连续流体热界面材料施配的制作方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年7月21日申请的第62/195,049号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案的全部内容特此以引用的方式并入本文中。

背景技术：

本章节希望提供权利要求书中列举的本发明的背景或上下文。本文的描述可包含可求知的概念，但未必是先前已设想或求知的概念。因此，除非本文中特别指出，否则本章节中所描述的内容并非本申请案中的描述及权利要求书的现有技术且不因包含在本章节中而被承认为是现有技术。

本发明大体上涉及例如经历电测试的半导体晶片或裸片或可在使用中或经历测试的其它装置的电子装置(也称为“待测装置”或“dut”)的热控制及/或调节的领域。更特定来说，本发明涉及一种用于此装置的热控制及/或调节的设备及方法。

已开发各种技术以将半导体装置的温度维持在预定设置点温度下或附近。例如，在第7,639,029号美国专利、第6,489,793号美国专利、第6,476,627号美国专利、第6,389,225号美国专利、第5,864,176号美国专利、第5,844,208号美国专利、第5,821,505号美国专利、第5,420,521号美国专利、第5,297,621号美国专利、第5,104,661号美国专利、第5,315,240号美国专利、第5,205,132号美国专利、第5,125,656号美国专利、第5,309,090号美国专利、第5,172,049号美国专利及第4,734,872号美国专利中描述此类系统及方法，所有所述专利特此以引用的方式并入本文中。

需要在恒定温度附近测试的电子装置的两个具体实例是封装集成芯片或未封装的裸芯片。例如数字逻辑电路、存储器电路或模拟电路的任何类型的电路可集成到芯片。芯片中的电路可由例如场效应晶体管或双极晶体管的任何类型的晶体管构成。

当测试芯片时设法使所述芯片的温度保持恒定的原因是所述芯片操作的速度可为温度依赖性的。例如，由互补场效应晶体管(cmos晶体管)构成的芯片通常芯片温度每下降1℃增加其操作速度达大约0.3％。

芯片工业中的共同实践是大量生产特定类型的芯片，及接着对芯片快速分类且以更高价格销售更快操作的芯片。以此方式处理cmos存储器芯片及cmos微处理器芯片。然而，当执行速度测试时必须保持每一芯片的温度几乎恒定以适当确定此类芯片的速度。

如果在执行速度测试时芯片的瞬时功率耗散是恒定的或在小范围中变化，那么将芯片温度维持在恒定设置点附近是简单的。在所述情况中，仅必须通过固定热阻值将芯片耦合到热质量，其处于固定温度下。例如，如果最大芯片功率变化是十瓦特且芯片与热质量之间的耦合是0.2℃/瓦特，那么芯片温度将变化2℃的最大值。

然而，如果在执行速度测试时芯片的瞬时功率耗散在大范围中上下变化，那么将芯片温度维持在恒定设置点附近是非常困难的。每次装置功率耗散改变，芯片的温度及芯片的速度也将改变。另外，功率耗散随温度增加，这可导致热失控及芯片的破坏。

上述问题在cmos芯片中是特别严重，这是因为当接通或断开的cmos晶体管的数目增加时cmos芯片的瞬时功率耗散增加。在cmos芯片的速度测试期间，经切换的晶体管的数目总是在改变。因此，芯片的功率耗散、温度及速度总是在改变。另外，当更多晶体管集成到单个芯片时，这些变化的量值增加，这是因为在任何特定瞬间经切换的晶体管的数目将从全无变化到芯片上的所有晶体管。

在测试期间更快速提高或降低电子装置的温度的方式是通过在使所述电子装置与热头接触以进行测试之前将流体热界面材料(tim)施配到芯片上。例如，第5,864,176号美国专利揭示将液体(例如水或水及乙二醇的混合物)施配到电子装置上及接着抵靠电子装置按压加热器的表面，其中所述液体位于电子装置与所述加热器之间。因此，一些液体从所述加热器与电子装置之间挤出，及剩余液体填充存在于电子装置与所述加热器之间的微观间隙。tim降低芯片与热头之间的热阻值，这使得更易于使用热头来升高及降低芯片的温度。换句话说，tim引起芯片在温度上更接近热头的表面所控制的温度。

尽管在使电子装置与加热器接触之前将热界面材料安置于所述装置上对许多应用是有益的，但在需要较长测试时间及/或较高测试温度的测试期间，所述热界面材料可在完成测试之前蒸发。热阻值中的所得增加可引起电子装置的温度增加超出所要设置点或超出所要最大测试安全温度。例如，使用水作为热界面材料可使得能在102℃下测试2或3秒或在95℃下测试20秒，但水蒸发，电子装置的温度可快速上升到140℃或150℃，其可引起装置测试失败或可损坏装置。

技术实现要素：

本发明的某些实施例的一个目的是提供对电子装置内的功率耗散中的较大变化快速反应的温度控制系统及借此当测试所述装置时将装置温度维持在恒定设置点温度下或附近。

根据一个实施例，一种用于在电子装置的测试期间控制所述电子装置的温度的温度控制系统包含：热头，其具有装置接触面，所述装置接触面经配置以在测试期间与所述电子装置接触；流体热界面材料(tim)施配器，其经配置将流体tim施配到所述电子装置的面与所述热头的所述装置接触面之间的位置；及流体tim施配器控制器，其经配置以控制所述tim施配器使得所述tim施配器在所述电子装置的测试循环期间施配所述流体tim。

根据另一实施例，一种在电子装置的测试期间控制所述电子装置的温度的方法包含：使热头的装置接触面与电子装置接触并测试所述电子装置；及当使所述热头的所述装置接触面与电子装置接触并执行测试循环时，将流体热界面材料施配到所述电子装置的面与热头的所述装置接触面之间的位置。

附图说明

通过参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是温度控制系统的示意性侧视图，其中通过插入加热器来施配液态热界面材料(tim)。

图2是温度控制系统的示意性侧视图，其中经由延伸通过散热器、热界面及包含台座的插入加热器的通道来施配tim。

图3是温度控制系统的示意性侧视图，其中经由插入加热器的台座来施配tim。

图4是温度控制系统的示意性侧视图，其中经由延伸通过被动散热器的通道来施配tim。

图5是温度控制系统的示意性侧视图，其中通过散热器及热电装置来施配tim。

图6是温度控制系统的示意性侧视图，其中通过侧注入来施配tim。

图7是温度控制系统的示意性侧视图，其中热头与电子装置之间的界面间隙对周围环境开放。

图8是温度控制系统的示意性侧视图，其中热头与电子装置之间的界面间隙经密封而与周围环境隔离。

图9是热头的装置接触面的示意性仰视图，其中亲水性涂层安置于所述装置接触面的部分上。

图10是热头的装置接触面的示意性仰视图，其中疏水性涂层安置于所述装置接触面的部分上。

图11是热头的装置接触面的示意性仰视图，其中流体传感器安置于所述装置接触面的面的部分上。

图12是展示基于从图11中展示的流体传感器接收的信号或基于电子装置与热头之间的热阻值来控制tim施配器的流程图。

图13是展示基于电子装置温度、加热器温度及电子装置功率来控制tim施配器的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释而不是限制目的，阐述细节及描述以提供本发明的实施例的全文理解。然而，所属领域的技术人员应明白本发明可在背离这些细节及描述的其它实施例中实践。

在图1到12中描绘的一些实施例中，提供一种用于在电子装置的测试期间将所述电子装置的温度维持在设置点温度下或附近的温度控制系统。所述系统包含热头，其具有经配置以在测试期间与电子装置接触的装置接触面。所述系统进一步包含：流体tim施配器，其经配置将流体tim施配到所述电子装置的面与所述热头的所述面之间；及流体tim施配器控制器，其经配置以控制所述tim施配器，使得所述tim施配器在所述电子装置的测试期间施配所述流体tim。

第一实施例

在图1中描绘的一个实施例中，所述温度控制系统包含热头，其包含加热器、液体冷却散热器，及所述加热器与所述散热器之间的热界面。所述系统进一步包含流体tim施配器，其经配置以经由延伸通过所述散热器、所述热界面及所述加热器的通道将tim施配到经配置以与电子装置接触的所述热头的面。所述系统包含：流体tim施配器控制器，其经配置以控制所述流体tim施配器；及加热器温度控制器，其经配置以控制所述加热器的温度。所述流体tim施配器控制器及所述加热器温度控制器可为同一控制器单元的部分，如通过图1中的虚线所指示。

热头

在图1中展示的实施例中，所述热头包含加热器，所述加热器具有经配置以在测试期间与所述电子装置接触的面。当所述加热器的所述面与所述电子装置接触时，所述电子装置经测试且其温度维持在设置点下或附近。

在此实施例中，所述加热器是薄、扁平电加热器，其具有：第一面，其经由所述热界面附接到所述散热器；及第二暴露面，其经配置以在测试期间与所述电子装置接触。例如，所述电加热器可为由氮化铝陶瓷制成，其中电阻器(未展示)经均匀地集成用于将电功率转换成热。

图1的散热器是具有空心基座的液体冷却散热器，其中安置散热片(未展示)。冷却液从第一管道进入所述基座，并通过第二管道离开所述基座，如通过图1中的标记为“冷却剂”的箭头所展示。冷却液通过泵(未展示)循环通过所述基座且保持在低于预定设置点温度的温度下。所述冷却剂可以恒定流率或以可变流率循环通过所述基座。

加热器经由热界面附接到散热器。热界面允许加热器附接到散热器，即使加热器与散热器之间的配合面并非完全扁平。热界面可由(例如)导热环氧树脂制成。加热器与散热器之间的热界面的厚度可为(例如)在50μm到250μm、及优选地50μm到80μm的范围中。

在图1的实施例中，通道延伸通过散热器、热界面及加热器以允许流体tim从流体tim施配器流动到加热器的电子装置接触面。所述通道从流体tim施配器接收流体tim。热头可包含一个以上通道。例如，热头可经由单个管道从单个通道中的流体tim施配器接收流体tim，且所述单个通道可在热头中分叉成多个通道，所述多个通道在测试期间各自允许流体tim施配到加热器的电子装置接触面与电子装置之间的界面中。替代地，加热器或其部分可由多孔材料制成，流体tim可经由所述多孔材料的孔从流体tim施配器流动到电子装置接触面。所述多孔材料可为(例如)多孔α-al2o3材料、多孔zro2材料或多孔tio2材料。所述材料的开孔孔隙度可为(例如)介于20％与50％之间，及优选地介于28％与43％之间。所述材料的平均孔大小可为(例如)介于1μm与6μm之间，及优选地介于1.8μm与5μm之间。作为另一替代方案，可经由加热器的表面中(例如，加热器的装置接触面中)的通道或沟槽来施配tim。

加热器温度控制器

加热器温度控制器经配置以控制加热器的温度。第5,864,176号美国专利中描述可在本发明的系统中使用的加热器温度控制器的实例。在一个实施例中，加热器温度控制器包含功率调节器及可变电力供应器。所述功率调节器接收指示测试期间电子装置的现温度的温度信号(例如，经由来自热头及/或电子装置中的一或多个传感器的一或多个反馈线)，及接收指示测试期间电子装置的所要设置点温度的设置点信号。基于这两个温度及/或其变化速率，所述功率调节器(未展示)产生控制信号，其指示应发送到加热器(例如，经由控制线)以将电子装置的温度保持在设置点温度下的功率的量。所述可变电力供应器从所述功率调节器接收所述控制信号，及基于所述控制信号来将可从供应电压获得的电力的部分发送到加热器。

流体tim施配器及流体tim施配器控制器

图1的系统进一步包含：流体tim施配器，其经配置以将流体tim施配到电子装置的面与热头的所述面之间；及流体tim施配器控制器，其经配置以控制所述tim施配器，使得在电子装置的测试期间，所述tim施配器施配所述流体tim。在一个实施例中，所述流体tim施配器是经配置以将所述流体tim提供到热头中的通道的流体泵。例如，所述tim施配器可为蠕动泵、脉冲宽度调制(pwm)阀泵，或模拟阀泵。流体热界面材料可为(例如)氦、水、水及防冻剂的混合物、导热电介质、热冷却剂，或相变材料。尽管在图中用于施配tim的通道及施配孔径是展示位于热头的中心中，但用于施配tim的通道及施配孔可为位于热头中的其它位置处。

流体tim施配器控制器可使用定时器来控制tim施配器。流体tim施配器控制器可控制tim施配器使得tim施配器以预定恒定速率施配流体tim，或可控制tim施配器使得tim施配器以在测试期间增加或减少的速率来施配流体tim。流体tim施配器控制器可控制tim施配器以基于从流体传感器接收的信号来施配流体tim，如下文参考图11及12更详细论述。

流体tim施配器控制器可控制tim施配器，以基于电子装置与热头之间的热阻值、电阻或电容的计算来施配流体tim。在其它实施例中，tim施配器控制器基于考虑电子装置的类型、电子装置的温度、加热器的温度及/或电子装置的功率的算法来控制tim施配器。图13是展示tim施配器的控制的流程图，其中所述tim施配器的控制是基于所述流程图。首先，测量pd电子装置的温度td、加热器的温度th及电子装置的功率。接下来，计算热阻值如果计算的热阻值大于预定设置点热阻值rdh-setpoint且tim施配器经启用，那么施配tim。如果未启用tim施配器，那么不施配tim，即使经计算的热阻值大于预定设置点热阻值rdh-setpoint。

在其它实施例中，可经由由tim施配器控制器控制的流体阀来施配tim。

可通过将热头的面的温度升高到高于流体热界面材料的沸点的设置点来移除流体热界面材料。以此方式，由流体热界面材料留下的任何残余的手动移除是非必要的。

第二实施例

在图2中描绘的第二实施例中，热头的加热器包含台座，其包含经配置以在测试期间与电子装置接触的装置接触面。加热器的台座与散热器相对置而定位。第7,639,029号美国专利中描述可在本发明的系统中使用(或经修改以使用)的台座的实例。在一些实施例中，修改是不必要的，这是因为流体tim通过侧注入来供应(如下文就图6所论述)。在其它实施例中，第7,639,029号美国专利中描述的保持器可通过形成延伸通过所述台座的通道或若干通道来修改以经配置以在测试期间经由所述通道或若干通道将流体tim供应到电子装置的面与热头的所述面之间的位置。

在所述第二实施例中，所述通道或若干通道延伸通过散热器、热界面及加热器(其包含所述台座)。在图2中，通道垂直延伸通过热头的这些组件，但本发明不限于所述通道或若干通道的此垂直配置。

所述第二实施例以其它方式类似于如上文所论述的所述第一实施例。

第三实施例

在图3中展示的第三实施例中，通道仅延伸通过加热器的台座。在图2中，通道包含水平延伸部分、弯曲部分及垂直延伸部分。流体tim首先进入及流动通过通道的所述水平延伸部分、在所述弯曲部分处转向及接着流动通过所述垂直延伸部分及流出到所述台座的装置接触面。

所述第三实施例以其它方式类似于如上文所讨论的所述第二实施例。

第四实施例

在图4中展示的第四实施例中，热头仅包含散热器。在一些情况中，被动控制足以将电子装置保持在目标温度下。例如，如果散热器保持在恒定温度下、由tim提供的热阻值是足够低且功率是足够低，那么可仅使用所述散热器将装置温度中的变化保持在可接受范围内。在此系统中，在测试期间散热器的温度可保持恒定。也可当(例如)电子装置在测试之前已经受热浸泡且因此在测试之前及测试期间不需要通过热头经受额外加热时使用此实施例。

第五实施例

在图5中展示的第五实施例中，所述第一实施例的加热器由热电装置或含有多个热电装置的热控制芯片取代。例如，第6,825,681号美国专利及第6,985,000号美国专利中描述的固态热控制装置可在本发明的系统中使用(或经修改以使用)。热电装置能够迅速加热及冷却，且可更好地适合于在测试期间将电子装置维持在设置点温度下。例如，热控制芯片可包含多个独立固态热元件，其可补偿所述电子装置的功率耗散的不均匀性。在一些实施例中，第6,825,681号美国专利及第6,985,000号美国专利的装置的修改是不必要的，这是因为流体tim通过侧注入来供应(如下文相对于图6所论述)。在其它实施例中，这些专利中揭示的装置经修改使得用于供应流体tim的通道或若干通道以如相对于所述第一实施例中的加热器所描述的相同方式延伸通过所述热电装置或热控制芯片。

第六实施例

在图6中展示的第六实施例中，流体tim施配器经配置以通过侧注入将流体tim施配到电子装置的面与热头的所述面之间，借此消除通道延伸通过热头的需要。

其它实施例

界面间隙

在所描述的修正中的任一者中，热头与电子装置之间的界面间隙可对周围环境开放，如图7中所展示；或具有阻隔物及/或经密封及与所述周围环境隔离，如图8中所展示。

在图8的实施例中，阻隔物及/或密封件安置于热头与电子装置之间以围封空间的中心部分。所述阻隔物及/或密封件抑制tim离开热头与电子装置之间的空间的中心部分以防止tim对系统及/或电子装置造成损坏。密封件及/或热头(例如，加热器的台座)可具有含不允许液态tim(例如，液态水)通过所述密封件但允许气态tim(例如，蒸汽)通过所述密封件的孔口大小的孔口。密封件可由(例如)硅酮橡胶制成。

具有亲水性及疏水性涂层的热头

在所描述的实施例中的任一者中，亲水性或疏水性表面/涂层可安置于热头的装置接触面的部分上。

在图9中展示的实施例中，亲水性涂层/表面经定位以促进在其处需要减少热阻值的面/电子装置的部分处的湿润。具体来说，亲水性涂层安置于在测试期间应由流体tim接触的装置接触面的部分上。亲水性涂层可为(例如)可从赢创工业(evonicindustries)获得的例如的亲水性气相二氧化硅；或可从荷叶涂层(lotusleafcoatings)获得的例如hydrophil的微米/纳米级涂层。尽管亲水性涂层在图9中展示为位于装置接触面的中心中，但亲水性涂层可安置于期望其促进与tim接触的任何地方。

在图10中展示的实施例中，疏水性涂层/表面经定位以将流体从在其处流体可引起损坏的面/电子装置的部分驱离。例如，疏水性涂层可定位于热头的装置接触面的外围处以抑制流体从热头与电子装置之间的界面离开。疏水性表面可(例如)如a.y.比耶夫(a.y.vorobyev)及郭春雷(chunleiguo)的名称为“由飞秒激光脉冲产生的多功能表面(multifunctionalsurfacesproducedbyfemtosecondlaserpulses)”，117《应用物理杂志(j.app.phys.)》033103(2015年1月20日)所描述形成。疏水性涂层可替代地是例如(例如)neverwet的基于硅酮的抗液剂；例如第8,178,004号美国专利中描述的基于磷酸的涂层；或可从荷叶涂层获得的例如hydrofoe的次微米级涂层。尽管疏水性涂层在图10中展示为位于装置接触面的外围处，但疏水性涂层可安置于期望其抑制与tim接触的任何地方。

tim施配器控制

在所描述的实施例中的任一者中，流体传感器可安置于热头的装置接触面的部分上。所述流体传感器可在加热器或其台座上包含(例如)可经金属化的平行导体，所述平行导体在与流体tim接触时短路。在图11中展示的实施例中，流体传感器安置于在测试期间应由流体tim接触的装置接触面的部分周围。所述流体传感器经配置以产生指示流体tim是否已与所述流体传感器接触的信号。如图12中所展示，所述信号从所述流体传感器输出到流体tim控制器，及所述控制器经配置以基于所述信号来控制流体tim施配器。当tim与所述流体传感器接触时，tim施配器控制器关闭tim施配器。如果tim不与所述流体传感器接触且tim施配器经启用，那么tim施配器控制器开启tim施配器。

替代地，tim施配器控制器可基于电子装置与热头之间的热阻值、电阻或电容以类似于图13中展示的方式的方式来控制tim施配器。例如，电子装置的功率及温度及加热器温度可经感测使得可计算电子装置与加热器之间的热阻值。第一温度传感器或第一多个温度传感器可用以感测电子装置的温度。第二温度传感器或第二多个温度传感器可用以感测加热器的温度。如果热阻值高于预定阈值，那么可施配额外tim。一些测试配置不允许在主动测试期间测量装置温度。而是，装置的温度仅可落入测试循环的子测试之间。在此情况中，仅可在所述测试循环的这些子测试之间完成tim的施配。

已为了说明及描述而呈现实施例的上述描述。上述描述不希望具穷尽性或将本发明的实施例限于所揭示的精确形式，且根据上述教示修改及变化是可能的或可从各种实施例的实践获取。本文所论述的实施例经选择及描述以解释各种实施例及其实践应用的原理及本质以使所属领域的技术人员能够利用在各种实施例中利用本发明及伴随各种修改如适于所考虑的特定用途。本文所描述的实施例的特征可在方法、设备、模块、系统及计算机程序产品的所有可能组合中组合。