CN1324107A - 老化装置的冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种老化装置,用于老化或测试至少一个安装在老化板上的被测器件,其包括:老化室;固定在老化室内的板支架,在安装位置支撑老化板;鼓风机,在老化室内产生循环气流;热交换器,用于将在老化时产生的热散掉;和至少一个气流直线化装置,其设置在板支架的上游。直线化装置具有一个基本平行于循环气流的第一轴线,并且直线化装置在第一轴线方向至少足够长能够将在老化板附近的循环气流直线化。

Description

老化装置的冷却系统

本发明总的涉及电子元件的老化和测试的装置和方法，特别是在老化和测试过程中冷却这些被测器件(DUT)，确保新制造的芯片适于应用的装置和方法；本发明特别涉及这样一种装置和方法，其喷射直线化的空气流，通过各老化板，冷却在老化室内多个老化板和/或测试或性能板上安装的多个DUT。

在组装各种电子组件到一个较大的装置前，将它们进行测试和/或老化在芯片的制造技术中是周知的。例如，计算机芯片通常单个地连接到一个老化或测试系统，以确保在每个芯片中的所有的希望的电路都是工作的。老化/测试过程加速了芯片的老化，因此使得有缺陷的芯片被识别出，在制造过程的早期被抛弃。这是希望的，因为它使得制造者能够避免在构成含有有缺陷的芯片的较大的更昂贵的装置中的浪费。除了老化外，计算机芯片和其他的集成电路可能经受各种的其他的测试。这里用的“测试”一词预定包含老化和测试操作。

在一个一般的老化或测试过程中，被测试的每个芯片，下面称为“被测器件”或“DUT”，连接几个电触点。这些触点可以是从DUT出来的焊料块或引线的形式。每个老化或测试插座，下称测试插座，具有一组相应的触点。每个DUT封装具有不同的一组触点。一个封装类型呈小焊珠的点阵的形式，所述焊珠的位置与在DUT的下表面上的插座引线相对应。将DUT放在插座中的引线的阵列上，以致在每个希望的点上形成电连接，并且一般由在插座上的一个夹具或类似装置固定。这个装置有时用作散热器。一个典型的老化板可具有高能微处理器的6-18个DUT老化插座，或存储器的120-256个DUT老化插座。

老化和/或老化测试一般是在一个老化室中进行。每个老化室包含几个老化板的托架(架子和连接器)，托架支撑几个DUT。老化板包括经由老化板将DUT连接到老化系统的电引线，并可包括一个或多个冷却装置，如散热器，以便从DUT散热。

在典型的老化或测试过程中，电流流过每个DUT而产生热。迄今为止，DUT的功率不大，相应地，在计算机芯片的老化时消耗的能量相对较小，为此，老化装置可以利用空气冷却在大多数情况中产生的热量。但是随着新的较大功率的芯片的出现，老化时产生的热量已从1-5瓦增加十倍，达到10-50瓦或更大。在不久的将来一些芯片会产生多达100瓦的热。

另外，芯片封装的成本的增加刺激了制造商改进老化的步骤，使得它在最后的封装前而不是在最后封装后进行。这使得制造商能够节省封装有缺陷的芯片的费用，但是这意味着，老化操作必须在部分封装的芯片上进行，在此硅片本身会露出。部分封装的芯片比整个封装的较不坚固，更容易损坏。因此，老化过程不能够使得DUT受到过大的或不均匀的力。

因为必须在一个控制的温度下进行老化，并且芯片不能够暴露于极端温度，在老化或测试操作中产生的大量热必须散掉。在没有很大的散热器的情况下，空气冷却不能够提供充分的冷却。已尝试过使用不导电的流体的液体冷却，但是已证明，对于高功率的DUT是不可行。同时，老化或测试部分封装的芯片提出了比老化或测试完全封装芯片更多的思考。例如，部分封装的芯片一般不能够容易地以需要的速度放出热。在每个DUT散热的能力方面已经做出了种种改进。在本文参引的题为“Burn-in Board Capable of high Dissipation”1998年10月6日提交的申请号为09/167,238的未决申请，和题为“Burn-in Boardwith Adaptable Heat Sink Device“1998年10月6日提交的申请号为09/167,295的申请中公开了其中一些内容。通过将热传导到散热器，热交换器或其他的冷却装置散热。

除了需要在老化时散掉大量的热，对正在制造芯片的严格的容限要求，严格控制在老化室中的温度。老化室的规范可能要求，在老化室内的空气温度应被控制到摄氏正负3度内，并且在老化室内的任何两点的温度差不大于摄氏6度。

因此，希望提供一个老化室，它能够均匀地从几个芯片中的每个散掉至少10-100瓦的热，同时在一个窄的希望的范围内保持每个DUT的温度。而且，优选的系统应能够在整个的老化装置内将DUT均匀地保持在规定的温度范围内。这些目标要求，系统能够对老化装置内的每个DUT提供足够的均匀冷却，并且基本消除在DUT的附近的冷点或热点。还希望，提供在成本，劳务和可靠性方面商业上可行的一种老化装置。

本发明的老化室能够均匀地从几个芯片的每个散掉至少10-100瓦的热，同时将每个DUT的温度保持在一个窄的希望范围内。本装置也能够通过冷却在老化室内的每个DUT，在整个老化装置内将DUT均匀地保持在规定温度范围内，同时基本消除在DUT附近的热点或冷点。本老化室包括一个装在老化室内的鼓风机，用于通过老化室循环一个空气流；和多个直线化装置，所述装置能够减少在老化室内的紊流，因此确保一个通过DUT的一致的均匀的空气流。

结合在本发明的老化室中的所述直线化装置包括：弯曲的挡流板，其作用是促使空气或其他气体方向的改变；和通道板，在空气循环流中间隔地设置，用于减少流动中的紊流。整个老化室内间隔地设置多个热交换器，将在老化时产生的热散掉，从而保持整个老化室的温度基本均匀。

请参照以下的附图以更好理解本发明的优选实施例。其中：

图1是根据本发明一个优选实施例构成的一个机柜的前视图；

图2是图1的机柜的内部图；

图3是在图1的机柜中使用的优选换热系统的放大图；

图4A和4B分别是图1机柜中使用的一个直线化装置的板的一部分的放大平面图和立体图；

图5是根据本发明的机柜内部的第二优选实施例的图；

图6是根据本发明的机柜内部的第三优选实施例的图；

图7是根据本发明的机柜内部的第四优选实施例的图；

图8是根据本发明的液体热交换系统的另一个实施例的示意图。

在以下说明和权利要求中使用的术语是指的特别的电子装置。如业内人士所理解的，人们会用不同的名字表示组件。本说明书不想对名字不同的组件加以区别，而是根据不同的功能区分。在以下说明和权利要求中，是以开放方式使用术语“包括“，因此应解释为“包括但不限于”。

另外。“电子元件”，“计算机芯片”和“芯片”术语拟包括各种器件，如集成电路，微处理器，微芯片，存储器或任何其他的相似器件。这些术语虽然是技术上有区别，但可互换地用于本说明，除非对于特定使用的另外规定。在“被测器件”的英文缩写DUT全文使用。

另外，在各图中使用相同的标号表示每个实施例中的相应部件。

见图1，根据本发明的优选实施例的一个老化装置包括：机柜20和冷却系统70。机柜20包括：仪表和电源部分12和温度控制的老化室部分11。老化室部分11包括：基本在六个侧面由老化室壁13封闭一个老化室10(图2)，老化室壁13最好由隔热材料制造。老化室壁13的前部具有至少一个，最好是两个入口15和17，以便能够进入老化室内。入口15和17分别由门19和21关闭，使得在门关闭时老化室10基本与机柜20外的环境是隔热的。

冷却系统最好包括一个封闭的液体冷却回路72和一个装置冷却回路74。利用任何合适的热交换技术，由封闭回路72中的液体在机柜20中吸收的热，在液体/液体的热交换器75(图3)中转移到在装置冷却回路74的液体中。下面参照图3详细说明冷却系统70。

见图2，通过一个中间的老化室壁50，老化室10分成左和右部分46和48，老化室壁50基本竖直穿过老化室10的中心。壁50穿过老化室10的整个深度，壁50的顶在老化室10的顶下终止，形成一个上风道58，壁50的底在老化室10的底上终止，形成一个下风道56。在一个优选实施例中，上风道58由一个老化室的顶板限定。下风道56由老化室底板57限定。最好在上风道58中安装至少一个加热器24，在一个优选实施例中，在上风道58和下风道56中各安装一个加热器24。

多个板支架27、28、29、30、31和32安装在老化室10内，它们最好安装在后室壁13并穿过后室壁13。各板支架27、28、29、30、31和32能够在老化室10内的固定位置支撑多个老化板51(用虚线表示)，使得它们与老化室壁13和中间的老化室壁50隔开，并且彼此分开，以致空气能够在它们之间流动。板支架27-32还提供将老化板与控制器和电源互连的电连接。板支撑27-32最好彼此相同，在老化室的整个中部均匀地隔开。

根据一个优选实施例，在板支架的相邻的排之间设置多个热交换器600和气体流动直线化装置500。最好是，在每个板支架的下游设置一个热交换器，并至少在每个热交换器上游设置一个直线化装置，最好是既在每个热交换器的上游又在下游设置一个直线化装置。

见图3，每个热交换器600最好包括一个冷却各流体回路602的集管系列。每个回路602包括由U形的弯曲605连接的一个出分支604和一个入分支606。出分支604和入分支606最好彼此上下排列，使得它们对准老化室10内的空气流方向。多个出分支604和入分支606分别汇集道集管608和610，集管608和610又分别连接道封闭的冷却剂回路72。使用出和入分支604和606产生跨越每个热交换器600的基本均匀的平均温度。优选地，如图所示，在整个冷却回路72上平行连接几个热交换器600，使得流向老化室10中的所有入分支606的冷却剂温度相同。优选地，在每个热交换器600的输入或输出侧上设置一个阀101。最好响应于温度反馈的控制回路(未示出)控制阀101。输入控制回路的的温度测量能够由传感器进行，传感器测量离开每个热交换器600的水的温度，或者由设在老化室内的传感器进行，以测量老化板附近的空气温度。应理解，不偏离本发明的范围，可以修改上述冷却剂的流动系统。

见图4A和4B，优选的直线化装置500是包括多个六角形蜂窝502的板。每个蜂窝形成一个沿直线化装置的长度的无阻档的通道。蜂窝基本上消除了空气流动中的紊流，因此，显著减少了能够引起老化室10内压力变化和/或热点或冷点的涡流和死区。在空气流动的方向测量的直线化装置500的长度，可以根据可用空间改变，或者是如冷却DUT的气体实际要求的。但有一点，直线化装置约长，它消除紊流越有效。同时，空间的制约使得不能使用4英寸以上长的直线化装置。在一个优选实施例中，每个直线化装置的长度约2英寸。在一个优选实施例中，顶板59和底板57也由相同的蜂窝材料构成，并且具有附加的直线化装置的功能。

优选的热交换器600位于每个板支架的下游，用于均匀地除去在老化时产生的热。优选地，各热交换器600et.seq.与一个温度传感器(未示出)热接触，能够单独调节通过每个热交换器的冷却剂的流动，以使在老化室10内任何两点的温度梯度保持不大于摄氏6度。一个优选冷却剂包括冷水或盐水。虽然最好是从封闭的冷却剂回路72为每个热交换器600提供冷却剂，但是应理解，其他的结构，象那些包括多种冷却剂系统和不是平行冷却回路的系列也适用。

见图2，最好在下风道56内安装一个空气压缩机26，以提供通过机柜20的希望流动的动力。空气压缩机26最好包括一个安装在下风道56内的离心鼓风机，以在整个机柜20的底部横向压送空气，上升穿过左部分46，通过加热器24，穿过上风道58和向下返回穿过老化室10的右部分48。至少一个，最好是两个或多个弯曲的挡流板53用于在下风道56中的导引空气流，使得它以平缓和紊流最小的方式改变方向。如果希望，也可以在在上风道58中设置附加挡流板(未示出)。最好是，泵26以约为1,400-2,000直线英尺/分的速度驱动空气。与直线化装置500和热交换器600耦合的空气流速通常足以保持一个窄的温度梯度，甚至在装满了进行老化的组件的老化室中也是如此。

如上所述，在希望高于环境的温度起动老化系统时，为了加热老化室10内的空气和组件设置辅助加热器24。在一个优选实施例中，加热器24包括一个陶瓷/线缠绕型的加热器。业内人士了解各种加热器，它们是可以替代的。

根据本发明一个优选实施例，在工作中，空气从压缩机26出来，沿挡流板53通过底板57上升到左侧46，通过板支架27，通过第一热交换器600，通过一个第一直线化装置500，通过板支架28，并通过各附加热交换器，直线化装置和板支架，直到进入上风道58。空气被导向通过机柜20的顶，通过上风道58。在空气向下通过右侧48时，它通过相应的各直线化装置，热交换器，和板支架。然后空气进入下风道56循环。

见图5，本发明的另一个实施例基本包括与图2的实施例基本相同的组件，只是组件的配置稍有不同。具体是，在空气从压缩机26流出时，在挡流板53折流向上通过左部分46前被加热装置24加热。在空气通过上风道58时由上挡流板100向下折流向下通过右部分48。图5还包括多个温度控制器110，监视和/或控制在每个四分之一老化室中的温度。温度控制器110最好是可调的，以保持在老化室内任何两点之间的温度梯度不大于摄氏6度。

图6的实施例与图5的相似，但是包括在上风道58中的一个第二辅助加热器24。辅助加热器24在需要时于空气向下流过右部分48时加热空气。

见图7本发明的另一个实施例。在图7中，老化室10由基本竖直穿过老化室10的中心的起间隔作用的中间室壁50分成左和右部分46和48。在此实施例中，加热器24既在上风道58也在下风道56中安装。

如前所述，多个板支架(未示出)安装在老化室10内。每个能够将多个老化板51支撑在一个老化室内的固定位置上使得它们与室壁13和中间壁50隔开，并彼此隔开，以致空气能够在它们之间流动。板支架(未示出)也提供各老化板与控制器和电源的电连接。

根据图7的优选实施例，热交换器600和气流直线化装置500设置在左部分46的底部附近挡流板53的上游，和右部分48的顶部附近，以使分别在空气向上流向左部分46和向下流向右部分48时冷却和直线化空气流。为每个热交换器设有温度控制器110，监视流过每个热交换器600的空气温度，并控制通过每个热交换器600的水量。温度控制器最好是可调节的，以保持老化室内的任何两点之间的温度梯度不大于摄氏6度。

如上就图3所述，冷却系统最好是一个封闭回路冷却系统70，它包含空气一液体热交换器600，通过它液体冷却剂循环。见图8，一个优选的液体冷却系统的另一个实施例包括：封闭冷却剂回路2，它包括一个泵88，一个或多个空气/液体热交换器600和传感器84-86，和装置冷却剂回路74，所述装置冷却剂回路包括一个压力传感器80和一个紧急关闭阀81。在液体/液体的热交换器75中在冷却剂回路72和装置冷却剂回路74之间进行热交换。传感器84-86最好包括一个流量损失传感器84，一个过压传感器85和一个高温传感器86，用它们分别确定冷却剂流量增加了还是减少了，压力是否过大，或温度是否过高。另外，还最好在回路72中包括一个紧急压力安全阀87，在压力增加到希望的压力以上时放压。由紧急液体罐83收集通过紧急压力安全阀87的放出的任何液体，它包括一个流体传感器82，用于确定紧急安全阀87是否已经起动。

虽然上述的装置是最满意的和优选的，但是在不偏离本发明的精神的情况下结构是能够改变的。多种改变的实施方式是在以上公开的本发明的原理内，并且不偏离本发明，对详细说明的上述优选实施例可以进行种种修改，在此阐述的细节是为了解释而不是限制本发明的范围。

Claims (21)

1．一种老化装置，用于老化被测器件，所述被测器件安装在老化板上，所述装置包括：

老化室；

板支架，在老化室内固定，在安装位置支撑老化板；

鼓风机，在所述老化室内产生循环气流；

热交换器，将在老化时产生的热散掉；

气流直线化装置，设置在所述板支架的上游，所述直线化装置具有基本平行于循环气流的第一轴线，在第一轴线方向至少足够长能够基本上将老化板附近的循环气流直线化。

2．根据权利要求1所述的老化装置，其中所述热交换器设置在老化板的下游。

3．根据权利要求1所述的老化装置，还包括多个固定在老化室内的板支架。

4．根据权利要求3所述的老化装置，还包括与每个板支架相应的热交换器。

5．根据权利要求3所述的老化装置，其中直线化装置设置在每个板支架的上游。

6．根据权利要求3所述的老化装置，其中每个热交换器设置在它的相应的板支架的下游。

7．根据权利要求3所述的老化装置，其中每个板支架能够支撑多个老化板。

8．根据权利要求1所述的老化装置，其中所述气流直线化装置包括多个直线化单元。

9．根据权利要求1所述的老化装置，还包括在所述鼓风机和各板支架之间的至少一个弯曲的挡流板。

10．根据权利要求1所述的老化装置，其中所述老化室的结构使得从所述鼓风机出来的循环空气流通过所述板和所述热交换器，并且包括至少一个气流改向通道。

11．根据权利要求10所述的老化装置，还包括在所述气流改向通道中的至少一个弯曲的挡流板。

12．一种为多个被测器件提供基本均匀的冷却的方法，所述DUT被安装在各老化板上，上述老化板分布在整个老化装置内，该方法包括步骤：

(a)提供通过各老化板的气流；

(b)提供具有第一轴线的气流直线化装置，其中气流直线化装置设在老化板的上游，使得气流基本平行于所述第一轴线通过气流直线化装置，气流直线化装置在第一轴线方向至少足够长能够基本上将在老化板附近的气流直线化；

(c)提供与每个老化板相应并与每个老化板热接触的热交换器，将老化时产生的热散掉。

13．根据权利要求12所述的方法，其中每个热交换器设置在相应的老化板的上游。

14．根据权利要求12所述的方法，其中所述气流直线化装置包括多个直线化单元。

15．一种在老化时基本均匀地冷却多个被测器件的装置，每个被测器件安装在老化板上，该装置包括：

老化室；

在老化室内支撑多个老化板的装置；

在整个老化室内产生循环气流的装置；

将在老化时老化装置产生的热散掉的装置；和

将通过每个老化板的循环气流直线化的装置。

16．一种均匀冷却多个被测器件的装置，所述被测器件安装在老化装置内的各老化板上，该装置包括：

多个板支架，能够容纳老化板；

泵，产生通过各老化板的气流；

气流直线化装置，具有第一轴线，其中气流直线化装置设在老化板的上游，使得气流基本上在所述第一轴线方向通过气流直线化装置，并且气流直线化装置在第一轴线方向至少足够长能够基本上将气流直线化；和

热交换器，相应于每个老化板并与每个老化板热接触，用于将老化时产生的热散掉。

17．根据权利要求16所述的装置，其中所述的热交换器包括一个冷却剂回路。

18．根据权利要求16所述的装置，其中所述的热交换器包括一个冷却剂回路，并且所述各冷却剂回路汇集到一起，并且并联到冷却系统。

19．根据权利要求16所述的装置，其中所述气流直线化装置包括多个单元。

20．一种基本均匀地冷却多个被测器件的老化室，所述被测器件附在多个老化板上，所述老化室包括：

多个板支架，在老化室内支撑所述各老化板；

鼓风机，在老化室内产生空气的循环流；

其中循环空气流的压力在老化室内任何两点之间的差别不大于6英寸水柱。

21．根据权利要求20所述的老化室，其中循环空气流的速度至少1400直线英尺/分。

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