专利名称：直接冲击式温度控制构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度控制系统，尤其涉及用于确定、保持和控制一个装置温度的构件。
例如集成电路等装置已经变得越来越小，同时这些装置消耗的能量越来越多。这样会导致装置具有较低的热质量，其在工作期间往往会快速发热。
另一方面，温度控制构件通常不具有低的热质量，这是由于所述构件必须包括一个加热设备和一个散热装置。例如，美国专利5,821,505披露了一种典型的温度控制构件，其使用了一种电涂层式加热器，该加热器具有第一和第二相对的表面。散热装置与电热器的第一表面接触，测试中的电子装置与电热器的第二表面接触。这种方法形成了一种组装式分层系列元件结构，其中加热器设置在测试中的电子装置和散热装置之间。
将一个温度传感器连接至电子装置上，将一个控制电路连接到温度传感器和加热器上。温度传感器检测装置温度Td，且当电子装置的检测温度高于设定值时，控制电路减少供给加热器的能量，反之则增加。当加热器温度Th比装置温度Td低时，那么热量从电子装置通过加热器流动到散热装置，而且当Td-Th增加时热流速增大。当Th比Td大时，那么热量就从加热器流动到电子装置，而且当Th-Td增加时，热流速增大。仅通过电控热能，就可以调节电子装置的热量流动，从而调节该装置温度。
由于被加热和冷却的装置具有比较低的热质量，而且其上设置有用于处理和/或测试的装置的温度控制构件具有数倍于所述装置的热质量，所以装置本身不会太大影响系统的热动态特性。而系统的热动态特性由温度控制构件控制。因此，将装置保持在特定温度下的基本任务是伺服控制其上设有所述装置的温度控制构件的温度。
由于温度控制构件的热质量远大于所述装置的热质量，在控制装置温度中热响应时间有一定的延迟。另外，由于温度控制构件具有数倍于所述装置的热质量，所以在使用高热质量的温度控制构件加热和/或冷却低热质量的装置中会浪费大量的能量。
另外，如果加热器使为以下类型，即包括一个电轨迹，该轨迹通过每侧上的一层绝缘材料与周围隔开，采用这种分层元件方案带来的另一个问题是加热器的绝缘层意味着金属加热元件和电子装置及散热装置之间的热阻。而且，加热元件的绝缘层被反复加热和冷却，从而反复膨胀和收缩。因此，这些区域表明了由于温度变化而造成绝缘层反复膨胀和收缩所引起的潜在的机械破坏区域。
因此，需要提供一种具有比较低的热质量的温度控制构件和系统，其容许装置的温度迅速变化。还需要提供这样的一种系统，该系统提供快的热响应，但一旦达到理想的温度就会提供良好的温度稳定性。还希望提供一种结构紧凑的温度控制构件，其能被用在较小的测试室中并容许与测试中的装置形成良好的电接触，而且其可以用在同时测试许多装置的环境中。
本发明的一个目的是提供一种用于对一个装置进行温度控制的构件，所述装置利用直接冲击的冷却剂射流和激光束与之接触。
本发明的另一个目的是使一个或多个激光束与一个或多个膨胀气体冷却射流对准，以便激光束和冷却射流基本上冲击装置的相同区域。
本发明的再一个目的是提供一种系统，其中加热和冷却作用直接发生在装置的表面，而且该系统具有高于通过装置和温度控制表面之间机械接触所得到的有效导热系数的有效导热系数。
本发明的又一个目的是提供一种真空构件，该构件能使装置以抽真空的方式牢牢地固定在控制所述装置温度的一个构件上。
本发明的又一个目的是提供一种温度控制构件，其包括有助于相对于温度控制构件的支承面导向和定位一个装置到的导向和定位构件，其中所述导向和定位构件也是具有较轻质量的绝缘体。
本发明的这些和其它目的是通过提供一种用于温度控制一个装置的构件实现的，所述构件包括一个使装置暴露于其加热/冷却区域的主体，一个一端暴露于加热/冷却区域并设置在主体中的加热通道，以及一个一端暴露于加热/冷却区域并设置在主体中的冷却通道，其中加热和冷却通道设置在主体中以便在加热通道中传播的能量与在冷却通道中传播的气体混合，因此热能和冷却气体能直接冲击装置表面上。通过这种特殊结构，提供了一种用于控制装置温度的构件。加热通道可以被设置为一种光学透明通道，而且加热源可以被设置为激光源，其产生的激光通过光学透明通道并直接冲击装置上。冷却通道可以被设置为一种气体通道，而且冷却源可以被设置为提供通过气体通道的压缩气体的气体源。气体通过一个使气体形成喷射流的喷嘴构件进入加热/冷却区域。当气体射流排出喷嘴时，气体迅速膨胀。因此气体提供了一种通过迅速膨胀气体流过气体通道并随后直接冲击到装置上所产生的冷却作用。激光和气体基本上集中在装置的相同区域中，以便加热和冷却源的冲击区域相互混合。在一个最佳实施例中，气体射流居中设置在加热源(例如激光)中，从而加热和冷却流可以被当作共轴流。由于加热和冷却源直接冲击装置上，所以使温度控制系统的系统质量和热响应时间降至最小。本发明的技术通过将加热器和散热装置有效地组合为一个混合源而完全消除了在现有系统中必须包含的任何加热器至散热装置的热阻。取决于使用温度控制构件的特定系统和系统的工作要求，实现毫秒热响应时间是可能的。另外，由于加热和冷却源直接冲击装置本身上，所以其中固定有所述装置的温度控制构件不必执行散热装置的功能。因此，温度控制构件可以由具有较轻质量的任何材料制成。因此，温度控制构件的质量实际上小于装置的质量。
应注意快速精确的温度控制可以被用在许多用途中，包括但不局限于半导体工艺、印刷电路板制造和化学工艺。由于化学反应对温度变化及温度变化率比较敏感，所以在一些实施例中，设置在温度控制构件中的装置可以是一种组合化学芯片，其包含有不同的实验装置。
温度控制构件还可以包括一个穿过主体突出到加热/冷却区域中的管。管的第一端终止在支承面下方，管的第二端适于被连接到一个真空源。当通过管抽真空时，产生真空力以将装置固定到支承面上。另外，通过将真空管的顶面设置得稍低于支承面，真空管可以用作一个经气体通道进入加热/冷却区域的膨胀冷却气体的排出装置。
另外，温度控制构件可以包括一个导向构件，其用于准确地将装置导引至温度控制构件的支承面上的特定位置处。在一个最佳实施例中，由主体的一个或多个楔形上表面提供导向构件，其终止在温度控制构件的支承面上。因此，本发明的温度控制构件可以包括定位和真空夹紧构件，它们用以定位并保持在测试和/或处理过程中进行温度控制的装置。
最佳实施例的描述现在参照
图1，用于控制装置温度的温度控制系统10包括一个温度控制构件12，该构件具有多个设置在其底面中的激光口12a-12h和多个设置在其一或多个侧面中的气体口13a-13d。为了便于观察和说明，在图1中只给出了三个激光口12a，12e和12f。激光源14与各个激光口12a-12h相连，气体源16与各个气体口13a-13d相连。应该注意在一些实施例中，最好用另一种类型的能量产生装置，例如产生能量集中束的装置替代激光源14。
光学透明口13a-13d和气体口12a-12h分别通向在下面将结合附图2描述的光学和气体通道。此处只要光源14和气体源16能将光和气体送入构件12中以加热和/或冷却设置在构件12中的装置就够了。下面还将结合附图2描述完成上述的特定方式。
温度控制构件12包括一个具有全部标以20的多个小孔20a-20h的基座18。应理解，虽然此处所示的构件12具有八个激光口12a-12h、四个气体口13a-13d和八个小孔20a-20h，但构件12也可以具有任意数目的激光口12a-12h、气体口13a-13d或小孔20a-20h。用在特殊用途中的激光口12a-12h、13a-13d和小孔20a-20h的特定数目应根据许多因素选择，这些因素包括但不限于可利用的空间、加热和冷却要求。
侧壁22突出至基座18之上。气体口13b设置在支撑构件12的侧壁22中并通向设置在构件12中的通道。构件12可以由具有足够强度以支撑设置在其上的装置并具有较低热传导特性的任何材料制成。构件12可以由包括但不限于如塑料或陶瓷材料形成。在一些实施例中，希望或必需用光学透明材料制造整个构件。在图1所示的特定实施例中，侧壁22具有楔形上表面24，该表面终止在一个具有侧表面25a和顶面26的凸台25上。顶面26限定了一个支承面26。
下面将结合附图2进行描述，楔形侧壁面24有助于精确地将装置导引到支承面26上。支承面26具有选定的宽度W以便装置的底面在支承面26上齐平。在一个实施例中，可以在支承面26上设置一个垫圈或密封材料以提高装置和支承面26之间的密封性。在一些实施例中，垫圈最好由导电材料形成，而在其它实施例中，垫圈可以由非导电材料形成。基座18和凸台侧面25a限定了一个加热/冷却区域29。
构件12还包括一个装置保持构件30。在该特定实施例中，保持构件30由真空管32形成，该真空管沿其中央纵向轴线具有一个真空孔34。真空管32穿过基座18设置并在基座18上伸出一定距离，以便真空管的顶面36稍低于装置表面。在该特定实施例中，顶面36位于由支承面26限定的平面下方。通过这种方法，真空孔34能够相对于支承面26保持所述装置，同时用作膨胀/冷却以下面所述方式通过小孔20a-20h进入区域29的气体的排出装置。虽然保持构件30在此处已经被描述为一种真空构件，本领域的普通技术人员将意识到可以使用其它保持构件。应该注意，如图2所示，装置通常与试探电极阵列接触，这些试探电极能防止在测试中的装置由于气体的冲击射流作用力而从控制构件12掉落。当然本领域的普通技术人员应理解还可以使用其它技术和保持构件，如夹子。
在基座18中还包括口13a，其通向延伸到构件12中的光学透明通道40a-40h(图2)。一个或多个通道40a-40h中的每个均具有终止在构件12的加热/冷却区域29中相应的一个小孔20a-20h的第一端。每一通道40a-40h的第二端终止在相应的一个口12a-12h处，每一口均适于从激光源14接收激光信号。激光源14提供激光束或光，其尺寸和形状最好基本满足但不超过通道40a-40h的尺寸和形状。例如，如果通道40a-40h具有特定直径的圆形横截面形状，那么激光源14最好能提供具有圆形横截面形状的激光束，其直径基本上与通道40a-40h的直径相同。
还应该注意每一通道40a-40h均不必具有相同的尺寸和/或形状。例如，通过提供具有不同尺寸和/或形状的通道40a-40h，在特定的应用中可以实现有利的温度控制特性。在这种情况中，可以选择各激光束的尺寸和形状以基本上与激光束将在其中传播的通道40a-40h的尺寸和/或形状匹配。
小孔20通向基座18的光学凹槽区域44中的基座18的第一表面。虽然此处所示的小孔20设置在一个凹槽区域中，但应理解可以仅使小孔在基座18中齐平或者小孔20可以设置在立于基座18上的一个构件(例如一根杆或其它竖起的构件)中。凹槽区域不是必需的，而小孔也不需要齐平。应该注意虽然小孔20的尺寸和/或形状可以均与图1中的相同，但各小孔的尺寸和/或形状不必相同。
现在参照图2，其中使与图1中温度控制构件12的相同元件具有相同的参考标号，构件12具有设置在支承面26上的在测试中的装置50。在该装置被安装就位的情况下，加热/冷却区域29形成一个气体和光(例如激光束)可经小孔20被导入的封闭腔。在该特定的例子中，装置50包括呈球格阵列形式的接触点，所述阵列由多个设置在装置50表面上的球51形成，而且所述接触点可以电连接至包含在装置50内的电子装置和元件。
在装置50上方设有一个具有多个测试探头54的测试器52。为清楚起见，在图2中仅示出测试器52的一部分。测试探头54与装置50的电触点51形成物理和电接触。测试探头54通过触点51在装置50上提供了一个力，该力足以将装置50保持在支承面26上，同时膨胀气体冲击暴露于加热/冷却区域29的装置50的表面。应注意这种设计容许使用探头54或其它任何较短的电线与球51接触。因此，在装置50和测试器52之间形成了良好的电接触。
侧壁22的楔形上表面24有助于将装置50导向并定位到支承面26上，以便装置的底面部分50a紧靠在支承面26上平齐。因此，当通过真空管32抽真空时，可以产生真空力以使装置50推到或保持到支承面26上。另外，通过使真空管32的顶面36稍低于支承面26，真空孔32可以用作经过小孔20进入区域29的膨胀冷却气体的排出装置。另外，在真空管32不能用作膨胀气体的排出装置的情况下(例如，由于真空管32没有低于由支承面26限定的平面)，可以在构件12的侧壁22中设置一个或多个泄放通道33以容许气体从区域29排出。此处示出了两个泄放通道33，但本领域的普通技术人员应理解可以使用足以容许气体从区域29排出的任何数量的通道或开口。
每一光学透明孔12a-12h均设有通向相应通道40a-40h第一端的开口。透明的密封窗52a-52h设置在每一通道40a-40h的第一端，透明的密封窗57a-57h设置在通道40a-40h的第二端。所述窗57a-57h的顶面形成了凹槽区域44的底面(图1)。在该特定的例子中，由于激光源14(图1)将光从一外部激光源导入通道40a-40h内，因此，每一透明密封窗52均作为一个光学透明塞，其能够在通道40a-40h的第一端提供气密密封。设置在通道40a-40h第二端中的透明窗57a-57h具有通向小孔20a-20h的孔56a-56h。应注意图2中仅示出了两条通道40a，40e。
如图2所示，光学透明塞57a-57h中的孔56a-56h包括通向尺寸减小的通路59的变窄区域58，它们一起形成喷嘴构件60。喷嘴构件60使气体形成从小孔20a-20h排入加热/冷却区域29的喷射流。因此，气体喷射流通过膨胀孔56a-56h并从小孔20a-20h排出。
每一气体口12a-12h均设有通向相应通道54a-54d的第一端的开口。每一气体通道均包括一个通向预定的一个小孔20a-20h的通路。应注意图2中仅给出了气体通道54a，54e。
应注意虽然通道54a-54h的尺寸和/或形状与图2中的通道相同，但是每一通道54a-54h的尺寸和/或形状不必相同。例如，通过提供具有不同尺寸和/或形状的通道54a-54h，在特定的应用中可以实现理想的温度控制特性。在这种情况下，可以选择各喷嘴60的尺寸、形状和/或指向以提供特定的冷却特性。
一个或多个通道40a-40h中每一个通道的至少一部分均与一个气体通道54a-54d的至少一部分相交。如图2所示，例如，通道40a和40e分别与气体通道54a和54d相交，因此通过气体通道13c，13d的每一个口供给的气体经过透明窗57a-57h中的孔56a-56h并可以通过暴露于加热/冷却区域29的膨胀气体小孔20a，20e排出。设置在通道40端部的透明塞52a-52h防止气体从通道40a-40h的第二端排出。
根据许多因素来选择口12a-12h，13a-13d，通道40a-40h，气体通道41a-41和孔20a-20h的直径，这些因素包括但不局限于装置的特定尺寸、影响装置的温度范围、必须将装置保持至一定温度范围内某一特定温度的精确度、供给至系统的合适的气体流速和压力及合适的激光能量。真空口32的尺寸和形状也是根据许多因素选择的，这些因素包括但不局限于例如通过机械手将装置从一个位置移到另一个位置时用来将装置保持到表面26上的力等。这种运动能够产生通过机械手或其它输送构件的加速和减速而在装置上产生足够大的力。
气体源16(图1)通过气体口13a，13b，13c，和13d提供在一定压力下足以冷却装置的气体。气体经气体通道54a-54d(在图2中仅示出通道54a和54d)向上行进，在图1中总共有四个这样的通道(每个气体口一个)。导入气体通道54内的气体不能从通道40底部排出，这是由于光学透明塞52a-52h的缘故。
当气体从小孔20a-20h排出时，气体在区域29中膨胀并迅速冷却，同时直接冲击装置50的表面。这样便导致被认为是较高的导热系数，较高是与如现有技术中通过任何固体或液体传导所实现的导热系数相比较而言的。
为了调节冷却或提供加热，激光源14(图1)产生激光束，该激光束穿过光学透明窗52a-52h和光学透明膨胀孔56a-56h以在基本上与膨胀气体相同的区域中冲击装置50的表面50a。其结果导致产生相互混合或同轴的加热和冷却源的直接冲击。
气体的冲击射流的使用会产生这样一个导热系数，即其大于由平行于装置50下侧的气流所获得的导热系数。另外，利用膨胀气体的热动力特性的膨胀孔的使用会产生局部冷却效果。这又会产生较快的热响应。应该注意，由气体源16(图1)供给的气体可以在环境温度下被输送或者气体可以在比环境温度低的温度(例如较冷的温度)下被冷却并被输送到气体口13a-13d(图1)。
本发明中直接冲击的设计消除了加热和冷却源之间的轴向热阻通路。由于在加热和冷却源之间没有轴向热阻通路，所以系统具有较快的热响应时间而且不存在由于机械构件的反复加热和冷却所引起的可能热疲劳区域。
虽然此处所示的喷嘴构件被设置在温度控制构件12的基座中，但应理解在一些实施例中希望或必须以与所示不同的方式来定位喷嘴构件。在不脱离能够确保提供混合式加热和冷却源的直接冲击的本发明的思想和范围的情况下，可以以任何方式来定位喷嘴构件。
因此，此处所引用的所有参考均可作为整体在本申请中参考使用。
虽然已描述了本发明的最佳实施例，但是，本领域的技术人员应理解可以使用包含这些最佳实施例概念的其它实施例。
例如，在一些申请中需要升高真空构件32在支承面26上方的高度以便将装置设置在真空管32的顶面36上。在这种情况下，可以不需要真空泄放管33，而且在通过温度控制构件检测之前可以使所述装置正确对准并与测试器接触。另外，测试器可以具有一调整构件以确保装置与测试器正确对准。
同样，支承面26可以具有不同的形状。例如，如果在测试中的装置的周边对应于特定的热产生或温度变化区域，那么支承面的形状应使在测试中的装置基本上或完全支撑在其中央区域，以使装置的周边区域暴露。以这种方式，膨胀气体和激光能量可以直接冲击装置中那些与测试中的装置的热产生或温度变化区域对应的周边区域。通过这种方法，能够将冷却气体和加热激光导引至所关注的区域，从而更好地控制装置温度。
同样，由于装置本身会具有特定的温度极端区域(即所谓的“热点”或“冷点”)，所以可以选择气体射流和激光束的方向以便膨胀气体和/或激光束能够冲击装置的特定区域。改变气体射流和激光束方向的一种方法是提供所述通道40或部分通道40，它们以不垂直于装置表面的一定角度通向区域29。
因此，应认识到，这些实施例不应限制于所披露的实施例，而应该仅由所附权利要求的思想和范围限定。
权利要求
1.一种可设置一个装置的温度控制构件，所述温度控制构件包括一个主体，其具有一个接收所述装置的支承面和一个加热/冷却区域；一个或多个延伸到所述主体中的气体通道，每一个所述气体通道均具有适于接收一个气体源的第一口；一个或多个延伸到所述主体中的光学透明通道，所述一个或多个光学透明通道中的每一个通道均具有终止在所述主体的加热/冷却区域中一个小孔处的第一端以及适于接收激光信号的第二端，其特征在于所述一个或多个光学透明通道中每一个通道的至少一部分均与一个所述气体通道的至少一部分相交，以便经所述气体通道的第一口供给的气体能经一个孔口排出以使气体膨胀并冷却而进入加热/冷却区域，同时容许所述激光通过。
2.如权利要求1所述的构件，其特征在于整个构件由一整块透明材料制成。
3.如权利要求1所述的构件，其还包括一个用以将装置保持在主体支承面上的保持构件。
4.如权利要求3所述的构件，其特征在于保持构件为一种真空构件。
5.如权利要求4所述的构件，其特征在于所述真空构件包括一个经所述主体伸出的管，所述管具有一个第一端和一个第二端，该第一端具有一个位于支承面下方的表面和所述第二端适于连接到一个真空源。
6.如权利要求1所述的构件，其特征在于所述主体包括一个导引构件，其用于准确地将装置导引到支承面上的一个特定位置处。
7.如权利要求6所述的构件，其特征在于所述导引构件由终止在所述支承面上的所述主体的一个或多个楔形上表面形成。
8.如权利要求1所述的构件，其特征在于每一所述光学透明通道均具有一个形成喷嘴的区域，以便膨胀气体的喷射流能从加热/冷却区域中的小孔排出。
9.如权利要求8所述的构件，其特征在于每一所述光学透明通道均具有一个圆锥形的部分。
10.如权利要求1所述的构件，其特征在于所述加热/冷却区域与由多个侧壁和一个基座限定的所述主体的一个凹槽区域对应，其中所述光学透明通道的小孔设置在所述基座中。
11.如权利要求1所述的构件，其特征在于所述基座包括多个凹槽区域，在这些凹槽区域中设有所述光学透明通道的小孔。
12.如权利要求1所述的构件，其特征在于所述支承面由从所述主体的一个侧壁伸出的凸台限定。
13.如权利要求1所述的构件，其特征在于所述支承面设置在加热/冷却区域中小孔上方的一定距离处，以便通过小孔传播的激光束和气体在装置中基本相同的区域中冲击装置。
14.如权利要求1所述的构件，其还包括一个连接到每一所述光学透明通道的所述第二端的激光源；和一个连接到每一所述气体通道的第一端的气体源。
15.一种用于控制装置温度的构件，所述构件包括(a)一个具有加热/冷却区域的主体；(b)一个设置在所述主体中的加热通道，所述加热通道的一端暴露于所述主体中的加热/冷却区域；(c)一个设置在所述主体中的冷却通道，所述冷却通道的一端暴露于所述主体中的加热/冷却区域，其中，所述加热和冷却通道被设置在所述主体中，以便在加热通道中传播的能量与在所述冷却通道中传播的气体混合并直接冲击到装置上。
16.如权利要求15所述的构件，其特征在于每一所述光学透明通道均具有这样一种形状，即气体的射流从加热/冷却区域中的小孔排出。
17.如权利要求15所述的构件，其特征在于每一所述光学透明窗均具有一个变窄区域，该区域形成了一个喷嘴以使所述气体膨胀从而容许它能够冷却所述空间。
18.如权利要求16所述的构件，其特征在于所述加热/冷却区域与由多个侧壁和一个基座限定的所述主体的一个凹槽区域对应，所述光学透明通道的小孔设置在所述基座中。
19.如权利要求18所述的构件，其特征在于所述基座包括多个凹槽区域，在这些凹槽区域中设有所述光学透明通道的小孔。
20.一种用于控制装置温度的温度控制系统，包括一个在其中设有加热/冷却区域的构件，一个激光通道和一个气体通道；一个连接到用以传送光的所述激光通道的激光源，其中，所述激光通道是这样设置的，即从所述激光源发出的光直接冲击装置；一个气体源，其被连接到用以将气体导入所述构件内的所述气体通道，其中，所述激光通道和气体通道是这样设置的，即通过所述激光通道传播的激光信号与通过所述气体通道传播的气流相互混合。
21.如权利要求21所述的系统，其中，气体在进入冷却区域时膨胀，从而通过绝热膨胀冷却。
全文摘要
一种控制装置温度的构件和系统,所述构件包括使装置暴露于其加热/冷却区域的主体,一端暴露于加热/冷却区域并设置在主体中的加热通道,以及一端暴露于加热/冷却区域并设置在主体中的冷却通道。加热和冷却通道设置在主体中以便在加热通道中传播的能量与在冷却通道中传播的气体混合,且加热和冷却源在加热区域中直接冲击装置。由于加热和冷却源直接冲击装置,所以温度控制系统可具有较低的热质量,且装置温度可在较热温度和较冷温度之间迅速变化。另外,由于加热和冷却源直接冲击装置,所以装置提供了快速的热响应,但热性能良好。另外,温度控制构件包括真空系统,其将装置保持在温度控制构件上,同时容许与用于测试的装置良好地电接触。
文档编号G05D23/185GK1390320SQ00815754
公开日2003年1月8日 申请日期2000年10月2日 优先权日1999年10月8日
发明者安德烈亚斯·C·普凡勒, 亚历山大·H·斯洛克姆 申请人:泰拉丁公司