시험 온도; 예를 들어, 입력 전원 신호, 입력 전압 또는 입력 전류 등과 같이 DUT(102)에 의해 사용되는 입력 신호; DUT(102)의 실시간 작동 온도를 나타내는 신호; 예를 들어 반도체 다이 등의 DUT(102)의 내부 부품의 실시간 작동 온도를 나타내는 신호; 온도 제어 장치(100)의 일 부분의 실시간 온도를 나타내는 신호; DUT(102)의 RF 시그너쳐; 또는 기타 파라미터이다.The temperature regulating
온도 제어 장치(100)를 냉각하기 위해, 유체가, 제1 내부 냉각 통로(104)와 제2 내부 냉각 통로(106)를 통과한다.(도 2 참조) 유체는, 물, 공기, 냉매 또는 소망하는 열 특성을 가지는 다른 유체 물질일 수 있다. 제1 내부 냉각 통로(104)는 유입구(108)와 유출구(109)를 구비하고 있다. 제2 내부 냉각 통로(106)는, 유입구(110)와 유출구(111)를 구비하고 있다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 유체(112A)는, 제1 유입구(108)를 통해 진입하고 유체(112B)는 제1 유출구(109)를 통해 나온다. 제2 유체(114A)는 제2 유입구(110)를 통해 진입하고, 제2 유체 (114B)는 제2 유출구(111)를 통해 나온다. 유체는 내부 통로(104, 106)를 통해 유동하여 온도 제어 장치(100)를 냉각한다. 냉매 시스템(도시되지 않음)은 유체(112, 114)를 제공할 수 있고, 온도 제어 장치(100)와 협력하여 온도와 유체의 유동률을 조절한다. 냉매 시스템은 유입구(108, 110)를 통해 온도 제어 장치(100)로 유체를 펌프질하고 유출구(109, 111)를 통해 복귀한 유체를 받는다. 유입 및 유출 포트는, 적절한 유체 피팅(도시되지 않음)이 부착될 수 있도록 내부 나사선을 가지도록 설계될 수 있다. 유체 피팅은, 온도 제어 장치(100)와 냉매 시스템 사이에서 유체를 운반하는 유체 전달 호스 또는 도관을 수용한다.In order to cool the
도 2에는, 온도 제어 장치(100)의 냉각부의 층 중 몇몇의 분해 사시도가 도시되어 있다. 냉각부는, 온도 제어 장치(100)를 통해 지나가는 두 개의 냉각 통로(104,106)를 포함한다. 각각의 냉각 통로는, 유입구, 유출구, 그리고 장치를 통해 연속적인 유체 도관을 만드는 열전달부 또는 열전달층을 구비한다. 유입구와 유출구는, 설계에 따라 하나 이상의 층을 포함할 수 있는 커버층(116)에 배치된다. 도 2에 도시된 커버층(116)은, 유체 유동을 다른 층으로 유도하고 유체 통로 각각을 분리시키는 채널과 통로를 제공하는 다중층(116A, 116B, 116C)을 구비한다. 냉각 통로(104, 106)를 통한 유체 유동 경로는 도 2에 도시되어 있다.2, an exploded perspective view of some of the layers of the cooling section of the
제1 냉각 통로(104)는, 커버층(116A)의 제1 유입구(108)에서 시작하여, 층(116B)의 제1 단부에서 유체 개구(118A)로 안내하는 층(116B)상의 통로로 개구한다. 층의 개수와 제1 열전달부 또는 열전달층에 따라서, 이어지는 유체 개구(118)가 있을 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 층(116C)에는 유체 개구(118B)가 있 고, 제1 열전달부 또는 열전달층으로 안내되는 층(120)에는 유체 개구(118C)가 있다. 제1 열전달부 또는 열전달층(122)은, 유체가 가까운 단부로 진입하고, 층을 가로지르고 다양한 개구 또는 통로를 통해 제2 단부로 유동하여 층(122)으로 나간다. 열전달층(122)에서 유체가 잘 퍼지는 것을 도와주기 위해, 제1 단부로부터 제2 단부로 안내되는 복수 개의 유체 채널 또는 핀(123)이 있을 수 있다. 유체 채널 또는 핀(123)의 특별한 설계는, 재료의 열 특성, 유체의 열 특성 및 물리적 특성, 유체의 유동률, 장치의 크기 등과 같은 파라미터에 의존할 수 있다. 열전달층(122)의 제2 단부에서, 유체 통로는, 층(120)의 유체 개구(119C), 층(116C)의 유체 개구(119B), 층(116B)의 유체 개구(119A)로 계속이어져서 마지막에는 제1 유출구(109)로 안내된다.The
제2 냉각 통로(106)는, 커버층(116A)의 제2 유입구(110)에서 시작하여, 층(116C)의 유체 개구(199B) 근처에서 유체 개구(126)으로 안내되는 층(116C)의 통로로 안내되는 층(116B)을 통과하는 통로(124)에 개구한다. 층의 개수와 제1 열전달부 또는 열전달층의 위치에 따라서, 이어지는 유체 개구(126)가 있을 수 있다. 도시된 바와 같이, 유체 개구(126)는, 제2 열전달부 또는 열전달층(120)으로 안내된다. 제2 열전달부 또는 열전달층(120)은, 유체가 제1 단부 근처로 진입하고, 층을 가로지르고 다양한 개구 또는 통로를 통과해 제2 단부로 유동하여 층(120)으로 나가도록 설계되어 있다. 열전달층(120)에서 유체가 퍼지는 것을 도와주기 위하여, 제1 단부에서 제2 단부로 안내되는 복수 개의 유체 채널 또는 핀(121)이 있을 수 있다. 유체 채널 또는 핀(121)의 특별한 설계는, 재료의 열 특성, 유체의 열 및 물리적 특성, 유체의 유동률, 장치 크기 등과 같은 파라미터에 의존한다. 열전달층(120)의 제2 단부에서, 유체 통로(106)는, 층(116C)의 유체 개구(128)과 층(116B)의 유체 개구(130)로 안내되어 제2 유출구(111)로 안내된다. 유체는, 냉각 통로에서 하나의 방향으로 유동할 수 있지만, 성능 향상을 위해서는, 유체는 각 통로에서 대향하는 방향으로 유동해야 한다. 이러한 설계의 하나의 목표는, 온도 제어 장치(100)의 표면 온도 변화율(surface temperature gradient)를 저감하는 것이다.The
예시적 실시예에서는, 제1 열전달부(122)는 제1 평면에 있고, 제2 열전달부(120)는 제2 평면에 있는데, 제1 평면은 제2 평면보다 인터페이스면(103)에 더 가까이 있다. 실제로는, 두 개의 평면이 도 2에 도시된 바와 같이 서로에 대해 평행이다. 이러한 적층 구조는 3차원적으로 냉매의 단면 유동을 촉진시킨다. 도면에는 두 개의 열전달층이 도시되어 있지만, 실제 설치에 있어서는, 직접적으로 서로 적층되거나 하나 이상의 다른 요소에 의해 분리되거나간에 어떤 개수의 열전달층을 채용할 수 있다.In an exemplary embodiment, the first
도시된 온도 제어 장치(100)에 사용되는 두 개의 일체형 히터로서 제1 히터층(132)과 제2 히터층(134)이 있다. 실제로는, 다양한 개수의 히터층이 사용될 수 있다. 도 3 내지 도 5에는, 일체형 히터층이 다양한 위치에서 온도 제어 장치(100)의 내부에 배치되는 것의 예가 도시되어 있다. 이 도면들에서, 커버층(116)은 단일층으로 도시되어 있지만 전술한 바와 같이 다중층을 가질 수도 있다. 히터층(132, 134)은, 제어기(101)에 연결된 외부 연결부(136)를 구비하는 기판 상에 전 기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 트레이스로 만들어질 수 있다. 기판은, 실리콘, 세라믹 또는 다른 적절한 재료로 만들어 질 수 있다. 저항 트레이스(138)는, 균일한 가열을 제공하거나 또는 차등 제어로 차등 가열을 제공하도록 구성될 수 있다. 적절한 곳에, 히터층에 유체 통로(104, 106)를 위한 유체 개구가 있을 수 있다. 도 3에는, 열전달층(120, 122)이 히터층(132, 134)과 커버층(116) 사이에 배치되도록, 히터층(132, 134)이 인터페이스면(103) 근처에 도시되어 있다. 히터층(132, 134)이 커버층(116)과 열전달층(120, 122)으로부터 멀어지게 배치되어 있으므로, 유체 개구가 히터층을 통과할 필요가 없다. 도 4에서, 열전달층(120, 122)는 인터페이스면(103) 근처에 있고, 히터층(132, 134)은 열전달층(120, 122)과 커버층(116) 사이에 배치된다. 히터층(132, 134)이 커버층(116)과 열전달층(120, 122) 사이에 배치되므로, 히터층(132, 134)를 통과하는 유체 개구(118, 128)는 제1 단부 근처에 있고, 히터층을 유체 개구(119, 126)는 유체 통로(104, 106)의 일부분으로서 제2 단부 근처에 있다. 전기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 트레이스(138)는, 유체 개구 사이의 각각의 히터층(132, 134) 상에 배치된다. 도 5에는, 히터층(132)이 인터페이스층(103) 근처에 있고, 히터층(134)은 커버층(116) 근처에 있다. 열전달층(120, 122)은 히터층(132, 134) 사이에 배치된다. 히터층(134)은, 커버층(116)과 열전달층(120, 122) 사이에 배치되므로, 히터층(134)을 통과하는 유체 개구(118, 128)는 제1 단부 근처에 있고, 히터층을 통과하는 유체 개구(119, 126)는 유체 통로(104, 106)의 부분으로서 제2 단부 근처에 있다. 전기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 트레이스(138)는, 유체 개구 사이의 히터층(134) 상에 배치된다.Two integrated heaters used in the illustrated
하나 이상의 감지 요소가 온도 제어 장치(100)에 포함된다. 감지 요소는, 제어 시스템 또는 센서 판독을 모니터하는 다른 수단에 연결되어 있다. 감지 요소는, 온도 제어 장치(100)에서 하나 이상의 위치에서의 온도를 표시하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서는, 인터페이스면(103) 온도, 히터층(132, 134) 온도(분리하거나 또는 통합하여), 유체 온도 또는 열전달층 온도(분리하거나 또는 통합하여), 그리고 감지가 적절하거나 소망되는 다른 곳의 온도를 모니터할 수 있다.One or more sensing elements are included in the
작동할 때에, 온도 제어 장치(100)는, 시험 상태 동안에, DUT(102)에 제어된 온도면(103)을 제공함으로써 DUT(102)를 열적으로 제어할 수 있다. DUT(102)는 장치와 직접 접촉하게 배치되거나, 또는 사용하는 동안에 금속판 등의 인터페이스 재료 또는 영역-적응 열 배포기를 사용한다. 그리고 나서 DUT(102)는 시험 사양에 의해 요구되는 바와 같은 기능 시험에 놓이게 된다. 제어 시스템(101) 또는 시험 장비는, 기능 시험 동안에 DUT(102)의 온도를 모니터하고, 온도 제어 장치(100)와 관련되는 가열 및 냉각 요소의 온도를 조절한다. 일체형 히터층(132, 134)은 전원 레벨을 변화시켜서 함께 또는 별도로 켜지고 꺼져서 소자를 가열하고, 냉각 유체는, 유체 통로(104, 106)를 통과해 유동하여 소자를 냉각시킨다. 하나의 실제 실시예에서는, 각 가열 요소의 온도는, 요소에 인가되는 각 전원을 조정함으로써 독립적으로 제어된다.In operation, the
온도 제어 장치(100)는, DUT에 직접적인 열 경로를 제공함으로써 DUT를 가열하거나 냉각하도록 구성되어 있다. 도시된 실시예에 의하면, DUT로의 열경로는, 제어된 열 인터페이스면(103)으로부터 커버층(116)까지이다. 도 3에서는, 열경로 가 제1 히터층(132)과, 제2 히터층(134)과, 제1 열전달층(122)과 제2 열전달층(120)을 포함한다. 도 4에서는, 열경로가 제1 열전달층(122)과, 제2 열전달층(120)과, 제1 히터층(132)과 제2 히터층(134)을 포함한다. 도 5에서는, 열경로가 제1 히터층(132)과, 제1 열전달층(122)과, 제2 열전달층(120)과, 제2 히터층(134)을 포함한다. 추가적인 열경로를 제공하는 추가적 구성이 있을 수 있다.The
물론, 온도 제어 장치(100)의 제어된 열적 인터페이스면(103)의 크기와 형상은 특정 DUT의 크기와 형상과 맞추어지도록 적절하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 통상의 마이크로프로세서를 시험하기 위하여, 장치의 크기를, 폭 1인치, 길이 2인치, 두께 0.25 인치로 할 수 있다.(다른 크기 및 형상도 특별한 적용을 수용하기 위해 채용될 수 있다.) 또는, 열 전도체로 형성된 적절하게 구성된 정합 요소(mating element)가, 온도 제어 장치(100)와 DUT(102) 사이에 배치될 수 있다. 정합 요소는, DUT의 특별한 물리적 특성을 수용하거나 또는 DUT의 특정 영역에서 가열 또는 냉각을 집중하기 위하여 바람직할 수 있다.Of course, the size and shape of the controlled
전술한 바와 같이, 열전달층(120, 122)은, 유체로부터 냉매로의 열전달을 증진하기 위해 구성되고 배열된 다수의 냉각핀을 포함할 수 있다. 또한 복수 개의 평행 냉각핀이 열전달층(120, 122)에서 유체 유동 경로에 대해 평행하다. 실제 실시예에 의하면, 각각의 냉각 핀은 두께가 대략 0.012 인치이다. 그리고 이웃하는 냉각 핀은 대략 0.012 인치만큼 떨어져 있다. 또는, 열전달층은 적절한 냉각핀을 채용할 수 있는데, 특별한 설계는, 히트 싱크 재료의 열특성, 냉매의 열 및 물리적 특성, 냉매의 유동률, 열전달층의 크기 등과 같은 파라미터에 의존할 수 있다.As noted above, the heat transfer layers 120 and 122 may include a plurality of cooling fins constructed and arranged to promote heat transfer from the fluid to the refrigerant. In addition, a plurality of parallel cooling fins are parallel to the fluid flow path in the heat transfer layers 120, 122. In a practical embodiment, each cooling fin is approximately 0.012 inches thick. And neighboring cooling fins are approximately 0.012 inches apart. Alternatively, the heat transfer layer may employ suitable cooling fins, and the particular design may depend on parameters such as heat characteristics of the heat sink material, heat and physical properties of the coolant, flow rate of the coolant, size of the heat transfer layer, and the like.
전기 전도성 "잉크"가, 기판 상에 전기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 트레이스(138)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 실제적 실시예에 의하면, 전도성 잉크는, 니켈, 텅스텐, 또는 비교적 높은 전기 저항을 가지는 다른 합금을 포함한다. 기판은, 패턴화되어 있고, 전도성 잉크는 기판의 표면상에 인쇄되고 기판은 적층에 의해 추가적인 층에 결합될 수 있다. 신호 와이어 또는 리드선(136)이 납땜되거나, 그렇지 않으면 각각의 트레이스에 부착되어, 제어 시스템으로부터 각각의 히터 제어 신호를 전달한다. 전기 가열 요소 트레이스는 DUT에 노출되지 않는다.An electrically conductive “ink” can be used to form the
온도 제어 장치(100)를 만드는 데에는 많은 제작 방법이 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, "그린(green)" 세라믹 상태로 모든 층 기판이 제작되고, 그리고 나서 유체 채널, 전기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 금속 트레이스, 센서, 연결부가 기판에 형성되고나면, 층들이 단일(monolithic) 형태의 구조를 형성하는 코-파이어링(co-firing)에 의해 결합된다. 다른 실시예에서는, 층 기판이 실리콘이며, 유체 채널, 전기 저항을 가지는 꼬불꼬불한 금속 트레이스, 센서 및 연결부가 기판에 형성되고나면, 층들은 용융 접합(eutectic bonding), 또는 다른 고온 전도성 결합 공정에 의해 결합된다.Many fabrication methods can be used to make the
도 6 내지 도 11에는, 본 발명에 의해 구성된 다른 온도 제어 장치(200)의 다양한 도면이 도시되어 있다. 전술한 온도 제어 장치와 같이, 장치(200)는 일반적으로 DUT에 열경로를 제공하도록 구성된 인터페이스면(202)과, 인터페이스면(202)을 냉각하기 위해 3차원적으로 냉매의 단면 유동을 유지하도록 구성된 유체- 냉각 히트 싱크 구조와, 인터페이스면(202)을 가열하도록 구성된 히터 조립체(206)를 포함한다.6-11 show various views of another
히터 조립체(206)는 장치(100)와 관련하여 전술한 것과 같이 구성될 수 있다. 히터 조립체(206)는 기판에 결합된 하나 이상의 전기 히터 요소를 포함한다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 히터 조립체(206)는, 하나 이상의 히터 제어 신호를 수용하는 다수의 터미널 또는 접촉 지점(도면에서는 숨겨짐)을 포함할 수 있다. 통상적인 설치에서는, 제어 신호가, 히터 조립체(206) 상의 터미널 도중에 히트 싱크의 구멍을 통해 공급된다. 작동에 있어서는, 인터페이스면(202)이 DUT(도시되지 않음)에 대항하여 유지되고, 히터 조립체(206)는 제어되어 DUT에 인가되는 열을 조절하며, 냉매는 히트 싱크 구조(204)를 통과하여 지나가서 DUT의 온도를 조절한다. 냉매의 유동률 및/또는 냉매의 온도는, 장치(200)에 결합된 냉매 유동 제어 시스템(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 면에서, 장치(200)는, 냉매의 유동을 수용하도록 장치에 형성되어 있는 하나 이상의 유체 유입구(210)와 하나 이상의 유체 유출구(212)를 포함한다. 명쾌함을 위해, 유입구(210)와 유출구(212)를 위한 유체 커플링 요소는 장치(200)와 관련하여 도시되지 않았다.The
온도 제어 장치(200)는 도 8에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이 복수 개의 층으로 형성되는 것이 바람직하다. 도시된 실시예는, 히터 조립체(206)와, 제1 커버층(214)과, 제1 중간층(216)과, 복수 개의 마이크로채널 층(218)과, 유체 유입구 및 유체 유출구가 형성되어 있는 제2 중간층(220)과, 유체 유입구와 유체 유출구가 형성되어 있는 제2 커버층(222)을 포함한다. 여러 층이, 접합, 납땜, 접착제 등의 하나 이상의 공지된 기술을 사용하여 함께 결합된다. 적층이 완성된 후에는, 제2 중간층(220) 및 제2 커버층(222)에 형성되어 있는 유체 유입구와 유출구가 유체 유입구(210) 및 유체 유출구(212)를 형성한다.The
온도 제어 장치(200)의 실제 실시예에서는, 제1 커버층(214)이 구리로 형성되고, 제1 중간층(216)이 세라믹 기판 재료로 형성되며, 마이크로채널 층(218) 각각은 구리로 형성되며, 제2 중간층(220)은 세라믹 기판 재료로 형성되며 제2 커버층(222)은 구리로 형성된다. 제1 및 제2 중간층(216, 220)은, 열 팽창 효과와 히터 조립체(206; 예시적 실시예에서는, 세라믹에 기초한 것이다.)로부터의 구리층의 수축 효과를 "고립"시키는 기능을 한다. 층들은, 적절한 채널과 히트 싱크 구조(204) 내의 유동 경로에서 냉각 유체가 유지되도록 유체 밀봉을 형성하는 방식으로, 함께 결합된다. 달리 말하면, (이상적으로는) 냉각 유체가 유체 유입구(210)를 통해서만 진입하고 유체 유출구(212)를 통해서만 나가도록, 히트 싱크 구조(204)가 형성되어 있다.In a practical embodiment of the
도 10을 참조하면, 각각의 마이크로채널 층(218)은, 인접하는 유체 도관(226)을 서로 분리시키는 리브(224)를 포함한다. 도 10에 도시된 마이크로채널 층(218)은 7개의 리브(224)와 8개의 도관(226)을 포함한다. 여러 개의 마이크로채널 층(218)이 함께 적층된 후에, 리브(224)는 인접하는 도관(226) 사이에 "벽"을 형성한다. 하나의 실제적 실시예에 의하면, 리브(224)는 각각 대략 폭이 0.020 인치이고, 각 도관(226)은 대략 길이가 1.850 인치이며, (적층 후에) 히트 싱크 구조는 대략 두께가 0.158 인치이다. 물론, 이러한 치수는 다른 적용례 및 다른 DUT 크기 를 수용하기 위해 변할 수 있다.Referring to FIG. 10, each
온도 제어 장치(200)는, 히트 싱크 구조(204) 내에 냉매의 단면 유동을 확립하도록 적절하게 구성된다. 예시적 실시예에서는, 유체 도관(226)은 동일 평면을 이루고 평행하다. 또한, 유체 도관(226)의 하나의 서브셋(subset)은, 유체 도관(226)의 다른 서브셋이 제2 방향으로 냉매 유동을 수용하는 동안에, 제1 방향으로 냉매 유동을 수용한다. 바람직하게는, 제1 방향이 제2 방향의 반대 방향이다. 도 9를 참조하면, 장치(200)는, 냉매를 어떤 유체 유입구(210)로 유도함으로써 냉매의 단면 유동을 유지한다. 이러한 면에서, 각각 유체 유출구(212a-d)에 대응하는 유체 유입구(210a-d)는, (도 9의 상부로부터 바닥까지) 제1 방향으로 냉매 유동을 수용한다. 반대로, 각각 유체 유출구(212e-h)에 대응하는 유체 유입구(210e-h)는, (도 9의 바닥으로부터 상부로) 제2 방향으로 냉매 유동을 수용한다. 이러한 유동 패턴은 인접하는 도관(226)에서 다른 유동 방향을 야기한다. 궁극적으로, 냉매 단면-유동은, 인터페이스면(206) 상의 열 변화율을 저감시키고, DUT의 더 효과적인 온도 조절을 야기한다.The
또한 각각의 마이크로채널 층(218)은, 유체 도관(226) 내에 배치되어 있는, 웹(web)과, 메시(mesh), 매트릭스(matrix), 격자(lattice), 또는 유사한 구조(228)를 포함한다. 웹 구조(228)는, 예를 들어, 사각형, 삼각형, 원, 육각형, 팔각형 등의 기하학적 패턴을 채용할 수 있다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 예시적 실시예는, 웹 구조(228)의 육각형의 격자를 채용한다. 도시된 실시예에서, 각 마이크로채널 층(218)의 웹 구조는, 단지 하나의 육각형 "레벨(수평면)"이 각 마이크 로채널 층(218)에 자리잡도록 평면 또는 평탄한 형상이다. 인접하는 적층 마이크로채널 층(218)의 웹 구조(228)는, 히트 싱크(204)가 형성될 때에, 여러 개의 유체 도관(226) 내에 배치되는 3차원 마이크로채널 구조를 웹 구조(228)가 만들도록, 엇갈리게 배열되거나 또는 갈라진다. 도 11에는, 그러한 3차원 마이크로채널 구조를 형성하는 3개의 분기된 웹 구조(228)가 도시되어 있다.Each
결과적인 3차원 마이크로채널 구조는, 각 유체 도관 내에서 3차원적으로 냉매 유동을 유도하도록 구성된다. 개별적인 웹 구조(228)의 분기된 특성으로 인해, 냉매는 개별 웹 구조 레벨상 또는 그 아래에서 수직으로 유동하는 동안에, 3차원 마이크로채널 구조를 측방향으로 통과하여 유동할 것이다. 히트 싱크 구조(204)의 상부에서 바닥으로 연속적인 열전달 경로가 형성되어 열전달 효율을 향상시키도록, 개별 웹 구조(228)가 배열되고 함께 결합될 수 있다.The resulting three-dimensional microchannel structure is configured to induce refrigerant flow three-dimensionally within each fluid conduit. Due to the branched nature of the
도시된 예시적 실시예에서, 유체 도관(226)과 각각의 마이크로채널 구조는, 서로 인접한다. (도시되지 않은) 다른 실시예에서는, 유체 도관의 제1 서브셋이 하나의 층에 배치되고, 유체 도관의 제2 서브셋은 제1 층 아래의 제2 층에 배치되고, 유체 도관의 양 집합이 인터페이스면(206) 위에 배치된다. 냉매 단면 유동은 전술한 방식 및/또는 유체 도관의 제1 서브셋을 통하는 하나의 방향과 유체 도관의 제2 서브셋을 통하는 제2 방향으로 냉매를 유도함으로써 확립될 수 있다.In the exemplary embodiment shown, the
이러한 장치의 적층된 설계는, 히트 싱크 효율성을 맞추는 유연성을 허용하고, 층의 개수를 간단히 변경함으로써 히트 싱크에 걸쳐 압력 강하를 허용한다. 이러한 면에서, 더 많은 층은, 열을 제거하는 히트 싱크 효율을 더 높게 하는데, 이는 다시 능동 열 제어 시스템에 대해서 더 나은 반응 시간을 야기하게 된다. 추가적인 층은 또한 냉각 유체가 히트 싱크를 통과하여 유동할 때에 낮은 압력 강하를 야기한다. 낮은 압력 강하는, 실제 적용에 있어서 바람직한, 낮은 냉각 유체 유입 요구 압력을 야기한다. 추가적인 층은 또한, 히트 싱크에 대해서 높은 열 질량을 야기한다. 결과적으로, 적층된 히트 싱크 설계는, 설계자가 열 효율과 열 질량 사이의 균형을 깨는 것을 허용함으로써 주어진 적용에 대해서 최적화된 장치의 빠르고 비용 효율적인 공급을 촉진한다.The stacked design of such a device allows flexibility to match heat sink efficiency and allows for pressure drop across the heat sink by simply changing the number of layers. In this respect, more layers make the heat sink efficiency of removing heat higher, which in turn leads to better response times for active thermal control systems. The additional layer also causes a low pressure drop as the cooling fluid flows through the heat sink. The low pressure drop results in a low cooling fluid inlet demand pressure, which is desirable in practical applications. The additional layer also causes high thermal mass for the heat sink. As a result, the stacked heat sink design facilitates a fast and cost effective supply of the device optimized for a given application by allowing the designer to break the balance between thermal efficiency and thermal mass.
이상 양호한 실시예에 대해서 설명되었다. 그러나 전술한 설명을 읽은 당업자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 양호한 실시예에 변화와 수정이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 다른 변화 또는 수정도, 후술하는 특허청구범위에 표현되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 포함된다는 점이 의도된다.The preferred embodiment has been described above. However, one of ordinary skill in the art having read the foregoing description will understand that changes and modifications can be made to the preferred embodiments without departing from the scope of the invention. It is intended that such other changes or modifications fall within the scope of the invention as expressed in the claims set forth below.
Claims (23)
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KR1020067019085A KR20070022232A (en) | 2004-02-23 | 2005-02-23 | Miniature Fluid-Cooled Heat Sink with Integral Heater |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020067019085A KR20070022232A (en) | 2004-02-23 | 2005-02-23 | Miniature Fluid-Cooled Heat Sink with Integral Heater |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104315757A (en) * | 2014-10-28 | 2015-01-28 | 武汉微冷科技有限公司 | Miniature heat exchanger integrating condensing, throttling and evaporation |
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2005
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Legal Events
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |