JP4122009B2 - 電子機械的サブアセンブリ、および電子装置を熱交換部材に熱結合する方法 - Google Patents

Description

この発明は、電子装置がテストされている最中にその装置の温度を一定の設定された点の温度近くに維持する温度制御システムに関し、そのような温度制御システムの鍵となる部分を含むサブアセンブリに関するものである。

先行技術において、集積回路チップ用のいくつかの温度制御システムが以下の米国特許に開示されている。
米国特許第５，４２０，５２１号 米国特許第５，２９７，６２１号 米国特許第５，１０４，６６１号 米国特許第５，３１５，２４０号 米国特許第５，２０５，１３２号 米国特許第５，１２５，６５６号 米国特許第５，３０９，０９０号 米国特許第５，１７２，０４９号 米国特許第４，７３４，８７２号 一定温度付近でテストされるべき必要がある電子装置の２つの具体例として、パッケージングされた集積チップ、またはパッケージングされていない露出したチップが挙げられる。それらのチップには、デジタル論理回路系またはメモリ回路系またはアナログ回路系といった任意のタイプの回路系が集積され得る。さらに、それらチップ内の回路系には、電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタといった任意のタイプのトランジスタが含まれ得る。

チップがテストされる間にそのチップの温度を一定に保とうとする１つの理由は、そのチップが動作する速度が温度依存性であるかもしれない、というものである。たとえば、相補電界効果トランジスタ（ＣＭＯＳトランジスタ）からなるチップは、典型的には、チップの温度が１℃下がるごとに約０．３％その動作速度を増大させる。

特定のタイプのチップを大量生産し、次いでそれらを高速で仕分けして、より高速に動作するチップをより高価格で販売することは、チップ産業界における１つの慣習となっている。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ような態様で処理される。しかしながら、このようなチップの速度を適切に決定するためには、速度テストが行なわれている間に各チップの温度を一定近くに保たなければならない。

チップ温度を一定の設定された点付近に保つことは、速度テストが行なわれている最中にそのチップの瞬間的パワー散逸が一定であるかまたは狭い範囲内で変動する場合には、極めて容易である。その場合には、そのチップを、固定された温度にある熱マスに、固定された熱抵抗を介して結合することが必要であるにすぎない。たとえば、最大チップパワー変動が１０ワットであり、チップと熱マスとの間が結合が０．２℃／ワットである場合、そのチップの温度は最大２℃変動する。

しかしながら、速度テストを行なっている最中にそのチップの瞬間パワー散逸が幅広い範囲で上下変動する場合には、チップの温度を一定の設定された点付近に維持することは非常に困難である。装置パワー散逸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。

上記の問題はＣＭＯＳチップにおいて特に深刻であり、なぜならば、それらの瞬間パワー散逸は、ＯＮまたはＯＦＦに切換わるＣＭＯＳトランジスタの数が増大するにつれて、増大するからである。あるＣＭＯＳチップの速度テスト中では、切換わるトランジスタの数は常に変動し、したがって、そのチップのパワー散逸および温度および速度は常に変化している。さらに、これら変化の大きさはより多くのトランジスタが１つのチップに集積されるに従って増大し、なぜならば、任意の特定の瞬間に切換わるトランジスタの数はそのチップ上の０個からすべてのトランジスタの範囲まで変動するからである。

しかしながら、上記の特許に開示されるいずれの温度制御システムにも、テスト中にパワー散逸を大きく変動させるチップにおいて速度テストを実行し得る能力はない。これは、上記の温度制御システムは、上述したような瞬間パワー変動を補償するほど十分高速には反応し得ないからである。

上記の特許′６５６および′６６１および′０９０および′２４０では、チップから熱を除去するための手段は全く与えられておらず、それらはチップに熱を加えるためのさまざまなヒータを含むにすぎない。これらの制御システムは、「バーンイン」テストが行なわれる２００℃を越えるような上昇されたレベルにまでチップの温度を上昇させる場合に対してのみ好適である。任意の上昇された温度で、チップ内の弱いまたは欠陥のある構成要素の障害が促進され、その「バーンイン」テストによってそのような構成要素は数時間の後動作しなくなる。

上記の特許′８７２および′１３２および′６２１では、温度制御されるガス噴射をチップに向けるか、または、温度制御された液体にチップを浸漬することによって、そのチップの温度を上昇または低下させる。しかしながら、これらの制御システムは、ガス噴射または液体の温度を上昇または低下させ得る速度により制限される。

特許′５２１では、チップを加熱するためのヒータと、チップを冷却するための、液体により冷却されるアルミニウムブロックとの両方を含む制御システムが図７に開示されている。しかしながら、この図７の制御システムも、テスト中にパワー散逸を大きく変動させるチップにおいて速度テストを行なうことを可能にする能力はなく、なぜならば、このシステムもそのようなパワー変動を補償するど十分に素早くには反応し得ないからである。このような欠点が生ずる理由については、図８、図９および図１０に関連して詳細に述べる。

したがって、ここに開示されるこれら発明の主な目的は、電子装置がテストされている最中にその装置内におけるパワー散逸の大きな変動に迅速に反応ししたがってその装置の温度を一定の設定された点の温度に維持する新規な温度制御システムおよびそのようなシステムのための新規なサブアセンブリを提供することである。

電子装置の温度をある設定された点付近に維持する温度制御システムは：電子装置と接触する第１の面と、その第１の面に対向する第２の面とを有する電気ヒータと；ヒータの第２の面に結合され、電子装置からの熱をヒータの第２の面を介して吸収するヒートシンクと；電子装置に結合され、装置温度Ｔ_dを感知する温度センサと；温度センサおよびヒータに結合され、感知された電子装置の温度が設定された点を超えるとヒータへのパワーを減少させ、逆の場合にはその逆を行なう制御回路とを含む。ヒータ温度Ｔ_hがＴ_dよりも低い場合、熱は電子装置からヒータを介してヒートシンクに流れ、熱の流れの割合はＴ_d−Ｔ_hが増大するにつれ増大する。Ｔ_hがＴ_dよりも高い場合には、熱は電子装置からヒー
タに流れ、熱の流れの割合はＴ_h−Ｔ_dが増大するにつれて増大する。ヒータのパワーのみを電気的に制御することによって、電子装置への／からの熱の流れは迅速に調整され、次いでそれによって装置温度が迅速に調節される。

図１において、参照番号１１は、一定の設定された点付近にその温度が維持される間にテストを受ける電子装置を示す。この電子装置１１の２つの具体例としては、セラミックまたはプラスチックでパッケージングされた集積チップ、または、パッケージングされていない露出したチップが挙げられる。この電子装置１１には、デジタル論理回路系またはメモリ回路系またはアナログ回路系といった、テストされる必要がある任意のタイプの回路系を集積し得、その回路系は、任意のタイプのトランジスタ、たとえば、Ｎチャネル電界効果トランジスタまたはＰチャネル電界効果トランジスタまたは相補電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタを含み得る。

電子装置１１上に含まれるのは何十もの入力／出力端子１１ａであるが、図１においては、単純化のため、それら端子のうちいくつかのみを示す。これらの端子１１ａは信号線１２ａ、１２ｂおよび１２ｃからなる３つの組に結合される。信号線１２ａ上では、電子装置１１をテストする入力信号「ＴＥＳＴ−ＩＮ」が受取られ、信号線１２ｂ上では、出力信号「ＴＥＳＴ−ＯＵＴ」が電子装置１１からそのテストへの応答として送られる。従来のテスト設備（図示せず）を信号線１２ａおよび１２ｂに結合することにより、それらの信号をそれらの線上でそれぞれ授受する。信号線１２ｃ上では、電子装置１１の温度を示す出力信号「ＴＥＭＰ」が電子装置１１から送られる。これらＴＥＭＰ信号は、その電子装置に組込まれる、たとえば温度に対し感度を有する抵抗器またはダイオードのような、温度センサから発生する。

図１の他の構成要素１２〜１７は、すべて、電子装置１１がテストされている間その装置の温度を設定された点付近に保つ温度制御システムを構成する。その制御システムにおける各構成要素を以下に表１において説明する。

動作において、電子装置１１は、信号線１２ａ上にて受取られるＴＥＳＴ−ＩＮ信号によってテストされている最中、そのパワー散逸が変動する。このパワー変動が生ずるのは、ＴＥＳＴ−ＩＮ信号に応答して電子装置１１内のトランジスタがオンおよびオフになり、したがってそれらのパワー散逸において変動するからである。その結果、電子装置１１の温度はそのパワー散逸が増大するにつれて増大する傾向となり、逆の場合にはその逆が生ずる。

電子装置１１内では、温度センサによって、その装置の現在の温度を示すＴＥＭＰ信号が、信号線１２ｃ上にて発生される。それらＴＥＭＰ信号はパワー調節器１６に送られ、
そこでそれらは信号線１２ｄ上のＳＥＴ−ＰＯＩＮＴ信号と比較される。装置１１の温度が設定された点温度よりも低い場合、調節器１６は、ヒータ１３への可変パワーＰ_hを増大するように制御信号ＣＴＬを発生する。逆に、装置１１の温度が設定された点温度よりも高い場合には、調節器１６は、ヒータ１３への可変パワーＰＷＲを減少させるように制御信号ＣＴＬを発生する。

ここで、図２、図３および図４を参照して、図１の制御装置の動作をさらに詳細に説明する。これらの図は図１の制御装置の概略図であり、そこでは、電子装置１１は熱抵抗θ_d-hを介して電気ヒータ１３に結合され、ヒータ１３は熱抵抗θ_h-Sを介してヒートシンクの基部１４ａに結合され、ヒートシンクの基部は熱抵抗θ_S-Lを介して冷媒に結合される。さらに、図２〜図４においては、電子装置１１は可変量のパワーＰ_dを受取って散逸し、電気ヒータは可変量のパワーＰ_hを受取り散逸する。さらに
図２〜図４では、電子装置１１は温度Ｔ_dおよび熱マスＭ_Dを有し、ヒータ１３は温度Ｔ_hおよび熱マスＭ_hを有し、ヒートシンク基部１４ａは温度Ｔ_Sおよび熱マスＭ_Sを有する。

好ましくは、ヒータの熱マスＭ_hは実用的である程度に小さくされる。この制約は、以下に示されるように、ヒータ１３がその温度を上げ下げし得る速度を改善し、したがって、電子装置の温度Ｔ_dを設定された点付近に維持する一助となる。熱マスＭ_hに対する１つの好適な上限は、それが電子装置の熱マスＭ_dのせいぜい３倍であることであり、好ましくはＭ_hはＭ_dよりも小さい。

さらに好ましくは、ヒータの熱抵抗θ_d-hも実用的である程度に小さくされる。この制約は、下に示されるように、ヒータ１３から電子装置１１へ伝達される熱の量を、ヒータ１３からヒートシンク１４に伝達される熱の量に比して増大させる一助となる。熱抵抗θ_d-hに対す好適な上限は、それがヒータとヒートシンク基部との間の熱抵抗θ_h-Sのせいぜい３倍であることであり、好ましくはθ_d-hはθ_h-Sよりも小さい。

安定した状態条件下では、図２に示されるように、熱は装置１１から熱経路２１に沿って液体冷媒に流れ、図２に示されるように、熱は熱経路２２に沿ってヒータ１３から液体冷媒に流れる。さらに、安定した状態条件下では、装置温度は設定された点温度に等しく、ヒータ温度は装置温度からＰ_dθ_d-hを引いたものに等しい。装置パワー散逸が０である場合には、経路２１上の熱の流れは０であり、Ｔ_dはＴ_hに等しい。

ここで、電子装置１１がそのパワー散逸Ｐ_dを増大させ、それによってその温度Ｔ_dを設定された点を超えて上昇させると考える。これは、図３において、時点ｔ１およびｔ２にて生ずるとして示される。設定された点を超える装置温度Ｔ_dにおける上昇に応答して、ヒータ１３へのパワーＰ_hは調節器１６によって低減され、これは図３においては時間ｔ３で生ずるとして示される。ヒータ１３は低い熱マスＭ_hを有し、したがって、時間ｔ４にて示されるように、ヒータのパワーが低減されるとヒータの温度Ｔ_hは急激に降下する。

ヒータ温度が低減されるにつれ、装置１１から熱経路２１に沿って冷媒へ伝達される熱の量が増大する。したがって、装置温度Ｔ_dは時間ｔ５にて示されるように冷却され始める。装置温度Ｔ_dが設定された点に近づくにつれ、ヒータのパワーＰ_hは時間ｔ６にて示されるように勾配をなして上昇する。したがって、ヒータ温度Ｔ_hは上昇し、それによって、装置１１から熱経路２１に沿った熱の流れを低減する。ヒータのパワーＰ_hを適切なレベルにまで上昇させることによって、安定した状態が戻り、熱の流れは図２に示されるようになり、装置温度Ｔ_dは設定された点になる。

逆に、電子装置１１がそのパワー散逸Ｐ_dを減少させ、それによってその温度Ｔ_dを設定
された点より下に降下させる場合を考える。これは、図４において、時点ｔ１およびｔ２で生ずるとして示される。設定された点を下回る装置温度Ｔ_dの降下に応答して、ヒータ１３へのパワーＰ_hが調節器１６によって増大され、これは図４においては時間ｔ３にて生ずるように示される。ヒータ１３は低い熱マスＭ_hを有し、したがって、ヒータの温度Ｔ_hは、時間ｔ４にて示されるように、ヒータのパワーが増大すると急激に上昇する。

ヒータ温度Ｔ_hが上昇して装置温度Ｔ_dを超えると、ヒータからの熱の一部が図４の熱経路２２ａに沿って電子装置１１に伝わり、ヒータからの熱の別の一部が熱経路２２ｂに沿って液体冷媒に伝わる。さらに、経路２２ａ上において電子装置１１に伝わる熱の量は、θ_d-hがθ_h-Sに相対して減少するにつれ増大する。

上昇間ｔ４におけるヒータ温度の上昇に応答して、装置温度Ｔ_dは時間ｔ５にて示されるように上昇し始める。装置温度Ｔ_dが設定された点に近づくにつれ、ヒータのパワーＰ_hは時間ｔ６にて示されるように勾配をなして下降する。したがって、ヒータ温度Ｔ_hは勾配をなして下降し、したがって、熱経路２２ａに沿ったヒータから装置１１への熱の流れを低減する。ヒータのパワーＰ_hを適切なレベルに降下させることによって、安定した状態が戻り、熱の流れは図２に示されるようになり、装置温度Ｔ_dは設定された点温度になる。

図２〜図４の上記の説明から、ヒータ１３は経路２１および２２ａ上を流れる熱の量を制御することがわかる。Ｔ_hがＴ_dに等しい場合、経路２１および２２ａ上には熱は全く流れない。Ｔ_hがＴ_dよりも小さい場合には、熱は経路２１上を電子装置からヒータ１３を介してヒートシンクに流れ、熱の流れの割合はＴ_d−Ｔ_hが増大するにつれ増大する。Ｔ_hがＴ_dよりも大きい場合には、熱は経路２２ａ上をヒータ１３から電子装置へ流れ、熱の流れの割合はＴ_h−Ｔ_dが増大するにつれ増大する。ヒータのパワーＰ_hを制御することによって、電子装置への／からの熱の流れが調節され、次いでそれによって装置温度が調節される。

図１の制御システムが動作する速度をさらに説明するために、ここで図５、図６および図７を参照する。図５においては、等式１、等式２および等式３と符号付される３つの微分方程式が与えられる。これらの方程式は、ある物体によって受取られる熱パワーの和はその物体の熱マスにその物体の温度の変動割合を掛けたものに等しいという原理に基づいている。

等式１は、参照番号３１ａ、３１ｂおよび３１ｃで識別される３つの項を含む。項３１ａはＴＥＳＴ−ＩＮ信号に応答して電子装置１１が受取り散逸するパワーであり、項３１ｂは電子装置１１に熱抵抗θ_d-hを介して伝達されるパワーであり、項３１ｃは電子装置１１の熱マスにその温度の変化割合を掛けたものである。

同様に、等式２は参照番号３２ａ、３２ｂ、３２ｃおよび３２ｄで示される４つの項を含む。項３２ａは可変電源１７から電気ヒータ１３に供給されるパワーであり、項３２ｂは電気ヒータ１３に熱抵抗θ_h-sを介して伝達されるパワーであり、項３２ｃはヒータ１３に熱抵抗θ_d-hを介して伝達されるパワーであり、項３２ｄはヒータの熱マスにヒータの温度の変化割合を掛けたものである。

同様に、等式３は参照番号３３ａ、３３ｂおよび３３ｃで示される３つの項を含む。項３３ａはヒートシンク基部１４ａに熱抵抗θ_s-Lを介して伝達されるパワーであり、項３３ｂはヒートシンク基部に熱抵抗θ_h-sを介して伝達されるパワーであり、項３３ｃはヒートシンク基部のマスにその温度の変化割合を掛けたものである。

図５のこれら３つの等式を用いることにより、デジタルコンピュータ上でのシミュレーションを実行し、そのシミュレーションの結果を図６および図７に示す。このシミュレーションを実行するにあたり、図５の等式のさまざまなパラメータは下の表２に示される値を有した。

さらに、このシミュレーションでは、電子装置１１はまず設定された点温度にされ、パワーを全く散逸していないものと仮定された。その後、２秒に等しい時間で、電子装置１１のパワー散逸がＴＥＳＴ＿ＩＮ信号に応答して１００ワットのパワーにまで上昇された。このパワー散逸は電子装置１１において３秒間一定のままにされ、その時間で装置１１におけるパワー散逸は０に戻った。

上述した１００ワットステップの対で電子装置１１のパワー散逸を変化させることによって、設定された点付近に装置温度を維持する図１の制御システムの能力を最悪の場合の条件下でテストする。さらに、表２の熱マスＭ_dは露出した集積回路チップの熱マスであり、したがって、それはもう１つの最悪の場合のテスト条件を構成するものであり、なぜならば、その温度は（より大きな熱マスを本質的に有する）パッケージングされたチップの温度よりも速く変化するからである。

図６の曲線４１は、上述したように、電子装置１１におけるパワー散逸が時間とともにどのように変化するかを示す。さらに、図６および図７において、曲線４２は電子装置１１の温度が時間とともにどのように変化するかを示し、曲線４３はヒータのパワーが時間とともにどのように変化するかを示し、曲線４４はヒータの温度が時間とともにどのように変化するかを示し、曲線４５はヒートシンク基部の温度が時間とともにどのように変化するかを示す。

曲線４２を調べると、２秒に等しい時間で、電子装置１１の温度における最大偏差がその装置内のパワー散逸におけるステップ状の増大により約４℃であることがわかる。最大温度偏差に到達した後、電子装置１１の温度は次いで勾配をなして下降し、設定された点に約０．４秒以内に戻る。

同様に、曲線４２を調べると、５秒に等しい時間で、電子装置１１の温度における最大偏差がその装置内のパワー散逸における負のステップにより約３．６℃であることがわかる。この最大温度偏差に到達した後、電子装置１１の温度は勾配をなして上昇し、設定された点に０．３秒以内に戻る。

上述の制御システムの１つの主な特徴は、その制御システムによって、装置温度の設定された点からの偏差が訂正される速度であり、それによって、最大偏差を相対的に小さく保つことである。この動作速度がどのように達成されるかは図５の等式から以下のように理解され得る。

装置温度における設定された点からの各偏差は、等式２の項３２ａで与えられるヒータ
のパワーＰ_hにおける変更によって訂正される。項３２ａが変化すると、ヒータの温度は等式２の項３２ｄで示されるように変化する。ヒータ温度の変化は次いで等式１において項３１ｂを変化させる。次いで、項３１ｂにおけるこの変更によって、装置温度が等式１の項３１ｃによって示されるように変化する。図５においては、上記事象の連鎖は下線５１で示される。

これに比して、先行技術特許第５，４２０，５２１号では、ヒータのパワーにおける変化と装置温度における結果的な変化との間に生ずる事象の連鎖ははるかにより長く、これを図８および図９に示す。図８は、先行技術特許′５２１の図７および図８の制御システムに対する概略図である。この概略図では、参照番号１４０、１１６、１２４、１２６および８２は、特許′５２１の図７の同じ参照番号である。

構成要素１４０は冷却されることになる電子装置１１に接するヒータブロックであり、構成要素１１６はヒータブロックに接するアルミニウムブロックであり、構成要素８２は温度Ｔ_Lで液体冷媒を運ぶ冷媒チューブであり、構成要素１２４はアルミニウムブロック１１６に接するヒータアセンブリであり、構成要素１２６はヒータアセンブリ内にある加熱素子である。図８における各構成要素は図に示されるようにそれぞれの熱マスＭおよびそれぞれの温度Ｔを有する。さらに、図８の構成要素はすべて図示されるようにそれぞれの熱抵抗θを介して相互結合される。

図８の概略図から、６つの微分方程式１１〜１５の組が図９に示されるように導き出され得る。これらの図９の等式は図５の等式と同様であり、なぜならば、それらは、ある物体によって受取られる熱パワーの和はその物体の熱マスにその物体の温度の変化割合を掛けたものに等しいという原理に基づいているからである。

等式１５においてヒータのパワーＰ_hが変化すると、それによって、温度Ｔ₃が等式１５の項６１によって示されるように変化する。温度Ｔ₃における変化は、次いで、項６２を等式１４にて変化させる。次いで、項６２におけるこの変化によって、温度Ｔ₂が等式１４の項６３によって示されるように変化する。温度Ｔ₂における変化は、次いで、項６４を等式１３にて変化させる。次いで、項６４におけるこの変化によって、温度Ｔ₁が等式１３の項６５によって示されるように変化する。温度Ｔ₁における変化によって、次いで、項６６が等式１２において変化する。次いで、この項６６における変化によって、温度Ｔ_hが等式１２の項６７によって示されるように変化する。温度Ｔ_hにおける変化は、次いで、項６８を等式１１にて変化させる。次いで、項６８におけるこの変化によって、装置温度Ｔ_dが等式１１の項６９によって示されるように変化する。

図９において、上記の事象の連鎖は参照番号５１′で示される。この事象の連鎖５１′では、ヒータのパワーＰ_hを変動させることによって装置温度を調節するために温度Ｔ₃、Ｔ₂、Ｔ₁、Ｔ_hおよびＴ_dの各々はシーケンスで変化しなければならない。その結果、ヒータのパワーを変動させることは装置温度を間接的に変化させるにすぎない。これに比して、図５の事象の連鎖５１では、ヒータのパワーを変動させることによって装置温度を調節するために温度Ｔ_hおよびＴ_dのみをシーケンスで変化させればよい。したがって、図１の制御システムにおいてヒータのパワーを変動させることは、特許′５２１においてそうするよりも、はるかにより直接的に、およびしたがってより速やかに装置温度に影響する。

図１の制御システムにおいてヒータのパワーを変動させることが特許′５２１においてそうするよりもより速やかに装置温度に影響するもう１つの理由は、図１０の等式２０および２１から理解され得る。等式２０は、図５の等式２および３を加算し、その結果得られた項を、項３２ｄのみが＝記号の左側に来るように並べ替えることによって得られたものである。同様に、等式２１は、図９の等式１２〜１６を加算し、その結果得られた項を
、項６７のみが＝記号の左側に来るように並べ替えることによって得られたものである。

等式２０の項３２ｄにおいて、熱マスＭ_hは、冷却されるべき電子装置１１に直接接触している図１のヒータ１３の熱マスである。同様に、等式２１の項６７では、熱マスＭ_hは、冷却されるべき電子装置１１に直接接触している図８のヒータブロック１４０の熱マスである。したがって、電子装置１１の温度を速やかに調節するためには、ヒータのパワーＰ_hを変動させることによってマスＭ_hの温度Ｔ_hを速やかに変化させ得ることが重要である。

ヒータのパワーＰ_hが等式２０にて増大すると、マスＭ_hの温度Ｔ_hに対するそのパワー増大の影響は、等式２０の右手側に生ずる負の項３３ｃによって減少される。これに比して、等式２１においてヒータのパワーＰ_hが増大されると、マスＭ_hの温度Ｔ_hに対するそのパワー増大の影響は、等式２１の右手側にある負の項６０、６１、６３および６５によって減少される。

等式２１の項６０は等式２０の項３３ｃと同様であり、したがって、ヒータのパワーＰ_hを変動させることによって温度Ｔ_hを変化させることに対するそれらの負の影響は同様である。しかしながら、等式２１における残りの負の項６１、６３および６５は等式２０においては完全に除去される。したがって、ヒータのパワーＰ_hを変化させることは、特許′５２１においてそうするよりも、図１の制御システムにおける温度Ｔ_hの変化割合に対してはるかにより大きな影響を有する。

ここで図１１および図１２を参照して、第２の温度制御システムについて説明する。図１のシステムに対するこの第２の温度制御システムにおける大きな相違点は、温度センサを含まない電子装置１１′の温度をこのシステムによって調節するという点である。したがって、電子装置１１′は、信号線１２ａ上のＴＥＳＴ＿ＩＮ信号に応答してその温度がどのように変動しているかを示す温度信号ＴＥＭＰを発生させることはできない。この相違点は非常に重要であり、なぜならば先行技術におけるほとんどではないとしても多くの集積回路チップは温度センサを含まないからである。

等式２は、先に説明したように、この第２の温度制御システムが基づく原理を与えるものであり、便宜上、等式２は図１１に再生される。等式２の項を代数学的に再配列することによって、＝記号の右側にあるいくつかのパラメータの項で装置温度Ｔ_dが表現される別の等式３１が得られる。

等式３１では、各特定の装置１１′がテストされている最中、

が時間とともに変動し、残りのパラメータθ_d-h、Ｍ_hおよびθ_h-sは本質的に一定である。したがって、装置１１′をテストする前にそれら一定のパラメータθ_d-h、Ｍ_hおよびθ_h-sを測定し、装置１１がテストされている間に

を感知することによって、等式３１から装置温度Ｔ_dが評価され得る。次いで、その評価された装置温度が設定された点よりも上である場合にはヒータ温度を減少させ、逆の場合にはその逆を行なう。

図１２は上記の原理で動作する温度制御システムのすべての構成要素を示す。図１２において、ヒータ１３′は、ヒータ温度Ｔ_hを感知するセンサ１３ｄを含む点を除き、図１のヒータ１３と同じである。同様に、図１２においては、ヒートシンク１４′は、ヒートシンク温度Ｔ_Sを感知するセンサ１４ｆを含む点を除き、図１のヒートシンク１４と同じである。

図１２の構成要素１２′は、信号線１２ｃ′、１２ｅ′、１２ｈ、１２ｉおよび１２ｊからなる５つの異なる組に２つのコネクタ７１および７２を加えたものを含むことを除き、図１のプリント基板１２と同じである。信号線１２ｈは感知されたヒータ温度Ｔ_hを搬送し、信号線１２ｉは感知されたヒートシンク温度Ｔ_Sを搬送し、信号線１２ｊは測定されたパラメータθ_d-h、Ｍ_h、θ_h-sを搬送し、信号性１２ｅ′はヒータのパワーＰ_hを示す制御信号ＣＴＬを搬送し、信号線１２ｃ′は評価された装置温度Ｔ_dを搬送する。

図１２の構成要素７３は、等式３１および信号線１２ｅ′、１２ｉ、１２ｊおよび１２ｈ上にて受取られるパラメータのすべてに基づいて装置温度を評価する。構成要素７３は等式３１から装置温度をデジタルで計算するデジタルマイクロプロセッサチップであってもよく、または代替的に、構成要素７１はアナログ態様で等式３１から装置温度を計算するアナログ回路であってもよい。

構成要素１６、１７および１８は同じ参照番号を有する図１の構成要素と同一である。構成要素１６、１７および１８は、ともに、信号線１２ｃ′上の評価された装置温度を受取りかつ信号線１２ｄ上の設定された点温度を受取る制御回路１５′を構成する。評価された装置温度が設定された点温度を超える場合には、制御回路１５′はヒータ１３′へのパワーＰ_hを低減し、逆の場合にはその逆を行なう。

図２の温度制御システムのデジタルシミュレーションを図１３に示す。このシミュレーションでは、シミュレーション時間が３秒に等しかったときに、電子装置１１′はパワーにおいてステップ状の増大を有し、シミュレーション時間が６秒に等しかったとき、パワーにおいてステップ状の減少を有した。図１３の曲線９１（一連の小さな円からなる）は、そのシミュレーションの間にその評価された装置温度が時間とともにどのように変動したかを示し、図１３の曲線９２（実線である）は、装置が温度センサを有する場合に実際の装置温度がどのように感知されるであろうかを示す。

図１３の上述のシミュレーションが実行されたとき、等式３１の右側のパラメータはすべて誤差を全く伴わずに感知または測定されるものとされた。これはθ_h-sおよびＭ_hに対しては有効な仮定であり、なぜならば、それらは本質的に固定されるものであり正確に測定され得るからである。さらに、Ｔ_hおよびＴ_Sは適切な温度センサを用いることによって所望されるように正確にされ得、Ｐ_hは制御信号ＣＴＬから既知である。しかしながら、数多くの電子装置が一度に１つテストされる大量生産環境では、ヒータ１３′と各装置１１′との間の物理的接触における微視的変動のため、パラメータθ_d-hは平均値からいく
らかの範囲内で変動するかもしれない。

θ_d-hの平均値が評価器構成要素７３に送られる一方で、θ_d-hの実際の値はその平均値とは異なる場合、その評価された装置温度において誤差が生ずる。この結果、図１２の制御システムによって調節された装置１１′の実際の温度と設定された点温度との間にずれが生ずる。このことは図１４から明らかであり、曲線９１′（一連の小さな円からなる）は、実際のθ_d-hが平均θ_d-hより２０％小さい場合に評価された装置温度が時間とともにどのように変動するかを示し、曲線９２′（実線である）は、実際の装置温度が時間とともにどのように変動するかを示す。

あるタイプの装置１１′がテストされる場合、実際の装置温度と設定された点温度との間におけるいくらかのずれは受入れ可能であってもよく、その場合には、θ_d-hの平均値を評価器７３に送れば十分である。しかしながら、そのずれ量が受入れ可能でない場合には、テストされる各装置ごとに実際のθ_d-hを測定することによってそのずれを低減し得る。

実際のθ_d-hが各装置ごとに測定され得る１つの好ましい方法を図１５および図１６に示す。ステップ１〜３を含むこの方法は、これも図１５に再生される等式２に基づく。θ_d-hがその平均値よりも小さい場合、Ｔ_d−Ｔ_hは減少する。したがって、項３２ｃは減少し、したがって、項３２ｄにおけるヒータ温度の変化割合も減少する。逆に、θ_d-hがその平均値よりも大きい場合には、項３２ｄにおけるヒータ温度の変化割合が増大する。

図１５のプロセスのステップ１において、装置１１′のパワー散逸は０にセットされる。次いで、ステップ２において、ヒータのパワーＰ_hをある所定の態様にて変動させる。好適には、ヒータのパワーは、段階的に増大されるか、または段階的に減少されるか、または正弦波として変動される。次に、ステップ３において、ヒータのパワーを変動させることが

に対して有する影響を感知してθ_d-hに相関付ける。

が平均よりも速く変動する場合、実際のθ_d-hはその平均値よりも大きく、

が平均よりも遅く変動する場合には、θ_d-hはその平均値よりも小さい。これは図１６において曲線９３、９４および９５により示される。曲線９３は、θ_d-hをその平均値に等しくセットし、Ｐ_hを設定された点にまで上昇させて装置温度がその設定された点に到達
するまで待機し、次いでＰ_hを０に降下させることによって得られた。曲線９４および９５も同様にして得られたが、実際のθ_d-hは平均θ_d-hから２０％偏差した。

平均からの任意の偏差に対してθ_d-hの実際の値を測定するために、ヒータ温度を、Ｐ_hが０に降下した後のある時間、たとえば０．０４秒に等しい時間にて感知する。次いで、曲線９３、９４および９５からの外挿によって実際のθ_d-hを得る。

次に、図１７〜図１９を参照して、図１および図１２の温度制御システムにおいて熱抵抗θ_d-hを最小限にするための好ましいプロセスを説明する。このプロセスは重要なものであり、なぜならば、θ_d-hを減少させるにつれ、ヒータから電子装置に伝達され得る熱の量は、ヒータからヒートシンクに伝達される熱の量に対して増大するからである。このような熱伝達は、図１４に関連して先に説明されたように、ヒータ温度が装置温度を超える場合に生ずる。

電子装置１１（または１１′）とヒータ１３（または１３′）との間に乾接点がなされ、その接触面が非常に平坦（つまり完全な面から５μｍ未満の偏差）である場合、それら接触面間にて得られうる抵抗率は約１．３℃ ｃｍ²／ワットである。この抵抗率は、接触面がより平坦でない場合にはより大きくなる。２つの平坦でない面の間に熱パッドを置くことによって、それらの間の抵抗率は低減されるが、熱パッドを介して得られ得る実際的な抵抗率は約１．０℃ ｃｍ²／ワットである。これに比して、図１７〜図１９の方法を用いると、電子装置からヒータへの抵抗率は０．０７℃ ｃｍ²／ワットにまで低減された。これは、１．０÷０．０７、つまり１０００％を超える改善である。

まず、図１７〜図１９のプロセスにおいて、ヒータ１３（または１３′）に接触させられる電子装置１１（または１１′）の表面に、特定のタイプの液体１０１を１滴滴下する。このステップを図１７に示す。液体１０１の２つの制限的特性は、ａ）空気に対して十分な熱導体であること、およびｂ）電子装置に損傷を与えない非常に低い温度でいかなる残渣も残さず蒸発すること、である。好ましくは、液体１０１は摂氏２００度未満の温度で蒸発する。

液体１０１の１つの好ましい例は水である。液体１０１の第２の例は、水と揮発性原料（たとえばエチレングリコール）との混合物であり、この揮発性原料はその混合物の沸点を水の沸点を超えて上昇させるような原料である。液体１０１の第３の例は、水と揮発性原料（たとえばメタノール）との混合物であって、その揮発性原料はその混合物の凝固点を水の凝固点より下に抑えるような原料である。液体１０１の第４の例は、水と揮発性原料（たとえばエタノール）との混合物であって、その揮発性原料はその混合物の湿潤度が水の湿潤度を超えるように高められるような原料である。

液体１０１が上述のように電子装置上に滴下された後、ヒータの表面１３ａをその液体に押付ける。このステップを図１８に示す。この結果、もともと滴下された液体１０１のうちいくらかは絞り出され、残りの液体１０１′は電子装置とヒータとの間に本質的に存在する微視的な隙間を満たす。これらの隙間は、ヒータの表面１３ａとそれに係合する電子装置の面とが完全に平坦でないために生ずるものである。

液体１０１′の存在により、ヒータ１３（または１３′）から電子装置１１（または１１′）への熱抵抗率は、液体が存在しない他の態様におけるよりも実質的に低減される。液体１０１′が水であり、係合する面の平坦度が５μｍ未満である場合、上述した約０．０７℃ ｃｍ²／ワットの抵抗率が得られる。

電子装置とヒータとの係合面の間の隙間の大きさを低減する１つの方法は、それら２つ
の面が押付け合わされる圧力を増大させることであり、次いで、これによってθ_d-hを減少させることになる。しかしながら、あまりに大きな圧力が与えられると、電子装置またはそれへの相互接続がひび割れ得る。したがって、電子装置が露出した集積回路ダイである場合に対しては、それとヒータとの間の圧力は好ましくは１０ｐｓｉ未満である。

図１８も、ヒータとヒートシンクとの間の係合面が完全に平坦ではないことを示す。しかしながら、それら２つの面は、好ましくは、永久的な態様、たとえば熱伝導性エポキシからなる層１０２によって接合される。層１０２に対する好適な厚みは５０μｍ〜８０μｍである。

電子装置とヒータとヒートシンクとがすべて図１８に示されるようにともに結合される一方で、電子装置がテストされ、その温度が図１または図１２の制御システムによって設定された点付近に保たれる。この後、テストが完了すると、電子装置はヒータから分離される。次いで、液体１０１′が電子装置から蒸発によって除去され、これを図１９において矢印１０３で示す。

液体１０１′のすべてを蒸発させるのにかかる総時間は、露出される液体１０１′の面積に比例する。電子装置が寸法Ｌを各辺に伴う方形である場合、図１９における露出した面積はＬ²である。これに比して、電子装置が図１８の構造にてテストされている最中である場合、液体１０１′の露出した面積は（４Ｌ）（５μｍ）に大きく低減される。

電子装置が典型的な集積回路チップである場合には、Ｌは２分の１インチ未満である。この場合、液体１０１′は、図１８の構造において、図１９におけるよりも５００倍以上遅く蒸発する。したがって、短いテストの間では（つまり１時間未満）、蒸発によって図１８の構造から有意な量の液体１０１′が失われることはない。

上述のプロセスの１つの特徴は、液体１０１′を蒸発させた後、電子装置上に残渣が全く残らないという点である。この結果、その電子装置はいかなる付加的な清浄工程も伴うことなく最終製品に組込まれ得る。

上記のプロセスのもう１つの特徴は、それが非常に容易かつ安価に実行されるという点である。図１７に示されるように、電子装置上に液体１０１を１滴滴下するのにはわずか１つの工程を必要とするにすぎず、図１８に示されるように、ヒータを電子装置に押付けるにはわずか１つの工程しか必要としない。

これら別個ではあるが関連した発明を、ここで、より詳細に、それぞれ、図１〜図１０、図１１〜図１６、および図１７〜図１９に関連して説明した。これに加えて、これら図の詳細に対し、これらの発明の性質および精神から逸脱することなく、さまざまな変更および修正をなすことも可能である。

たとえば、図２０は、レーザを用いることによって、電子装置１１（または１１′）の温度を、設定された点付近に保つ変形例を示す。この図２０の変形例は、先に説明した図１、図１２および図１８の温度制御システムに組入れられ得る。

図２０において、参照番号１３"は変形された電気ヒータを示し、参照番号１４"は変形されたヒートシンクを示す。変形されたヒータ１３"に含まれるのは、赤外線レーザビーム１３ｂ"を発生するレーザ１３ａ"と、一片の薄い平らな赤外線レーザビーム吸収材料１３ｃ"である。この材料１３ｃ"は、電子構成要素１１（または１１′）およびヒートシンク１４"にそれぞれ抗する２つの主面１３ｄ"および１３ｅ"を有する。

変形されたヒートシンク１４"は、基部１４ａ"が２つの窓１４ｅ"および１４ｆ"を含み、その基部においてそれら窓の間には冷却フィンが配されないという点を除き、図１または図１２の先に記載されたヒートシンクと同じである。窓１４ｅ"は赤外線レーザビーム１３ｂ"に対して透過性があり、熱伝導性を有する。窓１４ｆ"もレーザビーム１３ｂ"に対して透過性を有するが、熱伝導性を有する必要はない。好適には、これらの窓は単結晶シリコンからなる。

動作において、電子装置１１（または１１′）の温度は、図１の制御装置のように直接感知されるか、または図１２の制御装置のように評価される。次いで、装置温度Ｔ_dが設定された点を上回る場合には、線１３ｆ"上におけるレーザへのパワーＰ_hが、図１の制御回路１５または図１２の制御回路１５′によって低減される。逆に、装置温度が設定された点を下回る場合には、レーザへのパワーＰ_hを増大させる。

もう１つの変形例として、図１８に示される向上した熱インタフェースを、図１および図１２以外の温度制御システム内に組込み得る。この変形例の一例を図２１に示す。図１の制御システムにおいては、ヒータ１３（または１３′または１３"）およびヒータのパワーＰ_hを制御するための対応の回路系を除去し、ヒートシンク１４（または１４′）を液体膜１０１′が間に配される状態で電子装置に押付ける。

図２１の変形例では、電子装置１１（または１１′）の温度は、ヒータ１３（または１３′または１３"）が存在する場合よりも、設定された点から実質的により大きく変動する。しかしながら、一方では、電子装置の温度は、図２１の変形例では、液体膜１０１′が存在しない場合に生ずる変動よりも実質的に小さく変動する。パワー散逸において小さな変動を伴うチップなどのような特定の電子装置に対する特定のテストに対しては、図２１の変形例で達成される温度調整量で十分であり、ヒータおよびその制御回路に関連付けられるすべての費用が削減される。

もう１つの変形例として、図１の温度制御システムを変化させることにより、電子装置１１がパワー調節器１６にＴＥＭＰ信号を全く送らない開ループ制御システムを与えることができる。この変形例では、テスタが電子装置１１に送る各特定のＴＥＳＴ＿ＩＮ信号ごとに、テスタがパワー調節器１６に信号線１２ｄで一連の予測される温度をシーケンスで送る。これに応答して、パワー調節器１６は予測される電子装置１１の温度を設定された点温度と比較する。予測される温度が設定された点温度未満である場合には、調節器１６は、ヒータ１３への可変パワーＰ_hを増大するように制御信号ＣＴＬを発生する。逆に、予測される温度が設定された点温度を超える場合には、調節器１６は、ヒータ１３への可変パワーＰ_hを減少するように制御信号ＣＴＬを発生する。

さらに別の変形例として、赤外線レーザビーム吸収材料１３ｃ"を除去するように図２０の電気ヒータ１３"を変更し得る。この変形例では、窓１４ｅ"が電子装置１１（または１１′）に抗して配され、レーザビーム１３ｂ"は電子装置によって直接吸収される。

別の変形例として、図１の温度制御システムは、電子装置１１の外表面に取付けられる温度センサから信号線１２ｃ上のＴＥＭＰ信号が発生するように変更され得る。この変形例は、温度センサが電子装置１１内に集積されない場合に有用である。

別の変形例として、図１および図１２の温度制御システムは、信号線１２ｄ上の設定された点温度が時間とともに変動するように変更され得る。たとえば、設定された点温度は１つのレベルから他のレベルにステップ状に進んでもよく、または勾配を伴うかもしくは正弦波態様で連続的に変動してもよい。

したがって、これらの発明は任意の１つの図における任意の１つの実施例の詳細に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されるものであることを理解されたい。

ドケット番号５５０，５７７を有する発明の好ましい実施例を構成する温度制御システムを示す。 図１の温度制御システムの動作を説明する一助となる概略図である。 図２の概略図を模したものであり、電子装置におけるパワー散逸が段階的に増大した場合の図１の制御システムの動作を示す。 図２の概略図を模したものであり、電子装置におけるパワー散逸が段階的に減少した場合の図１の制御システムの動作を示す。 図１の制御システムの動作を正確に定義する微分方程式の組である。 図１の制御装置が図５の方程式を介してシミュレーションされた場合にいくつかのパラメータがそのシステムにおいてどのように変動するかを示す。 図１の制御装置が図５の方程式を介してシミュレーションされた場合にいくつかのさらなるパラメータがそのシステムにおいてどのように変動するかを示す。 米国特許第５，４２０，５２１号に記載される先行技術の温度制御システムの動作を説明する一助となる、図２の概略図と同様の概略図である。 図８の温度制御システムの動作を正確に定義し、図１の制御システムの動作と図８の制御システムの動作とを区別する特徴を説明する一助となる、微分方程式の組である。 図１の制御システムの動作と図８の制御システムの動作とを区別する別の特徴を説明する一助となる微分方程式の組である。 ドケット番号５５０，５７８を有する温度制御システムの基礎をなす微分方程式の組である。 図１１の方定式に基づく温度制御システムの好ましい実施例を示す。 図１２の温度制御システムのシミュレーションにより得られる曲線の組である。 特定のパラメータが誤差を伴って注入される図１２の温度制御システムの第２のシミュレーションにより得られる別の曲線の組である。 図１４のパラメータにおける誤差を検出および訂正し得るプロセスのステップをリスト化する。 図１５のプロセスがどのように実行されるかを示す。 ドケット番号５５０，５７９を有する発明を構成するサブアセンブリの製造の最初の段階を示す。 どのようにして図１７のアセンブリが完成され図１および図１２の温度制御システムに組入れられるかを示す。 図１８のサブアセンブリ内の電子装置上の膜がどのように除去されるかを示す。 図１および図１２の温度制御システム内におけるヒータ構成要素に対する変形例を示す。 図１８のサブアセンブリに対する変形例を示す。

符号の説明

１１ 電子装置、１２ｃ 温度センサ、１３ 電気ヒータ、１４ ヒートシンク。

Claims (17)

1. 改善された熱インタフェースを有する電子機械的サブアセンブリであって、
   熱を散逸する面を有する電子装置と、
   前記電子装置上にて前記面と係合する面を有する熱交換部材と、
   前記熱交換部材と前記電子装置との前記係合面間にあり、前記電子装置に損傷を与えない低い温度で残渣を残さずに蒸発する液体の膜とを含む、電子機械的サブアセンブリ。
2. 前記液体は水である、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
3. 前記液体は水と揮発性原料との混合物であり、前記揮発性原料は、水の沸点を超えるように前記混合物の沸点を上昇させる、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
4. 前記液体は水と揮発性原料との混合物であって、前記揮発性原料は、水の凝固点を下回るように前記混合物の凝固点を抑制する、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
5. 前記液体は水と揮発性原料との混合物であり、前記揮発性原料は水の湿潤度を上回るように前記混合物の湿潤度を向上させる、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
6. 前記液体は摂氏２００度未満の温度で蒸発する、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
7. 前記熱交換部材は前記電子装置よりも温度が低い、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
8. 前記熱交換部材は液体で冷却される、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
9. 前記熱交換部材は前記電子装置よりも温度が高い、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
10. 前記熱交換部材は電子ヒータである、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
11. 前記熱交換部材は、前記電子装置の熱マスより少なくとも１０倍大きい熱マスを有する、請求項１に記載の電子機械的サブアセンブリ。
12. 電子装置を熱交換部材に熱結合する方法であって、
    前記電子装置の対応面と係合する面を前記熱交換部材に設けるステップと、
    前記電子装置に損傷を与えない低い温度で残渣を残さずに蒸発する液体の膜を、前記熱交換部材と前記電子装置との前記係合面間に与えるステップとを含む、方法。
13. 前記電子装置が前記熱交換部材に結合されている間に所定の時間間隔の間、前記電子装置に電流を供給することにより前記電子装置が散逸する熱パワーによって前記電子装置から前記液体を完全に蒸発させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記所定の時間間隔は１時間未満である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記蒸発させるステップは、前記電子装置を前記熱交換部材から分離し、前記電子装置の前記対応面を露出するサブステップによって実行される、請求項１３に記載の方法。
16. 前記液体は水である、請求項１２に記載の方法。
17. 前記液体は揮発性混合物である、請求項１２に記載の方法。

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