高级热控接口的制作方法

专利名称：高级热控接口的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度控制领域，更具体地说，涉及提供一种通过加热和/或制 冷电子设备或器件，尤其是测试状态下的电子设备或器件，来维持设定点温度 的接口。
背景技术：
固态电子设备或器件，例如，半导体，通常随温度的不同会表现出不同的 特性。具有代表性的是，例如，这些电子设备在运行过程中会产生热量(即自 发热)，并因此随内部温度升高，器件性能发生改变。并且固态电子设备用于 各种不同的环境中，极可能经历较大范围内的温度变化。
为了保证电子设备表现出恒定的特性，需要将电子设备保持在相对恒定的 温度。这在对电子设备的功能性测试中显得尤为重要，这些功能性测试主要是
为了保证正常运行并且能够满足设计规范。例如，被称为被测试设备(DUT) 的电子设备，可能经过耐久性程序，比如，通过短路测试以及老化测试对各种 设备特性进行观察。在这些测试中，为了测试结果有意义，被测试设备(DUT) 的温度需要保持在相对恒定的预定测试温度，或者保持在设定点温度。换句话 说，测试者必须能够确认特定的所观察的电子特性取决于改变温度之外的其他 因素。
为了保持恒定温度，现有的温控设备能够例如通过散热器来进行散热，还 能例如通过电加热器来进行升温。散热器包含温度远低于DUT的测试温度的 液体。加热器放置在DUT与散热器之间，并对加热器进行供电，将加热器的 表面温度加热到例如DUT测试所需的测试温度。散热器会抵消任何多余的热 量，并且能够在自发热使设备温度升高到超过测试温度的情况下，将DUT在 测试过程中产生的热量散发掉。功率的波动通常会导致显著并且相对短暂的自
7发热产生，因此就需要热控器能够迅速并准确地反应，从而对不需要的温度上 升进行散热。
散热器(或加热器，若使用)接触DUT的接口对维持DUT在恒温来说尤为 重要。例如，当散热器(或加热器)的表面与DUT的表面大体上不共面时，在 DUT的表面上可能存在非均匀的热传输，这会在DUT上引起不期望的热梯度。 为此， 一些传统系统在散热器(或加热器)与DUT的表面之间提供了热接口材 料。例如，液体(例如，水和酒精的混合物)可以放置在散热器(或加热器)与DUT 之间。该液体填充散热器(或加热器)与DUT之间的任何气隙，从而提供散热 器(或加热器)之间的更均匀的热连接。
然而，液体作为热接口材料的使用也带来了其它的缺陷。例如，设备测试 通常在宽范围的温度和压力下进行，包括传统热接口液体的冰点温度之下的一 些温度。当散热器(或加热器)与DUT之间的液体冻结时，接口的热均匀性经 常变得不理想，在DUT上导致不期望的热梯度。此外，液体作为热接口材料 的使用同样在更高的测试温度下带来缺陷。例如，在一些测试条件下，液体热 接口材料将陶瓷散热器(或加热器)的部分表面转化成微观浆体，这将使DUT 产生不期望的磨损。
此外，即使液体对于填充散热器(或加热器)与DUT之间的气隙有用，但 是液体不会完全消除热梯度。这是因为散热器(或加热器)与DUT之间的液体 的不同厚度具有不同的热阻系数，其中不同厚度可能发生在接口表面不共面的 微观层次。例如，如图1A所示，DUT 10和/或散热器(或加热器)15可具有非 平面的表面17、 18，这会导致接口上的液体19厚度不同。液体19的厚度可 以在第一位置20是0戶，在第二位置25是50/zm。因为液体的热阻系数随 液体厚度改变，所以当给DUT提供功率时存在热梯度，如图1B所示。
除了散热器(或加热器)与DUT之间的材料外，散热器(或加热器)15和DUT 10之间的接口也可以被散热器(或加热器)15和/或DUT 10所附接的结构所影 响。例如，散热器(或加热器)15通常由热控制器30携载，如图2所示。例如， 热控制器30可包括用于将不同温度液体(即加热和制冷的水)运送至散热器15 来将DUT 10维持在所需温度的管道。包括散热器(或加热器)15和管道的热控
8制器30 —般在垂直于DUT 10的轴向方向上是可移动的(箭头"A"的方向)。按 照这种方式，多个DUT可被移动至经过热控制器30(在箭头"B"的方向)，热控 制器30与每个连续的DUT接触以进行测试。
然而，携载散热器(或加热器)15的结构的硬度经常使散热器(或加热器)15 与DUT10的表面不能并排排列。这就是说，热控制器30的硬度使表面17、 18在接口处排列成共面变得相当困难。这种情形如图3所示，从中可以看出， 散热器(或加热器)15的表面18与DUT 10的表面17是呈一定角度的，这样在 接口处表面17、 18不共面。在这种情形下，不仅在接口处可能存在热梯度， 而且施加给DUT IO的力(例如，扭矩、力矩等等)也可能不均匀。特别地，当 DUT10的测试需要向DUT10施加轴向力(例如，高达100磅)时，由于非共面 的表面，这种不均匀的力会导致对散热器(或加热器)和/或DUT的损坏(例如， 破裂)。
因此，本领域中需要克服以上所述的不足和限制。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种控制设备温度的装置。所述装置包括 主体，其包括以所述主体的纵轴为基准基本上对称地隔开的多个腔，其中多个 腔的每个腔均包括上膜片和下膜片。所述装置还包括热传输元件，其借助于所 述多个腔连接在所述主体上，使得所述多个腔与所述热传输元件流体连通。
在实施例中，所述热传输元件的温度补偿所述设备的温度变化，并基本上 维持所述设备的设定点温度。所述设备包括半导体设备。此外，所述热传输元 件可相对于所述设备移动。例如，所述热传输元件可在六个自由度上相对于所 述设备移动。另外，所述热传输元件可以相对所述主体轴向地移动。此外，所 述热传输元件向所述设备施加力，所述力可基本上垂直于所述设备的接口表 面。
在实施例中，所述主体包括连接至所述多个腔的每个腔的上部的气压总管 (pneumatic manifold)。所述气压总管可与外部气压或真空源流体连通。按照 这种方式，当向所述多个腔的每个腔的上部供应正压力时，所述热传输元件沿纵轴方向远离所述主体移动。相反地，当向所述多个腔的每个腔的上部供应真 空时，所述热传输元件沿纵轴方向朝所述主体移动。此外，正压力被供应到所 述多个腔的每个腔的上部时，所述热传输元件向所述设备施加力。
在另一实施例中，所有上膜片大致相互共面地延伸，所有下膜片大致相互 共面地延伸，并且所有上膜片和下膜片可以在大致与所述主体的纵轴成直角的 方向上延伸。同样，上膜片可大致相互共面地沿上膜片平面，所述下膜片可大 致相互共面地沿下膜片平面，并且所述上膜片平面与所述下膜片平面大致相互 平行。此外，所述多个腔的各腔的所述上膜片与下膜片可以具有共同的中心轴。
在更进一步的实施例中，每个所述上膜片与每个所述下膜片均包括滚动膜 片，例如，基本上无静摩擦的滚动膜片。并且，单个上膜片构件可一体地包括 每个各自的所述上膜片。所述单个上膜片构件被夹在所述主体的气压总管与流 体总管之间。
在又一实施例中，所述多个腔的每个腔进一步包括上腔部分，其设置在
所述上膜片的上方；中腔部分，其设置在所述上膜片与所述下膜片之间；及下 腔部分，其设置在所述下膜片的下方。所述上腔部分可操作地连接至气压源。 所述中腔部分限定了所述主体的流体总管与热传输元件之间的流体通道。所述 中腔部分与热传输元件之间的流体通道中可设置阀。
此外，至少所述散热器可选择性地从所述底部移除。例如，所述散热器可
通过以下方式中的一种来选择性拆除摩擦配合、卡扣配合及快速脱开。同样， 所述装置可包括设置于所述热传输元件与所述设备之间的热接口材料，该热接 口材料与所述热传输元件及所述设备接触。所述热接口材料可包括例如碳纳米 管。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制设备温度的装置。所述装置包括 基底以及连接至所述基底的纳米管，其中所述纳米管构造和设置成用于在所述 基底与所述设备之间生成热接口。所述设备可包括半导体设备。此外，所述纳
米管包括碳纳米管，其具有在约25，至约150，范围内的高度，并具有基 本上一致的热阻系数，该热阻系数在15psi至75psi之间。
此外，所述基底可包括热控制器的热传输元件，该热传输元件构造和设置成用于补偿所述设备的温度变化并基本上维持所述设备的设定点温度。
在替代实施例中，所述基底通过可修复的热焊剂或热脂附接在热传输元件 上，并且所述热传输元件包含在热控制器中，所述热传输元件构造和设置成用 于补偿所述设备的温度变化并基本上维持所述设备的设定点温度。
在更进一步的实施例中，所述装置还包括至少一个连接至所述基底的急停
件(hard stop)。所述至少一个急停件构造和设置成用于向所述设备传递轴向 力。同样，所述至少一个急停件的长度小于所述纳米管的长度。另外，所述装 置可进一步包括至少一个设置成穿过所述基底的真空通道，使得所述至少一个 急停件、至少一个真空通道及基底在所述设备上形成真空杯。在进一步的实施 例中，所述纳米管直接形成在所述基底上，所述基底可包括散热器的铜表面。 在更进一步的实施例，所述基底包括第一侧和第二侧。第一多个纳米管连接至 第一侧，并且第二多个纳米管连接至第二侧。此外，所述基底包括箔。
根据本发明的第三方面，提供了一种控制设备温度的装置。所述装置包括 主体，其包括以所述主体的轴为基准基本上对称地隔开的多个腔，其中所述多 个腔的每个腔都包括上膜片和下膜片。所述装置还包括热传输元件，其借助 于所述多个腔附接在所述主体上，使得所述多个腔与所述热传输元件流体连 通；基底，其连接至所述热传输元件；以及纳米管，其连接至所述基底。所述 纳米管构造和设置成用于在所述热传输元件与所述设备之间生成热接口 ，并且 所述热传输元件的温度补偿所述设备的温度变化，并基本上维持所述设备的设 定点温度。


下面本公开将以非限制性举例的方式并参照注释图提供详细描述，在附图 的各视图中，相同标号代表相同零部件，附图中 图1A示出了根据现有技术的示范性接口； 图1B示出了在图1A的接口处的示范性热阻系数； 图2示出了根据现有技术的测试状态下的示范性热控制器和设备； 图3示出了根据现有技术的另一示范性接口；
11图4示出了根据本发明各方面的示范性系统；
图5示出了根据本发明各方面的示范性热卡盘的示意图6示出了根据本发明各方面的热控制器的阀的示范性示意图7示出了根据本发明各方面的冷、设定点和热流体的混合的曲线图;
图8示出了部分图4所示的示范性系统的局部视图9示出了部分图4所示的示范性系统的另一局部视图10示出了部分图4所示的示范性系统的又一局部视图11示出了部分图4所示的示范性系统的又一局部视图12示出了根据本发明各方面的替代系统的局部视图13示出了部分图12所示的示范性系统的另一局部视图14示出了部分图12所示的示范性系统的又一局部视图15A示出了根据本发明各方面的热接口材料的示范性实施例；
图15B示出了图14A的热接口材料的热阻系数的图16示出了根据本发明各方面的热接口材料的示范性实施例；
图17示出了根据本发明各方面的热接口材料的另一示范性实施例；
图18示出了根据本发明各方面的热接口材料的又一示范性实施例；
图19示出了根据本发明各方面的热接口材料的又一示范性实施例；
图20示出了根据本发明各方面的热接口材料的又一示范性实施例。
具体实施例方式
本公开涉及一种用于在热控制器与电子设备之间提供高级接口的装置和 方法，所述电子设备是例如在受控环境下被测试的固态电子设备，称之为被测 试设备(DUT)。在一个实施例中，散热器借助于自由浮动式万向连接件通过零 影响推动器(zero influence pusher)可操作地连接到热卡盘。在未施加非均匀力 (例如，扭矩、力矩等等)给DUT的情况下，零影响推动器可以使散热器延伸 并与DUT接触，也可以使散热器縮回并与DUT分离。在一个优选实施例中， 散热器至少可移除地连接在热卡盘上。在进一步的实施例中，提供了包括纳米 管的热接口材料。即使当接口包括非共面的表面时，通过使用纳米管，在接口处提供了均匀的热阻系数。如在此定义的，"散热器"表示任何热传输元件或装 置(例如，电阻加热器、辐射器、热管道、叉流式热交换器等等)，其构造和设 置成用于将热量传输到与其热接触的物体和/或从与其热接触的物体中传输热
零影响推动器
图4示出了根据本发明第一实施例的热控制器以及相关的零影响推动器， 所述零影响推动器包含用于散热器的自由浮动式万向连接件。零影响推动器可 与任何合适的热控制器使用，该热控制器构造和设置成便于促使散热器与 DUT接触。在一个示范性实施例中，零影响推动器与在申请人的共同未决的 申请PCT/US07/74727中所述的热卡盘一起使用，在此通过全文引用并入本文。
更具体地说，在图4所示的示范性实施例中，零影响推动器502可操作地 连接在热卡盘500与散热器515之间。零影响推动器502使散热器515在基底 508上的测试部位与DUT(未示出)开始接触。混合腔517构造和设置成与不同 的流体口 505a、 505b、 505s、 505aR、 505bR、 505sR选择性地流体连通，以 使散热器515以及DUT保持在所需温度。阀524控制散热器515与流体口 505a、 505b、 505s、 505aR、 505bR、 505sR之间的流体连通，以下将描述更多 的细节。如在说明书及权利要求中使用的，"流体"可以是任何非固体材料，包 括但不限于液体、气体、微粒、颗粒或任何以上物质的组合。
图5示出了根据本发明的非限制性实施例的示范性热卡盘500的示意图， 该热卡盘500采用三个流体源(也称之为储流器)，即冷流体源510、设定点流 体源513及热流体源520。设定点流体源513中的流体被设定在高于冷流体源 510中流体的温度。更具体地说，设定点流体源513中的流体被设定在通常与 DUT的设定点温度相同的温度(在此要考虑通过热卡盘500时潜在产生的热损 耗)。例如，如果DUT的设定点是80摄氏度，那么设定点流体源513中的流 体温度可以被设定在例如85摄氏度。
此外，热流体源中的流体温度被设定在高于设定点流体源513中流体的温 度。对于增加的能量效率，相比热液体的温度，设定点的流体温度可以更接近 于冷流体的温度。尽管图5示出了三种不同温度510、 513、 520的三个流体源，但是本领域的技术人员应知悉，在替代的实施例中也可使用多于三种不同温度 的多于三种的流体源，或者一种或多种具有单一温度的流体。例如，该系统应
该用于在三种不同的设定点温度上测试三个DUT，该系统可以包括冷流体源、
第一设定点流体源、第二设定点流体源、第三设定点流体源及热流体源，五种 不同的流体源各自包含五种不同温度的流体。
如图5所示，管道505使三个流体源510、 513、 520相互连接到散热器 515。具体地说，冷流体经过冷流体管道505a并通过总管580流过热卡盘500， 其中冷流体与阀524相通(包括但不限于盘式阀)。此外，设定点流体流出设定 点源513，通过管道505b进入热流体源520。 一旦热源520中的设定点流体到 达预定的热温度，热流体将通过导管505b，并通过总管580流过热卡盘500， 其中热流体与阀524相通。未引入至热流体源520的设定点流体通过导管505s， 并通过总管580流过热卡盘500，其中设定点流体与阀524相通。在DUT的 测试过程中，对于增加的能量效率，设定点液体可以专门与冷流体混合。换句 话说，消除冷热流体的直接混合会增加能量效率，因为直接的冷热流体混合会 引起显著的能量消耗以及散热器515的热梯度增加的可能性。
图6是与冷流体管道505a、设定点流体管道505s及热流体管道505b连 通的盘式阀524的示意图。阀524优选地直接安装于散热器上面，并且旋转 180或360度来排放冷流体、设定点流体和热流体的所需混合物，如此预定温 度的混合流体可以流到散热器515(图5中示出)。具体地说，在一个非限制性 的实施例中，当阀524位于旋转的零度位置时，排放冷流体；当阀位于旋转的 90度位置时，排放设定点流体；当阀位于旋转180度位置时，排放热液体； 当阀位于旋转的270度位置时，已经流到散热器515的流体通过返回导管505R 返回(图5中示出)，从而使流体能够大致以等速排放。这样，阔524优选地位 于流体供应管道505a、 505s和505b的接合处。对于最理想的快速温度响应， 流体的混合优选地在散热器的入口处，以此减小流体经过的时间。此外，使用 上述的构造，散热器515和混合腔517(图4中示出)仅需要一个入口和一个出 口。此外，由于流体混合更接近散热器515，减少了流体不可压縮性的问题。 另外，上述构造还减少了重复性和滞后作用的问题。然而，本发明并不限于上
14述盘式阀，本发明可以使用其它合适的阀和/或调节器。
图7是与阀524的开启有关的冷、设定点和热流体的混合的曲线图。具体 地说，图7示出了每分钟约两公升的恒速的混合流体；然而，本领域的技术人
员应知悉，这个速率可以大于或小于每分钟两公升，并且可以是变化的，而不
是恒定的。此外，通过三种流体系统对图4-7进行描述，但是应理解，本发明 并不限于使用三种流体系统。例如，可以使用单一流体，其中具有不同温度的 部分流体在散热器中以不同比例混合，以此维持并控制DUT的温度。可选地， 至少两种具有各自不同温度的不同流体可以在散热器中以不同的比例混合，以 此维持和控制DUT的温度。另外，本发明中可以使用不同物质状态下的两种 或多种流体。例如，根据本发明的非限制性特征，气态流体可以与液态流体混 合。此外，本发明可以使用三种以上的流体。
图5示出了来自返回管道505R的流体通过设定点流体返回管道505sR返 回至设定点流体源513，并通过冷流体返回管道505aR返回至冷流体源510。 换言之，虽然三个流体供应管道505a、 505s、 505b供应至热卡盘中，仅两个 流体返回管道505aR、 505sR(或505aR、 505bR;或505sR、 505bR)可以从热卡 盘中供应。然而，图4示出了热卡盘500的示意性的透视图，该热卡盘500 具有三个供应至热卡盘中的流体供应管道505a、 505s、 505b，以及三个从热卡 盘中供应的流体返回管道505aR、 505sR、 505bR。本领域的技术人员应知悉， 在替代的实施例中，可以从热卡盘中仅供应一个返回管道。此外，在混合流体 流至散热器515后，设定点和热流体之间存在微小的温差，因而设定点流体返 回管道505sR靠近热卡盘500上部的热流体返回管道505bR，因此热损失很小。 另外，上述混合的流体返回可以在热卡盘500内部或外部进行。
当然，还应理解，在不影响本发明范围和实质的情况下，在此可以并入传 输来自流体的热能(也就是，用于获得冷Ar或者热Ar)以维持DUT温度 的任何方法。此外还应理解，流体可以具有许多不同的温度，或者可替代地， 液体可以具有单一温度。例如，在本发明的实施例中，流过管道305的流体可
以被分成三个或三个以上的部分，每部分具有不同的Ar，这些部分可以被混
合成不同的比例，以获得所需的混合流体部分的温度。图8示出了根据本发明各方面的系统的局部视图。所示的系统尤其包括热
卡盘500、冷流体返回管道505aR、设定流体供应管道505s、热流体供应管道 505b、阀524、散热器515、混合腔517和基底508(这些器件类似于参照图4-7 描述的器件)。热卡盘500包括顶板605、气压总管610、流体总管615和底板 620，上述每个都可以由合适的材料组成，例如，金属、塑料、合成物等。顶 板605为流体供应管道505a、 505s、 505b、流体返回管道505aR、 505sR、 505bR 及压力口 550提供连接位置(例如，螺纹端口)(以下将描述更多的细节)。气 压总管610、流体总管615及底板620包括轴向排列的孔，这些孔构造和布置 成用于可操作地将热卡盘500连接至零影响推动器502的六个腔630。在图8-11 描述的示范性实施例中，六个腔630以热卡盘500和零影响推动器502的共同 中心轴为基准对称；然而，本发明可以使用任何适当数量的腔630(例如，多于 或小于所示的六个)。
设置在每个腔630中且位于气压总管610与流体总管615之间的是一上膜 片635。同样设置在每个腔630且位于流体总管610与底板620之间的是一下 膜片640。上膜片635与下膜片640将腔630分成上腔部分630a、中腔部分 630b及下腔部分630c。上膜片635在上腔部分630a与中腔部分630b之间提 供气密密封，而下膜片640包含使中腔部分630b与下腔部分630c之间流体连 通的孔。
在实施例中，上膜片635与下膜片640每个都包括各自的滚动膜片，如由 Newell,WV的Bellofram公司制造的；但是本领域的普通技术人员应知悉，本 发明可以使用任何合适的滚动膜片。在一优选的实施方式中， 一体地包括每个 上膜片635的单个上膜片构件636可以夹在气压总管610与流体总管615之间， 如图8和11所示。类似地， 一体地包括每个下膜片640的单个下膜片部分641 可以夹入在流体总管615与底板620之间。
仍参考图8，上腔元件650a设置于每个上腔部分630a之中；中腔元件650b 设置于每个中腔部分630b之中；下腔元件650c设置于每个下腔元件650c之 中。各下腔元件650c连接到零影响推动器主体655。上膜片635及下膜片640 设置在相反的方向，这允许轴向设置的上腔元件650a、中腔元件650b及下腔元件650c统一沿腔630的中心轴的轴向位移。以这种方式，膜片635、 640及 在各自腔630中的腔元件650a、 650b、 650c组合形成到热卡盘500的零影响 推动器502的浮动连接件。
在实施例中，零影响推动器502的中心轴与热卡盘500的中心轴大致重合， 并且各自的浮动连接件基本上关于这些轴对称布置。这样，浮动连接件共同形 成热卡盘500与零影响推动器502之间的自由浮动的万向连接。这种自由浮动 的万向连接为零影响推动器502提供了相对于热卡盘500的六自由度的移动， 以下将对此作更多的细节描述。
图9示出了图8的系统，其中顶板605为透明的以使得气压总管610为可 见的。如图9所示，每个上腔部分630a通过在气压总管610中形成的气压口 645与压力口 550连通。按照这种方式，零影响推动器502的轴向位置可以通 过调节上腔部分630a中的气压来控制。在实施例中，由于上膜片635及下膜 片640方向相反，浮动流体连接件沿z轴偏向中间位置。通过施加正气压给各 上腔部分630a，可以轴向向下移动零影响推动器502(即沿z轴移出热卡盘 500)。相反地，通过施加负压力(例如，真空)给上腔部分630a，可以轴向向上 移动零影响推动器502(即沿z轴移入热卡盘500)。在一优选的实施例中，零影 响推动器502可以从中间位置具有lmm的行程，在z轴方向上总共2mm的行 程。然而，本发明并不局限于该行程量，各元件可以设计成(例如，尺寸定制 成)在z轴方向中上具有任何适当的行程量。
Z轴方向上的零影响推动器502的行程允许散热器515可控制地轴向移动 至与支撑DUT的基底508接触为止。如在此使用的，"轴向"表示大致平行于 零影响推动器502和热卡盘500的共同轴的方向。由于热卡盘500与膜片635、 640提供的零影响推动器502之间的自由浮动连接，散热器与DUT之间的接 触点变成热卡盘500与零影响推动器502之间万向连接的旋转中心。这样，散 热器515的接口表面可以被转动或旋转，若必要，可转动或旋转成与DUT的 接口表面基本上共面的关系。此外，因为自由浮动的(并因此为散热器515的) 万向连接的旋转中心是散热器515与DUT之间的接触点，所以散热器515的 任何旋转都是在散热器515与DUT无相对平移的情况下完成的(例如，当散热
17器正在移动，而DUT是固定的)。因此，在散热器515没有对DUT表面进行 任何不利磨擦(例如，磨损)情况下，散热器515与DUT被引导至基本共面接 Pl。
此外，因为各自的腔630关于热卡盘500与零影响推动器502的中心轴基 本上对称地设置，并且因为每个上腔部分630具有相同的气压(正或负)，所以 散热器515施加给DUT的任何力都基本上垂直于DUT的表面。这就是说，本 发明的实施避免了对DUT施加不期望的扭矩。更进一步地，因为上膜片635 与下膜片640两者都包括基本上无静摩擦的滚动膜片，轴向力被均匀地施加给 零影响推动器502，从而均匀地施加给DUT。按照这种方式，基本上消除了冲 击(即当开始克服静摩擦时的加速度突变)，并且使冲击引起的对散热器515和 域DUT的损坏的可能性最小化。
图10示出了移除顶板605、气压总管610及单个上膜片构件636的图8 的示范性舉统。如图IO所示，每个中腔部分630b通过在流体总管615中形成 的交叉口 670与各自的液体导管(例如，505a、 505s、 505b、 505aR、 505sR、 505bR)流体连通。仍如图10所示，上腔元件650a与中腔元件650b未示出， 以便下膜片640在腔630中可见。
参考图8，每个中腔元件650b包括与轴向孔680相交的交叉孔675。交叉 孔675与中腔部分630b流体连通，并且轴向孔680通过下膜片640中的孔与 下腔元件650c的通孔685流体连通。更进一步地，每个通孔685与各自的零 影响推动器主体655的流体通道690流体连通，由此每个流体通道690通向阀 524。按照这种方式，阀524的受控移动选择性地提供流体供应管道505a、505s、 505b与混合腔517的入口管693之间的流体连通，并且提供了混合腔517的 出口管695与流体返回管道505aR、 505sR、 505bR之间的流体连通。这样， 散热器515与DUT可被保持在所需的温度(如参考图4-7所述)。例如，上述系 统可用于约-80。C至约20(TC范围的设定点温度(例如，DUT测试温度)。然而， 应注意，本发明并不限于在此温度范围内使用，该系统可以设计成用于以任何 适当的温度的使用。
在实施中，压力波动可能在系统操作过程中于各自的流体管道中(例如，505a、 505s、 505b、 505aR、 505sR、 505bR)发生。例如，供应管道可能瞬间 具有高于返回管道的流体压力，反之亦然。然而，因为所有流体(供应或返回) 分别进入上膜片635和下膜片640之间的腔630，所以腔630的每个膜片635、 640具有相同(即偏移)的压力，这样就没有轴向力通过流体供应引至零影响推 动器502，从而有利于将散热器和/或DUT上不期望的不均匀力(例如，扭矩) 最小化。
图11示出了移除顶板605以使单个上膜片构件636可见的图8的示范性 系统。虽然本发明己经描述了共同包含多个膜片635的单个上膜片构件636， 但是应注意，本发明并不限于此示范性实施例。例如，未与单个上膜片构件 636连接的独立膜片635可以设置于各自的腔630中。
在一优选实施例中，混合腔517(包含入口管693与出口管695)与散热器 515可选择性地作为一个单元从零影响推动器主体655移除。例如，混合腔517 可通过选择性地可脱开连接连接到零影响推动器主体655上，脱开连接包括但 不限于摩擦配合、卡扣配合、快速脱开或任何其它适当的连接。这样，不同的 散热器515(具有例如不同的热接口区域和/或不同的热接口材料)可以快速且简 易地与上述系统适配，以用于测试不同类型的DUT。
图12-14示出了根据本发明的另外的方面的替代系统的局部视图。图12 所示的热卡盘710包括四个流体管道715，而不是图8所示的六个。四个流体 管道715可包括例如热供应管道、热返回管道、冷供应管道及冷返回管道。可 选地，四个流体管道可包括例如热供应管道、设定点供应管道、冷供应管道以 及单个返回管道。热卡盘710进一步包括气压总管720、流体总管725及底板 730。连接到底板730的是零影响推动器785的另一具体化变型，其中零影响 推动器785至少包括一个混合腔735及散热器740。
类似于图8所示的系统，气压总管720、流体总管725及底板745包括轴 向排列的孔，其共同形成关于热卡盘710与零影响推动器785的共同中心轴对 称地隔开的四个腔745。设置在每个腔745中的是上滚动膜片750与下滚动膜 片755，其将腔745分成上腔部分745a、中腔部分745b及下腔部分745c。上 腔元件760a设置在上腔部分745a中。同样，中腔元件760b设置在中腔部分745b中。另外，下腔元件760c设置在下腔部分745c中。
如图13所示，流体总管725包含将流体管道715连接至中腔部分745b 的端口 765。每个中腔元件760b具有与轴向孔775相交的交叉孔770。交叉孔 770与中腔部分745b流体连通。轴向孔775转而与下腔元件760c的通孔780 连通。此外，如图12所示，每个下腔元件760c的通孔780与混合腔735流体 连通。按照这种方式，每个流体管道715与散热器740之间设有流体通道。
此外，膜片750、 755提供零影响推动器785的浮动连接给热卡盘710。 这样，零影响推动器785相对热卡盘710维持六自由度的移动。另外，从图 14中进一步看出，气压总管720包括气压口 790，其提供气压管道795与上腔 部分745a之间的通道。因而，类似于以上参考图8所述的系统，可以通过适 当地施加压力(或真空)给压力管道795来轴向(也就是z轴方向)移动零影响 推动器785。
此外，类似于以上参考图8所述的系统，混合腔735与散热器740可选择 性地作为一个单元从热卡盘710移除。例如，混合腔735可通过选择性地可脱 开连接797连接到四个各自的下腔元件760c上，脱开连接797包括但不限于 摩擦配合、卡扣配合、快速脱开或任何其它适当的连接。这样，不同的散热器 (例如具有不同的热接口区域和/或不同的热接口材料)可以快速且简易地与上 述系统适配，以用于测试不同类型的DUT。
因此，从上述描述可以看出，零影响推动器并不限于使用任何特定的热卡 盘。本发明的实施可以使用任何所需的热控制系统，其中需要将散热器/DUT 接口与系统的其他部分产生的外力相隔离。这样，零影响推动器使热控制器结 构对散热器与DUT之间的接口的不利影响最小化。同样，零影响推动器在接 口处为DUT提供散热器的六自由度万向连接，从而在接口处消除非平衡力(例 如，扭矩)，同样也消除散热器相对DUT的磨擦(例如，磨损)。此外，零影响 推动器的气压控制的轴向移动允许散热器无冲击地移动，并且对DUT均衡施 加作用力。
热接口材料
图15A示出了根据本发明各方面的包含多个纳米管805的热接口材料的
20示范性实施例。在一优选的实施例中，纳米管805包括在基底810上形成(grow) 的碳纳米管，但是本发明并不限于这种类型的纳米管。因为纳米管805是柔性 的，弯曲时仍保持其热长度，所以纳米管805能够顺应DUT 815表面的偏差(如 图15A所示)，同时提供在整个DUT 815表面的均匀热阻系数(如图15B所示)。 因此，纳米管805使整个DUT 815上不期望的热梯度最小化。
在实施例中，纳米管805包括在基底810上形成的高度约为150//m碳纳 米管。基底810可包括例如散热器(例如，上述的散热器515)的表面，如铜表 面。直接在散热器的表面上形成碳纳米管可提供有利的低热阻系数。可选地， 形成纳米管805的基底810可以通过可修复的热焊剂或热脂连接在散热器上。 在一优选的实施例中，操作的气压范围在约15psi至约75psi(其中psi是磅每平 方英寸)，纳米管805具有小于或等于约0.07C/(W/cm"(其中C表示摄氏度， W表示瓦特，cm表示厘米)的热阻系数，基本上没有热质量，且能够容纳大于 50戶的平面。然而，本发明并不局限于具有这些特定性质的纳米管，其它类 型的纳米管也可用于本发明。例如，高度为约25/zm至约50/^的纳米管也可 用于本发明。此外，本发明的实施例可以采用封装或者非封装的纳米管。
图16和17示出了纳米管805如何作为基底810与DUT 815之间的柔性 热接口的另外的方面。例如，如图16所示，尺寸小于纳米管805长度的粒子 820(例如，碎片)不会损坏基底810和/或DUT 815。这是由于作为伸长的热弹 簧的纳米管805可以在粒子820周围伸縮。同样，如图17所示，由多个纳米 管805组成的热接口材料覆盖相对较小的DUT 815，并不会在DUT 815的边 缘引起应力集中。这使得对DUT 815造成损坏的可能性最小化，同时避免了 由于应力集中产生的热梯度。
图18示出了设置在纳米管805中间的基底810上的急停件840的实施例。 例如，根据一些测试条件下的要求，当需要将力从基底810转送到DUT 815 上时，可以采用这种急停件840。根据本系统计划的用途，急停件840可以由 任何适当的材料组成，并且可以设计成任何适当的尺寸或大小(例如，长度、 宽度和高度)。然而，在一优选的实施例中，急停件840比未压縮纳米管805 的长度要短，以便纳米管805必须在急停件840接合DUT 815的表面之前压
21縮至某种程度。这种设置确保了基底810与DUT 815之间的均匀热接口，同 时允许力(例如，约100磅)施加至DUT815。
图19示出了在基底810上设置急停件840和真空通道845的实施例。急 停件840的功能如参考图18所述。真空通道845允许负压力施加至由基底810、 DUT 815和急停件840围成的体积上。这提供了允许DUT 810被传送(例如， 被移动)的真空杯，同时维持了期望的热特性和/或基底810与DUT 815之间的 接口的力的施加。
图20示出了根据本发明各方面的热接口材料的另一实施例。在此实施例 中，碳纳米管805a、 805b分别在上侧850a和下侧850b连接到基底850上。 基底850和碳纳米管805可轻松地放置在DUT 815和散热器855之间，而不 需要使用热脂或其它热接口材料。基底可包括箔，例如，纳米管805a、 805b 在其上形成的铜箔。此外，基底850可具有使自身具有柔性的厚度。基底850 的这种柔性有助于最佳化柔性碳纳米管805a、 805b与DUT 815及散热器855 表面的一致性。
如上所述，包括纳米管热接口材料的本发明的实施提供了一种基本上均匀 的热接口 ，其不会损坏DUT表面，并且可以覆盖DUT边缘而不引起应力集中。 此外，根据本发明各方面，包括纳米管的热接口材料不会像热接口液体一样蒸 发或冻结，并且可以容纳碎片而不损坏DUT。
除非另外说明，在说明书和权利要求中使用的所有表示特性(温度、长度、 热阻系数等)的数值的数字都应理解为在所有情形下由术语"大约"所修正。因 此，除非表示相反的，在说明书和权利要求中出现的数字参数都是基于本发明 获得的所需特性而变化的近似值。这些数字参数丝毫不能被认为用于限制权利 要求书范围所表达的申请内容，应该根据有效数字和四舍五入的值来构建每个 数字参数。
另外，说明书中的数字范围的描述是这个范围中的所有数字值及范围的表 示。例如，如果范围在约1至约50，应认为包括例如1、 7、 34、 46.1、 23.7 或任何其它在此范围中的值或范围。
虽然在此参照几个示范性实施例对本发明进行了描述，这些实施例能以任何适当的方式进行组合，但是应理解，所使用的词句是用于描述和解释的词句， 而不是用于限制的词句。如在此陈述和改进的，可以在所附权利要求的范围内 做出改变，而在其各方面上不脱离本发明的范围和实质。虽然在此参照特定装 置、材料和实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不限于所公开的特例。 相反，本发明可扩展至所有功能上等同的结构、方法及使用，如在所附利要求 的范围中所限定的。
权利要求
1、一种控制设备温度的装置，其特征在于，包括主体，其包括以所述主体的纵轴为基准基本上对称地隔开的多个腔，其中所述多个腔的每个腔均包括上膜片和下膜片；以及热传输元件，其借助于所述多个腔附接在所述主体上，使得所述多个腔与所述热传输元件流体连通。
2、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热传输元件的温度补偿所述设备的温度变化，并基本上维持所述设备的设定点温度。
3、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述设备包括半导体设备。
4、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热传输元件相对于所 述设备是可移动的。
5、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热传输元件可相对于 所述设备在六个自由度上移动。
6、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热传输元件施加力给 所述设备。
7、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述力基本上垂直于所述 设备的接口表面。
8、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热传输元件可相对于 所述主体在所述纵轴方向上移动。
9、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体包括连接至所述 多个腔的每个腔的上部的气压总管。
10、 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述气压总管与外部压力 或真空源流体连通。
11、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，当向所述多个腔的每个 腔的上部供应正压力时，所述热传输元件沿所述纵轴方向远离所述主体移动。
12、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，当向所述多个腔的每个 腔的上部供应真空时，所述热传输元件沿所述纵轴方向朝所述主体移动。
13、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，当向所述多个腔的每个 腔的上部供应正压力时，所述热传输元件向所述设备施加力。
14、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述上膜片和每个所 述下膜片均包括滚动膜片。
15、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述上膜片和每个所 述下膜片均包括基本上无静摩擦的滚动膜片。
16、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述上膜片大致相互共面地沿上膜片平面延伸，所述下膜片大致相互共面 地沿下膜片平面延伸，并且所述上膜片平面与所述下膜片平面大致相互平行。
17、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个腔的各腔的所述 上膜片与所述下膜片具有共同的中心轴。
18、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括单个 上膜片构件，所述单个上膜片构件一体地包括每个各自的所述上膜片。
19、 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述单个上膜片构件被 夹在气压总管与所述主体的流体总管之间。
20、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个腔的每个腔进一 步包括上腔部分，其设置在所述上膜片的上方；中腔部分，其设置在所述上膜片与所述下膜片之间；以及下腔部分，其设置在所述下膜片的下方。
21、 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述上腔部分可操作地 连接至气动压力源。
22、 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述中腔部分限定了所 述主体的流体总管与所述热传输元件之间的流体通道。
23、 根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括设 置在所述中腔部分与所述热传输元件之间的所述流体通道上的阀。
24、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，散热器可选择性地从基部移除。
25、 根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述散热器可借助于以下方式中的一种选择性地移除摩擦配合、卡扣配合以及快速脱开。
26、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括设置于所述热传输元件与所述设备之间的热接口材料，该热接口材料与所述热传输 元件和所述设备接触。
27、 根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述热接口材料包括碳 纳米管。
28、 一种控制设备温度的装置，其特征在于，包括 基底；以及连接至所述基底的纳米管，其中，所述纳米管构造和设置成用于在所述基底与所述设备之间生成热接口。
29、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述设备包括半导体设备。
30、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述纳米管包括碳纳米管。
31、 根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述碳纳米管具有在约 25，至约150//m范围内的高度。
32、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述基底包括热控制器 的热传输元件，该热传输元件构造和设置成用于补偿所述设备的温度变化并基 本上维持所述设备的设定点温度。
33、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于 所述基底借助于可修复的热焊剂或热脂附接在热传输元件上，并且 所述热传输元件包含在热控制器中，所述热控制器构造和设置成用于补偿所述设备的温度变化并基本上维持所述设备的设定点温度。
34、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括至 少一个连接至所述基底的急停件。
35、 根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述至少一个急停件构 造和设置成用于向所述设备传递力。
36、 根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述至少一个急停件的长度小于所述纳米管的长度。
37、 根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括至 少一个设置成穿过所述基底的真空通道。
38、 根据权利要求37所述的装置，其特征在于，所述至少一个急停件、 所述至少一个真空通道及所述基底在所述设备上形成真空杯。
39、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述纳米管具有基本上 一致的热阻系数，该热阻系数在约15psi与约75psi之间。
40、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述纳米管直接形成在 所述基底上。
41、 根据权利要求40所述的装置，其特征在于，所述基底包括散热器的 铜表面。
42、 根据权利要求28所述的装置，其特征在于 所述基底包括第一侧和第二侧， 第一多个所述纳米管连接至所述第一侧，并且 第二多个所述纳米管连接至所述第二侧。
43、 根据权利要求42所述的装置，其特征在于，所述基底包括箔。
44、 一种控制设备温度的装置，包括主体，其包括以所述主体的纵轴为基准基本上对称地隔开的多个腔，其中 所述多个腔的每个腔均包括上膜片和下膜片；热传输元件，其借助于所述多个腔附接在所述主体上，使得所述多个腔与 所述热传输元件流体连通；基底，其连接至所述热传输元件；以及纳米管，其连接至所述基底，其中，所述纳米管构造和设置成用于在所述基底与所述设备之间生成热接 口，并且所述热传输元件的温度补偿所述设备的温度变化，并基本上维持所述设备 的设定点温度。
全文摘要
本发明涉及一种控制设备温度的装置，具体而言，涉及一种高级热控接口。所述装置包括主体(500)，其具有以所述主体(500)的轴为基准基本上对称地隔开的多个腔(630)，其中多个腔(630)的每一个腔均包括上膜片(635)和下膜片(640)。所述装置还包括热传输元件(515)，该热传输元件(515)通过所述多个腔(630)连接在所述主体(500)上，以使所述多个腔(630)与所述热传输元件(515)流体连通。
文档编号B01F13/06GK101505861SQ200780028655
公开日2009年8月12日 申请日期2007年9月14日 优先权日2007年9月14日
发明者拉里·斯塔基 申请人:株式会社爱德万测试