專利名稱：高級熱控接口的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及溫度控制領域，更具體地說，涉及提供一種通過加熱和/或制 冷電子設備或器件，尤其是測試狀態(tài)下的電子設備或器件，來維持設定點溫度 的接口。
背景技術：
固態(tài)電子設備或器件，例如，半導體，通常隨溫度的不同會表現(xiàn)出不同的 特性。具有代表性的是，例如，這些電子設備在運行過程中會產生熱量(即自 發(fā)熱)，并因此隨內部溫度升高，器件性能發(fā)生改變。并且固態(tài)電子設備用于 各種不同的環(huán)境中，極可能經歷較大范圍內的溫度變化。
為了保證電子設備表現(xiàn)出恒定的特性，需要將電子設備保持在相對恒定的 溫度。這在對電子設備的功能性測試中顯得尤為重要，這些功能性測試主要是
為了保證正常運行并且能夠滿足設計規(guī)范。例如，被稱為被測試設備(DUT) 的電子設備，可能經過耐久性程序，比如，通過短路測試以及老化測試對各種 設備特性進行觀察。在這些測試中，為了測試結果有意義，被測試設備(DUT) 的溫度需要保持在相對恒定的預定測試溫度，或者保持在設定點溫度。換句話 說，測試者必須能夠確認特定的所觀察的電子特性取決于改變溫度之外的其他 因素。
為了保持恒定溫度，現(xiàn)有的溫控設備能夠例如通過散熱器來進行散熱，還 能例如通過電加熱器來進行升溫。散熱器包含溫度遠低于DUT的測試溫度的 液體。加熱器放置在DUT與散熱器之間，并對加熱器進行供電，將加熱器的 表面溫度加熱到例如DUT測試所需的測試溫度。散熱器會抵消任何多余的熱 量，并且能夠在自發(fā)熱使設備溫度升高到超過測試溫度的情況下，將DUT在 測試過程中產生的熱量散發(fā)掉。功率的波動通常會導致顯著并且相對短暫的自
7發(fā)熱產生，因此就需要熱控器能夠迅速并準確地反應，從而對不需要的溫度上 升進行散熱。
散熱器(或加熱器，若使用)接觸DUT的接口對維持DUT在恒溫來說尤為 重要。例如，當散熱器(或加熱器)的表面與DUT的表面大體上不共面時，在 DUT的表面上可能存在非均勻的熱傳輸，這會在DUT上引起不期望的熱梯度。 為此， 一些傳統(tǒng)系統(tǒng)在散熱器(或加熱器)與DUT的表面之間提供了熱接口材 料。例如，液體(例如，水和酒精的混合物)可以放置在散熱器(或加熱器)與DUT 之間。該液體填充散熱器(或加熱器)與DUT之間的任何氣隙，從而提供散熱 器(或加熱器)之間的更均勻的熱連接。
然而，液體作為熱接口材料的使用也帶來了其它的缺陷。例如，設備測試 通常在寬范圍的溫度和壓力下進行，包括傳統(tǒng)熱接口液體的冰點溫度之下的一 些溫度。當散熱器(或加熱器)與DUT之間的液體凍結時，接口的熱均勻性經 常變得不理想，在DUT上導致不期望的熱梯度。此外，液體作為熱接口材料 的使用同樣在更高的測試溫度下帶來缺陷。例如，在一些測試條件下，液體熱 接口材料將陶瓷散熱器(或加熱器)的部分表面轉化成微觀漿體，這將使DUT 產生不期望的磨損。
此外，即使液體對于填充散熱器(或加熱器)與DUT之間的氣隙有用，但 是液體不會完全消除熱梯度。這是因為散熱器(或加熱器)與DUT之間的液體 的不同厚度具有不同的熱阻系數(shù)，其中不同厚度可能發(fā)生在接口表面不共面的 微觀層次。例如，如圖1A所示，DUT 10和/或散熱器(或加熱器)15可具有非 平面的表面17、 18，這會導致接口上的液體19厚度不同。液體19的厚度可 以在第一位置20是0戶，在第二位置25是50/zm。因為液體的熱阻系數(shù)隨 液體厚度改變，所以當給DUT提供功率時存在熱梯度，如圖1B所示。
除了散熱器(或加熱器)與DUT之間的材料外，散熱器(或加熱器)15和DUT 10之間的接口也可以被散熱器(或加熱器)15和/或DUT 10所附接的結構所影 響。例如，散熱器(或加熱器)15通常由熱控制器30攜載，如圖2所示。例如， 熱控制器30可包括用于將不同溫度液體(即加熱和制冷的水)運送至散熱器15 來將DUT 10維持在所需溫度的管道。包括散熱器(或加熱器)15和管道的熱控
8制器30 —般在垂直于DUT 10的軸向方向上是可移動的(箭頭"A"的方向)。按 照這種方式，多個DUT可被移動至經過熱控制器30(在箭頭"B"的方向)，熱控 制器30與每個連續(xù)的DUT接觸以進行測試。
然而，攜載散熱器(或加熱器)15的結構的硬度經常使散熱器(或加熱器)15 與DUT10的表面不能并排排列。這就是說，熱控制器30的硬度使表面17、 18在接口處排列成共面變得相當困難。這種情形如圖3所示，從中可以看出， 散熱器(或加熱器)15的表面18與DUT 10的表面17是呈一定角度的，這樣在 接口處表面17、 18不共面。在這種情形下，不僅在接口處可能存在熱梯度， 而且施加給DUT IO的力(例如，扭矩、力矩等等)也可能不均勻。特別地，當 DUT10的測試需要向DUT10施加軸向力(例如，高達100磅)時，由于非共面 的表面，這種不均勻的力會導致對散熱器(或加熱器)和/或DUT的損壞(例如， 破裂)。
因此，本領域中需要克服以上所述的不足和限制。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種控制設備溫度的裝置。所述裝置包括 主體，其包括以所述主體的縱軸為基準基本上對稱地隔開的多個腔，其中多個 腔的每個腔均包括上膜片和下膜片。所述裝置還包括熱傳輸元件，其借助于所 述多個腔連接在所述主體上，使得所述多個腔與所述熱傳輸元件流體連通。
在實施例中，所述熱傳輸元件的溫度補償所述設備的溫度變化，并基本上 維持所述設備的設定點溫度。所述設備包括半導體設備。此外，所述熱傳輸元 件可相對于所述設備移動。例如，所述熱傳輸元件可在六個自由度上相對于所 述設備移動。另外，所述熱傳輸元件可以相對所述主體軸向地移動。此外，所 述熱傳輸元件向所述設備施加力，所述力可基本上垂直于所述設備的接口表 面。
在實施例中，所述主體包括連接至所述多個腔的每個腔的上部的氣壓總管 (pneumatic manifold)。所述氣壓總管可與外部氣壓或真空源流體連通。按照 這種方式，當向所述多個腔的每個腔的上部供應正壓力時，所述熱傳輸元件沿縱軸方向遠離所述主體移動。相反地，當向所述多個腔的每個腔的上部供應真 空時，所述熱傳輸元件沿縱軸方向朝所述主體移動。此外，正壓力被供應到所 述多個腔的每個腔的上部時，所述熱傳輸元件向所述設備施加力。
在另一實施例中，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與所述主體的縱軸成直角的 方向上延伸。同樣，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與所述下膜片平面大致相互 平行。此外，所述多個腔的各腔的所述上膜片與下膜片可以具有共同的中心軸。
在更進一步的實施例中，每個所述上膜片與每個所述下膜片均包括滾動膜 片，例如，基本上無靜摩擦的滾動膜片。并且，單個上膜片構件可一體地包括 每個各自的所述上膜片。所述單個上膜片構件被夾在所述主體的氣壓總管與流 體總管之間。
在又一實施例中，所述多個腔的每個腔進一步包括上腔部分，其設置在
所述上膜片的上方；中腔部分，其設置在所述上膜片與所述下膜片之間；及下 腔部分，其設置在所述下膜片的下方。所述上腔部分可操作地連接至氣壓源。 所述中腔部分限定了所述主體的流體總管與熱傳輸元件之間的流體通道。所述 中腔部分與熱傳輸元件之間的流體通道中可設置閥。
此外，至少所述散熱器可選擇性地從所述底部移除。例如，所述散熱器可
通過以下方式中的一種來選擇性拆除摩擦配合、卡扣配合及快速脫開。同樣， 所述裝置可包括設置于所述熱傳輸元件與所述設備之間的熱接口材料，該熱接 口材料與所述熱傳輸元件及所述設備接觸。所述熱接口材料可包括例如碳納米 管。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種控制設備溫度的裝置。所述裝置包括 基底以及連接至所述基底的納米管，其中所述納米管構造和設置成用于在所述 基底與所述設備之間生成熱接口。所述設備可包括半導體設備。此外，所述納
米管包括碳納米管，其具有在約25，至約150，范圍內的高度，并具有基 本上一致的熱阻系數(shù)，該熱阻系數(shù)在15psi至75psi之間。
此外，所述基底可包括熱控制器的熱傳輸元件，該熱傳輸元件構造和設置成用于補償所述設備的溫度變化并基本上維持所述設備的設定點溫度。
在替代實施例中，所述基底通過可修復的熱焊劑或熱脂附接在熱傳輸元件 上，并且所述熱傳輸元件包含在熱控制器中，所述熱傳輸元件構造和設置成用 于補償所述設備的溫度變化并基本上維持所述設備的設定點溫度。
在更進一步的實施例中，所述裝置還包括至少一個連接至所述基底的急停
件(hard stop)。所述至少一個急停件構造和設置成用于向所述設備傳遞軸向 力。同樣，所述至少一個急停件的長度小于所述納米管的長度。另外，所述裝 置可進一步包括至少一個設置成穿過所述基底的真空通道，使得所述至少一個 急停件、至少一個真空通道及基底在所述設備上形成真空杯。在進一步的實施 例中，所述納米管直接形成在所述基底上，所述基底可包括散熱器的銅表面。 在更進一步的實施例，所述基底包括第一側和第二側。第一多個納米管連接至 第一側，并且第二多個納米管連接至第二側。此外，所述基底包括箔。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種控制設備溫度的裝置。所述裝置包括 主體，其包括以所述主體的軸為基準基本上對稱地隔開的多個腔，其中所述多 個腔的每個腔都包括上膜片和下膜片。所述裝置還包括熱傳輸元件，其借助 于所述多個腔附接在所述主體上，使得所述多個腔與所述熱傳輸元件流體連 通；基底，其連接至所述熱傳輸元件；以及納米管，其連接至所述基底。所述 納米管構造和設置成用于在所述熱傳輸元件與所述設備之間生成熱接口 ，并且 所述熱傳輸元件的溫度補償所述設備的溫度變化，并基本上維持所述設備的設 定點溫度。


下面本公開將以非限制性舉例的方式并參照注釋圖提供詳細描述，在附圖 的各視圖中，相同標號代表相同零部件，附圖中 圖1A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的示范性接口； 圖1B示出了在圖1A的接口處的示范性熱阻系數(shù)； 圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的測試狀態(tài)下的示范性熱控制器和設備； 圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的另一示范性接口；
11圖4示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的示范性系統(tǒng)；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的示范性熱卡盤的示意圖6示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱控制器的閥的示范性示意圖7示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的冷、設定點和熱流體的混合的曲線圖;
圖8示出了部分圖4所示的示范性系統(tǒng)的局部視圖9示出了部分圖4所示的示范性系統(tǒng)的另一局部視圖10示出了部分圖4所示的示范性系統(tǒng)的又一局部視圖11示出了部分圖4所示的示范性系統(tǒng)的又一局部視圖12示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的替代系統(tǒng)的局部視圖13示出了部分圖12所示的示范性系統(tǒng)的另一局部視圖14示出了部分圖12所示的示范性系統(tǒng)的又一局部視圖15A示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的示范性實施例；
圖15B示出了圖14A的熱接口材料的熱阻系數(shù)的圖16示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的示范性實施例；
圖17示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的另一示范性實施例；
圖18示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的又一示范性實施例；
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的又一示范性實施例；
圖20示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的又一示范性實施例。
具體實施例方式
本公開涉及一種用于在熱控制器與電子設備之間提供高級接口的裝置和 方法，所述電子設備是例如在受控環(huán)境下被測試的固態(tài)電子設備，稱之為被測 試設備(DUT)。在一個實施例中，散熱器借助于自由浮動式萬向連接件通過零 影響推動器(zero influence pusher)可操作地連接到熱卡盤。在未施加非均勻力 (例如，扭矩、力矩等等)給DUT的情況下，零影響推動器可以使散熱器延伸 并與DUT接觸，也可以使散熱器縮回并與DUT分離。在一個優(yōu)選實施例中， 散熱器至少可移除地連接在熱卡盤上。在進一步的實施例中，提供了包括納米 管的熱接口材料。即使當接口包括非共面的表面時，通過使用納米管，在接口處提供了均勻的熱阻系數(shù)。如在此定義的，"散熱器"表示任何熱傳輸元件或裝 置(例如，電阻加熱器、輻射器、熱管道、叉流式熱交換器等等)，其構造和設 置成用于將熱量傳輸?shù)脚c其熱接觸的物體和/或從與其熱接觸的物體中傳輸熱
零影響推動器
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的熱控制器以及相關的零影響推動器， 所述零影響推動器包含用于散熱器的自由浮動式萬向連接件。零影響推動器可 與任何合適的熱控制器使用，該熱控制器構造和設置成便于促使散熱器與 DUT接觸。在一個示范性實施例中，零影響推動器與在申請人的共同未決的 申請PCT/US07/74727中所述的熱卡盤一起使用，在此通過全文引用并入本文。
更具體地說，在圖4所示的示范性實施例中，零影響推動器502可操作地 連接在熱卡盤500與散熱器515之間。零影響推動器502使散熱器515在基底 508上的測試部位與DUT(未示出)開始接觸?；旌锨?17構造和設置成與不同 的流體口 505a、 505b、 505s、 505aR、 505bR、 505sR選擇性地流體連通，以 使散熱器515以及DUT保持在所需溫度。閥524控制散熱器515與流體口 505a、 505b、 505s、 505aR、 505bR、 505sR之間的流體連通，以下將描述更多 的細節(jié)。如在說明書及權利要求中使用的，"流體"可以是任何非固體材料，包 括但不限于液體、氣體、微粒、顆粒或任何以上物質的組合。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的非限制性實施例的示范性熱卡盤500的示意圖， 該熱卡盤500采用三個流體源(也稱之為儲流器)，即冷流體源510、設定點流 體源513及熱流體源520。設定點流體源513中的流體被設定在高于冷流體源 510中流體的溫度。更具體地說，設定點流體源513中的流體被設定在通常與 DUT的設定點溫度相同的溫度(在此要考慮通過熱卡盤500時潛在產生的熱損 耗)。例如，如果DUT的設定點是80攝氏度，那么設定點流體源513中的流 體溫度可以被設定在例如85攝氏度。
此外，熱流體源中的流體溫度被設定在高于設定點流體源513中流體的溫 度。對于增加的能量效率，相比熱液體的溫度，設定點的流體溫度可以更接近 于冷流體的溫度。盡管圖5示出了三種不同溫度510、 513、 520的三個流體源，但是本領域的技術人員應知悉，在替代的實施例中也可使用多于三種不同溫度 的多于三種的流體源，或者一種或多種具有單一溫度的流體。例如，該系統(tǒng)應
該用于在三種不同的設定點溫度上測試三個DUT，該系統(tǒng)可以包括冷流體源、
第一設定點流體源、第二設定點流體源、第三設定點流體源及熱流體源，五種 不同的流體源各自包含五種不同溫度的流體。
如圖5所示，管道505使三個流體源510、 513、 520相互連接到散熱器 515。具體地說，冷流體經過冷流體管道505a并通過總管580流過熱卡盤500， 其中冷流體與閥524相通(包括但不限于盤式閥)。此外，設定點流體流出設定 點源513，通過管道505b進入熱流體源520。 一旦熱源520中的設定點流體到 達預定的熱溫度，熱流體將通過導管505b，并通過總管580流過熱卡盤500， 其中熱流體與閥524相通。未引入至熱流體源520的設定點流體通過導管505s， 并通過總管580流過熱卡盤500，其中設定點流體與閥524相通。在DUT的 測試過程中，對于增加的能量效率，設定點液體可以專門與冷流體混合。換句 話說，消除冷熱流體的直接混合會增加能量效率，因為直接的冷熱流體混合會 引起顯著的能量消耗以及散熱器515的熱梯度增加的可能性。
圖6是與冷流體管道505a、設定點流體管道505s及熱流體管道505b連 通的盤式閥524的示意圖。閥524優(yōu)選地直接安裝于散熱器上面，并且旋轉 180或360度來排放冷流體、設定點流體和熱流體的所需混合物，如此預定溫 度的混合流體可以流到散熱器515(圖5中示出)。具體地說，在一個非限制性 的實施例中，當閥524位于旋轉的零度位置時，排放冷流體；當閥位于旋轉的 90度位置時，排放設定點流體；當閥位于旋轉180度位置時，排放熱液體； 當閥位于旋轉的270度位置時，已經流到散熱器515的流體通過返回導管505R 返回(圖5中示出)，從而使流體能夠大致以等速排放。這樣，闊524優(yōu)選地位 于流體供應管道505a、 505s和505b的接合處。對于最理想的快速溫度響應， 流體的混合優(yōu)選地在散熱器的入口處，以此減小流體經過的時間。此外，使用 上述的構造，散熱器515和混合腔517(圖4中示出)僅需要一個入口和一個出 口。此外，由于流體混合更接近散熱器515，減少了流體不可壓縮性的問題。 另外，上述構造還減少了重復性和滯后作用的問題。然而，本發(fā)明并不限于上
14述盤式閥，本發(fā)明可以使用其它合適的閥和/或調節(jié)器。
圖7是與閥524的開啟有關的冷、設定點和熱流體的混合的曲線圖。具體 地說，圖7示出了每分鐘約兩公升的恒速的混合流體；然而，本領域的技術人
員應知悉，這個速率可以大于或小于每分鐘兩公升，并且可以是變化的，而不
是恒定的。此外，通過三種流體系統(tǒng)對圖4-7進行描述，但是應理解，本發(fā)明 并不限于使用三種流體系統(tǒng)。例如，可以使用單一流體，其中具有不同溫度的 部分流體在散熱器中以不同比例混合，以此維持并控制DUT的溫度?？蛇x地， 至少兩種具有各自不同溫度的不同流體可以在散熱器中以不同的比例混合，以 此維持和控制DUT的溫度。另外，本發(fā)明中可以使用不同物質狀態(tài)下的兩種 或多種流體。例如，根據(jù)本發(fā)明的非限制性特征，氣態(tài)流體可以與液態(tài)流體混 合。此外，本發(fā)明可以使用三種以上的流體。
圖5示出了來自返回管道505R的流體通過設定點流體返回管道505sR返 回至設定點流體源513，并通過冷流體返回管道505aR返回至冷流體源510。 換言之，雖然三個流體供應管道505a、 505s、 505b供應至熱卡盤中，僅兩個 流體返回管道505aR、 505sR(或505aR、 505bR;或505sR、 505bR)可以從熱卡 盤中供應。然而，圖4示出了熱卡盤500的示意性的透視圖，該熱卡盤500 具有三個供應至熱卡盤中的流體供應管道505a、 505s、 505b，以及三個從熱卡 盤中供應的流體返回管道505aR、 505sR、 505bR。本領域的技術人員應知悉， 在替代的實施例中，可以從熱卡盤中僅供應一個返回管道。此外，在混合流體 流至散熱器515后，設定點和熱流體之間存在微小的溫差，因而設定點流體返 回管道505sR靠近熱卡盤500上部的熱流體返回管道505bR，因此熱損失很小。 另外，上述混合的流體返回可以在熱卡盤500內部或外部進行。
當然，還應理解，在不影響本發(fā)明范圍和實質的情況下，在此可以并入傳 輸來自流體的熱能(也就是，用于獲得冷Ar或者熱Ar)以維持DUT溫度 的任何方法。此外還應理解，流體可以具有許多不同的溫度，或者可替代地， 液體可以具有單一溫度。例如，在本發(fā)明的實施例中，流過管道305的流體可
以被分成三個或三個以上的部分，每部分具有不同的Ar，這些部分可以被混
合成不同的比例，以獲得所需的混合流體部分的溫度。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的系統(tǒng)的局部視圖。所示的系統(tǒng)尤其包括熱
卡盤500、冷流體返回管道505aR、設定流體供應管道505s、熱流體供應管道 505b、閥524、散熱器515、混合腔517和基底508(這些器件類似于參照圖4-7 描述的器件)。熱卡盤500包括頂板605、氣壓總管610、流體總管615和底板 620，上述每個都可以由合適的材料組成，例如，金屬、塑料、合成物等。頂 板605為流體供應管道505a、 505s、 505b、流體返回管道505aR、 505sR、 505bR 及壓力口 550提供連接位置(例如，螺紋端口)(以下將描述更多的細節(jié))。氣 壓總管610、流體總管615及底板620包括軸向排列的孔，這些孔構造和布置 成用于可操作地將熱卡盤500連接至零影響推動器502的六個腔630。在圖8-11 描述的示范性實施例中，六個腔630以熱卡盤500和零影響推動器502的共同 中心軸為基準對稱；然而，本發(fā)明可以使用任何適當數(shù)量的腔630(例如，多于 或小于所示的六個)。
設置在每個腔630中且位于氣壓總管610與流體總管615之間的是一上膜 片635。同樣設置在每個腔630且位于流體總管610與底板620之間的是一下 膜片640。上膜片635與下膜片640將腔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與中腔部分630b之間提 供氣密密封，而下膜片640包含使中腔部分630b與下腔部分630c之間流體連 通的孔。
在實施例中，上膜片635與下膜片640每個都包括各自的滾動膜片，如由 Newell,WV的Bellofram公司制造的；但是本領域的普通技術人員應知悉，本 發(fā)明可以使用任何合適的滾動膜片。在一優(yōu)選的實施方式中， 一體地包括每個 上膜片635的單個上膜片構件636可以夾在氣壓總管610與流體總管615之間， 如圖8和11所示。類似地， 一體地包括每個下膜片640的單個下膜片部分641 可以夾入在流體總管615與底板620之間。
仍參考圖8，上腔元件650a設置于每個上腔部分630a之中；中腔元件650b 設置于每個中腔部分630b之中；下腔元件650c設置于每個下腔元件650c之 中。各下腔元件650c連接到零影響推動器主體655。上膜片635及下膜片640 設置在相反的方向，這允許軸向設置的上腔元件650a、中腔元件650b及下腔元件650c統(tǒng)一沿腔630的中心軸的軸向位移。以這種方式，膜片635、 640及 在各自腔630中的腔元件650a、 650b、 650c組合形成到熱卡盤500的零影響 推動器502的浮動連接件。
在實施例中，零影響推動器502的中心軸與熱卡盤500的中心軸大致重合， 并且各自的浮動連接件基本上關于這些軸對稱布置。這樣，浮動連接件共同形 成熱卡盤500與零影響推動器502之間的自由浮動的萬向連接。這種自由浮動 的萬向連接為零影響推動器502提供了相對于熱卡盤500的六自由度的移動， 以下將對此作更多的細節(jié)描述。
圖9示出了圖8的系統(tǒng)，其中頂板605為透明的以使得氣壓總管610為可 見的。如圖9所示，每個上腔部分630a通過在氣壓總管610中形成的氣壓口 645與壓力口 550連通。按照這種方式，零影響推動器502的軸向位置可以通 過調節(jié)上腔部分630a中的氣壓來控制。在實施例中，由于上膜片635及下膜 片640方向相反，浮動流體連接件沿z軸偏向中間位置。通過施加正氣壓給各 上腔部分630a，可以軸向向下移動零影響推動器502(即沿z軸移出熱卡盤 500)。相反地，通過施加負壓力(例如，真空)給上腔部分630a，可以軸向向上 移動零影響推動器502(即沿z軸移入熱卡盤500)。在一優(yōu)選的實施例中，零影 響推動器502可以從中間位置具有l(wèi)mm的行程，在z軸方向上總共2mm的行 程。然而，本發(fā)明并不局限于該行程量，各元件可以設計成(例如，尺寸定制 成)在z軸方向中上具有任何適當?shù)男谐塘俊?br> Z軸方向上的零影響推動器502的行程允許散熱器515可控制地軸向移動 至與支撐DUT的基底508接觸為止。如在此使用的，"軸向"表示大致平行于 零影響推動器502和熱卡盤500的共同軸的方向。由于熱卡盤500與膜片635、 640提供的零影響推動器502之間的自由浮動連接，散熱器與DUT之間的接 觸點變成熱卡盤500與零影響推動器502之間萬向連接的旋轉中心。這樣，散 熱器515的接口表面可以被轉動或旋轉，若必要，可轉動或旋轉成與DUT的 接口表面基本上共面的關系。此外，因為自由浮動的(并因此為散熱器515的) 萬向連接的旋轉中心是散熱器515與DUT之間的接觸點，所以散熱器515的 任何旋轉都是在散熱器515與DUT無相對平移的情況下完成的(例如，當散熱
17器正在移動，而DUT是固定的)。因此，在散熱器515沒有對DUT表面進行 任何不利磨擦(例如，磨損)情況下，散熱器515與DUT被引導至基本共面接 Pl。
此外，因為各自的腔630關于熱卡盤500與零影響推動器502的中心軸基 本上對稱地設置，并且因為每個上腔部分630具有相同的氣壓(正或負)，所以 散熱器515施加給DUT的任何力都基本上垂直于DUT的表面。這就是說，本 發(fā)明的實施避免了對DUT施加不期望的扭矩。更進一步地，因為上膜片635 與下膜片640兩者都包括基本上無靜摩擦的滾動膜片，軸向力被均勻地施加給 零影響推動器502，從而均勻地施加給DUT。按照這種方式，基本上消除了沖 擊(即當開始克服靜摩擦時的加速度突變)，并且使沖擊引起的對散熱器515和 域DUT的損壞的可能性最小化。
圖10示出了移除頂板605、氣壓總管610及單個上膜片構件636的圖8 的示范性舉統(tǒng)。如圖IO所示，每個中腔部分630b通過在流體總管615中形成 的交叉口 670與各自的液體導管(例如，505a、 505s、 505b、 505aR、 505sR、 505bR)流體連通。仍如圖10所示，上腔元件650a與中腔元件650b未示出， 以便下膜片640在腔630中可見。
參考圖8，每個中腔元件650b包括與軸向孔680相交的交叉孔675。交叉 孔675與中腔部分630b流體連通，并且軸向孔680通過下膜片640中的孔與 下腔元件650c的通孔685流體連通。更進一步地，每個通孔685與各自的零 影響推動器主體655的流體通道690流體連通，由此每個流體通道690通向閥 524。按照這種方式，閥524的受控移動選擇性地提供流體供應管道505a、505s、 505b與混合腔517的入口管693之間的流體連通，并且提供了混合腔517的 出口管695與流體返回管道505aR、 505sR、 505bR之間的流體連通。這樣， 散熱器515與DUT可被保持在所需的溫度(如參考圖4-7所述)。例如，上述系 統(tǒng)可用于約-80。C至約20(TC范圍的設定點溫度(例如，DUT測試溫度)。然而， 應注意，本發(fā)明并不限于在此溫度范圍內使用，該系統(tǒng)可以設計成用于以任何 適當?shù)臏囟鹊氖褂谩?br> 在實施中，壓力波動可能在系統(tǒng)操作過程中于各自的流體管道中(例如，505a、 505s、 505b、 505aR、 505sR、 505bR)發(fā)生。例如，供應管道可能瞬間 具有高于返回管道的流體壓力，反之亦然。然而，因為所有流體(供應或返回) 分別進入上膜片635和下膜片640之間的腔630，所以腔630的每個膜片635、 640具有相同(即偏移)的壓力，這樣就沒有軸向力通過流體供應引至零影響推 動器502，從而有利于將散熱器和/或DUT上不期望的不均勻力(例如，扭矩) 最小化。
圖11示出了移除頂板605以使單個上膜片構件636可見的圖8的示范性 系統(tǒng)。雖然本發(fā)明己經描述了共同包含多個膜片635的單個上膜片構件636， 但是應注意，本發(fā)明并不限于此示范性實施例。例如，未與單個上膜片構件 636連接的獨立膜片635可以設置于各自的腔630中。
在一優(yōu)選實施例中，混合腔517(包含入口管693與出口管695)與散熱器 515可選擇性地作為一個單元從零影響推動器主體655移除。例如，混合腔517 可通過選擇性地可脫開連接連接到零影響推動器主體655上，脫開連接包括但 不限于摩擦配合、卡扣配合、快速脫開或任何其它適當?shù)倪B接。這樣，不同的 散熱器515(具有例如不同的熱接口區(qū)域和/或不同的熱接口材料)可以快速且簡 易地與上述系統(tǒng)適配，以用于測試不同類型的DUT。
圖12-14示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的方面的替代系統(tǒng)的局部視圖。圖12 所示的熱卡盤710包括四個流體管道715，而不是圖8所示的六個。四個流體 管道715可包括例如熱供應管道、熱返回管道、冷供應管道及冷返回管道?？?選地，四個流體管道可包括例如熱供應管道、設定點供應管道、冷供應管道以 及單個返回管道。熱卡盤710進一步包括氣壓總管720、流體總管725及底板 730。連接到底板730的是零影響推動器785的另一具體化變型，其中零影響 推動器785至少包括一個混合腔735及散熱器740。
類似于圖8所示的系統(tǒng)，氣壓總管720、流體總管725及底板745包括軸 向排列的孔，其共同形成關于熱卡盤710與零影響推動器785的共同中心軸對 稱地隔開的四個腔745。設置在每個腔745中的是上滾動膜片750與下滾動膜 片755，其將腔745分成上腔部分745a、中腔部分745b及下腔部分745c。上 腔元件760a設置在上腔部分745a中。同樣，中腔元件760b設置在中腔部分745b中。另外，下腔元件760c設置在下腔部分745c中。
如圖13所示，流體總管725包含將流體管道715連接至中腔部分745b 的端口 765。每個中腔元件760b具有與軸向孔775相交的交叉孔770。交叉孔 770與中腔部分745b流體連通。軸向孔775轉而與下腔元件760c的通孔780 連通。此外，如圖12所示，每個下腔元件760c的通孔780與混合腔735流體 連通。按照這種方式，每個流體管道715與散熱器740之間設有流體通道。
此外，膜片750、 755提供零影響推動器785的浮動連接給熱卡盤710。 這樣，零影響推動器785相對熱卡盤710維持六自由度的移動。另外，從圖 14中進一步看出，氣壓總管720包括氣壓口 790，其提供氣壓管道795與上腔 部分745a之間的通道。因而，類似于以上參考圖8所述的系統(tǒng)，可以通過適 當?shù)厥┘訅毫?或真空)給壓力管道795來軸向(也就是z軸方向)移動零影響 推動器785。
此外，類似于以上參考圖8所述的系統(tǒng)，混合腔735與散熱器740可選擇 性地作為一個單元從熱卡盤710移除。例如，混合腔735可通過選擇性地可脫 開連接797連接到四個各自的下腔元件760c上，脫開連接797包括但不限于 摩擦配合、卡扣配合、快速脫開或任何其它適當?shù)倪B接。這樣，不同的散熱器 (例如具有不同的熱接口區(qū)域和/或不同的熱接口材料)可以快速且簡易地與上 述系統(tǒng)適配，以用于測試不同類型的DUT。
因此，從上述描述可以看出，零影響推動器并不限于使用任何特定的熱卡 盤。本發(fā)明的實施可以使用任何所需的熱控制系統(tǒng)，其中需要將散熱器/DUT 接口與系統(tǒng)的其他部分產生的外力相隔離。這樣，零影響推動器使熱控制器結 構對散熱器與DUT之間的接口的不利影響最小化。同樣，零影響推動器在接 口處為DUT提供散熱器的六自由度萬向連接，從而在接口處消除非平衡力(例 如，扭矩)，同樣也消除散熱器相對DUT的磨擦(例如，磨損)。此外，零影響 推動器的氣壓控制的軸向移動允許散熱器無沖擊地移動，并且對DUT均衡施 加作用力。
熱接口材料
圖15A示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的包含多個納米管805的熱接口材料的
20示范性實施例。在一優(yōu)選的實施例中，納米管805包括在基底810上形成(grow) 的碳納米管，但是本發(fā)明并不限于這種類型的納米管。因為納米管805是柔性 的，彎曲時仍保持其熱長度，所以納米管805能夠順應DUT 815表面的偏差(如 圖15A所示)，同時提供在整個DUT 815表面的均勻熱阻系數(shù)(如圖15B所示)。 因此，納米管805使整個DUT 815上不期望的熱梯度最小化。
在實施例中，納米管805包括在基底810上形成的高度約為150//m碳納 米管。基底810可包括例如散熱器(例如，上述的散熱器515)的表面，如銅表 面。直接在散熱器的表面上形成碳納米管可提供有利的低熱阻系數(shù)。可選地， 形成納米管805的基底810可以通過可修復的熱焊劑或熱脂連接在散熱器上。 在一優(yōu)選的實施例中，操作的氣壓范圍在約15psi至約75psi(其中psi是磅每平 方英寸)，納米管805具有小于或等于約0.07C/(W/cm"(其中C表示攝氏度， W表示瓦特，cm表示厘米)的熱阻系數(shù)，基本上沒有熱質量，且能夠容納大于 50戶的平面。然而，本發(fā)明并不局限于具有這些特定性質的納米管，其它類 型的納米管也可用于本發(fā)明。例如，高度為約25/zm至約50/^的納米管也可 用于本發(fā)明。此外，本發(fā)明的實施例可以采用封裝或者非封裝的納米管。
圖16和17示出了納米管805如何作為基底810與DUT 815之間的柔性 熱接口的另外的方面。例如，如圖16所示，尺寸小于納米管805長度的粒子 820(例如，碎片)不會損壞基底810和/或DUT 815。這是由于作為伸長的熱彈 簧的納米管805可以在粒子820周圍伸縮。同樣，如圖17所示，由多個納米 管805組成的熱接口材料覆蓋相對較小的DUT 815，并不會在DUT 815的邊 緣引起應力集中。這使得對DUT 815造成損壞的可能性最小化，同時避免了 由于應力集中產生的熱梯度。
圖18示出了設置在納米管805中間的基底810上的急停件840的實施例。 例如，根據(jù)一些測試條件下的要求，當需要將力從基底810轉送到DUT 815 上時，可以采用這種急停件840。根據(jù)本系統(tǒng)計劃的用途，急停件840可以由 任何適當?shù)牟牧辖M成，并且可以設計成任何適當?shù)某叽缁虼笮?例如，長度、 寬度和高度)。然而，在一優(yōu)選的實施例中，急停件840比未壓縮納米管805 的長度要短，以便納米管805必須在急停件840接合DUT 815的表面之前壓
21縮至某種程度。這種設置確保了基底810與DUT 815之間的均勻熱接口，同 時允許力(例如，約100磅)施加至DUT815。
圖19示出了在基底810上設置急停件840和真空通道845的實施例。急 停件840的功能如參考圖18所述。真空通道845允許負壓力施加至由基底810、 DUT 815和急停件840圍成的體積上。這提供了允許DUT 810被傳送(例如， 被移動)的真空杯，同時維持了期望的熱特性和/或基底810與DUT 815之間的 接口的力的施加。
圖20示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的熱接口材料的另一實施例。在此實施例 中，碳納米管805a、 805b分別在上側850a和下側850b連接到基底850上。 基底850和碳納米管805可輕松地放置在DUT 815和散熱器855之間，而不 需要使用熱脂或其它熱接口材料?；卓砂ú?，例如，納米管805a、 805b 在其上形成的銅箔。此外，基底850可具有使自身具有柔性的厚度?；?50 的這種柔性有助于最佳化柔性碳納米管805a、 805b與DUT 815及散熱器855 表面的一致性。
如上所述，包括納米管熱接口材料的本發(fā)明的實施提供了一種基本上均勻 的熱接口 ，其不會損壞DUT表面，并且可以覆蓋DUT邊緣而不引起應力集中。 此外，根據(jù)本發(fā)明各方面，包括納米管的熱接口材料不會像熱接口液體一樣蒸 發(fā)或凍結，并且可以容納碎片而不損壞DUT。
除非另外說明，在說明書和權利要求中使用的所有表示特性(溫度、長度、 熱阻系數(shù)等)的數(shù)值的數(shù)字都應理解為在所有情形下由術語"大約"所修正。因 此，除非表示相反的，在說明書和權利要求中出現(xiàn)的數(shù)字參數(shù)都是基于本發(fā)明 獲得的所需特性而變化的近似值。這些數(shù)字參數(shù)絲毫不能被認為用于限制權利 要求書范圍所表達的申請內容，應該根據(jù)有效數(shù)字和四舍五入的值來構建每個 數(shù)字參數(shù)。
另外，說明書中的數(shù)字范圍的描述是這個范圍中的所有數(shù)字值及范圍的表 示。例如，如果范圍在約1至約50，應認為包括例如1、 7、 34、 46.1、 23.7 或任何其它在此范圍中的值或范圍。
雖然在此參照幾個示范性實施例對本發(fā)明進行了描述，這些實施例能以任何適當?shù)姆绞竭M行組合，但是應理解，所使用的詞句是用于描述和解釋的詞句， 而不是用于限制的詞句。如在此陳述和改進的，可以在所附權利要求的范圍內 做出改變，而在其各方面上不脫離本發(fā)明的范圍和實質。雖然在此參照特定裝 置、材料和實施例對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不限于所公開的特例。 相反，本發(fā)明可擴展至所有功能上等同的結構、方法及使用，如在所附利要求 的范圍中所限定的。
權利要求
1、一種控制設備溫度的裝置，其特征在于，包括主體，其包括以所述主體的縱軸為基準基本上對稱地隔開的多個腔，其中所述多個腔的每個腔均包括上膜片和下膜片；以及熱傳輸元件，其借助于所述多個腔附接在所述主體上，使得所述多個腔與所述熱傳輸元件流體連通。
2、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱傳輸元件的溫度補償所述設備的溫度變化，并基本上維持所述設備的設定點溫度。
3、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述設備包括半導體設備。
4、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱傳輸元件相對于所 述設備是可移動的。
5、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱傳輸元件可相對于 所述設備在六個自由度上移動。
6、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱傳輸元件施加力給 所述設備。
7、 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述力基本上垂直于所述 設備的接口表面。
8、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱傳輸元件可相對于 所述主體在所述縱軸方向上移動。
9、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述主體包括連接至所述 多個腔的每個腔的上部的氣壓總管。
10、 根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述氣壓總管與外部壓力 或真空源流體連通。
11、 根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在于，當向所述多個腔的每個 腔的上部供應正壓力時，所述熱傳輸元件沿所述縱軸方向遠離所述主體移動。
12、 根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在于，當向所述多個腔的每個 腔的上部供應真空時，所述熱傳輸元件沿所述縱軸方向朝所述主體移動。
13、 根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在于，當向所述多個腔的每個 腔的上部供應正壓力時，所述熱傳輸元件向所述設備施加力。
14、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述上膜片和每個所 述下膜片均包括滾動膜片。
15、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，每個所述上膜片和每個所 述下膜片均包括基本上無靜摩擦的滾動膜片。
16、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，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與所述下膜片平面大致相互平行。
17、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個腔的各腔的所述 上膜片與所述下膜片具有共同的中心軸。
18、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括單個 上膜片構件，所述單個上膜片構件一體地包括每個各自的所述上膜片。
19、 根據(jù)權利要求18所述的裝置，其特征在于，所述單個上膜片構件被 夾在氣壓總管與所述主體的流體總管之間。
20、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個腔的每個腔進一 步包括上腔部分，其設置在所述上膜片的上方；中腔部分，其設置在所述上膜片與所述下膜片之間；以及下腔部分，其設置在所述下膜片的下方。
21、 根據(jù)權利要求20所述的裝置，其特征在于，所述上腔部分可操作地 連接至氣動壓力源。
22、 根據(jù)權利要求20所述的裝置，其特征在于，所述中腔部分限定了所 述主體的流體總管與所述熱傳輸元件之間的流體通道。
23、 根據(jù)權利要求22所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括設 置在所述中腔部分與所述熱傳輸元件之間的所述流體通道上的閥。
24、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，散熱器可選擇性地從基部移除。
25、 根據(jù)權利要求24所述的裝置，其特征在于，所述散熱器可借助于以下方式中的一種選擇性地移除摩擦配合、卡扣配合以及快速脫開。
26、 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括設置于所述熱傳輸元件與所述設備之間的熱接口材料，該熱接口材料與所述熱傳輸 元件和所述設備接觸。
27、 根據(jù)權利要求26所述的裝置，其特征在于，所述熱接口材料包括碳 納米管。
28、 一種控制設備溫度的裝置，其特征在于，包括 基底；以及連接至所述基底的納米管，其中，所述納米管構造和設置成用于在所述基底與所述設備之間生成熱接口。
29、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述設備包括半導體設備。
30、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述納米管包括碳納米管。
31、 根據(jù)權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述碳納米管具有在約 25，至約150//m范圍內的高度。
32、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述基底包括熱控制器 的熱傳輸元件，該熱傳輸元件構造和設置成用于補償所述設備的溫度變化并基 本上維持所述設備的設定點溫度。
33、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于 所述基底借助于可修復的熱焊劑或熱脂附接在熱傳輸元件上，并且 所述熱傳輸元件包含在熱控制器中，所述熱控制器構造和設置成用于補償所述設備的溫度變化并基本上維持所述設備的設定點溫度。
34、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括至 少一個連接至所述基底的急停件。
35、 根據(jù)權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述至少一個急停件構 造和設置成用于向所述設備傳遞力。
36、 根據(jù)權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述至少一個急停件的長度小于所述納米管的長度。
37、 根據(jù)權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括至 少一個設置成穿過所述基底的真空通道。
38、 根據(jù)權利要求37所述的裝置，其特征在于，所述至少一個急停件、 所述至少一個真空通道及所述基底在所述設備上形成真空杯。
39、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述納米管具有基本上 一致的熱阻系數(shù)，該熱阻系數(shù)在約15psi與約75psi之間。
40、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述納米管直接形成在 所述基底上。
41、 根據(jù)權利要求40所述的裝置，其特征在于，所述基底包括散熱器的 銅表面。
42、 根據(jù)權利要求28所述的裝置，其特征在于 所述基底包括第一側和第二側， 第一多個所述納米管連接至所述第一側，并且 第二多個所述納米管連接至所述第二側。
43、 根據(jù)權利要求42所述的裝置，其特征在于，所述基底包括箔。
44、 一種控制設備溫度的裝置，包括主體，其包括以所述主體的縱軸為基準基本上對稱地隔開的多個腔，其中 所述多個腔的每個腔均包括上膜片和下膜片；熱傳輸元件，其借助于所述多個腔附接在所述主體上，使得所述多個腔與 所述熱傳輸元件流體連通；基底，其連接至所述熱傳輸元件；以及納米管，其連接至所述基底，其中，所述納米管構造和設置成用于在所述基底與所述設備之間生成熱接 口，并且所述熱傳輸元件的溫度補償所述設備的溫度變化，并基本上維持所述設備 的設定點溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制設備溫度的裝置，具體而言，涉及一種高級熱控接口。所述裝置包括主體(500)，其具有以所述主體(500)的軸為基準基本上對稱地隔開的多個腔(630)，其中多個腔(630)的每一個腔均包括上膜片(635)和下膜片(640)。所述裝置還包括熱傳輸元件(515)，該熱傳輸元件(515)通過所述多個腔(630)連接在所述主體(500)上，以使所述多個腔(630)與所述熱傳輸元件(515)流體連通。
文檔編號B01F13/06GK101505861SQ200780028655
公開日2009年8月12日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權日2007年9月14日
發(fā)明者拉里·斯塔基 申請人:株式會社愛德萬測試