JP2006046975A

JP2006046975A - バーンイン装置

Info

Publication number: JP2006046975A
Application number: JP2004224848A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nakamura; 和広中村; Tetsuya Shimada; 哲也嶋田; Katsuhiko Watabe; 克彦渡部
Original assignee: Espec Corp
Current assignee: Espec Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: TWI287281B; JP4512815B2; US7498830B2; TW200607063A; KR100838695B1; KR20060048881A; US20060032627A1

Abstract

【課題】簡単な構成で装置及び運転費用が安価で高発熱型半導体デバイスのバーンインも可能なバーンイン装置を提供する。
【解決手段】バーンイン装置は、水供給系２、噴霧器３、等を有し、バーンインボード４１のソケット４５に装着されたデバイス１の上面１１に対して、噴霧器３で水をミスト化して噴射するようにした装置である。高発熱デバイスの発生させた熱量は、ミストが上面１１に当たって蒸発するときの大きな潜熱を含む熱量によって除去され、デバイスは目的とする温度に冷却されつつバーンインされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面状の一面を備えていて通電されると発熱して目的とする温度より高い温度まで上昇し前記一面の温度が上昇する半導体デバイスを前記バーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置に関する。

半導体デバイス（以下単に「デバイス」という）のバーンイン装置としては、多数のデバイスをバーンインボードに装着し、これを恒温槽に多段に積載し、デバイスに通電すると共に、槽内で例えば１２５℃の一定の温度に調整された熱風をバーンインボードに対して平行に流し、多数のデバイスを一様に冷却しつつ循環させるようにした装置が一般的である（例えば特許文献１、２、３参照）。このようなバーンイン装置によれば，従来のデバイスであれば、循環される熱風の温度に対応して、通電によって発熱するデバイスの内部温度が１５０℃程度のバーンインに適当な温度になるとされていて、多数のデバイスを能率良くバーンイン試験することができた。

又、上記特許文献３には、従来技術として、槽内の温度を検出してこれを一定温度にするだけでは、デバイス自体の温度を直接制御しないため、半導体チップの空きスペースにダイオードを形成し、その電気特性から半導体チップのジャンクション温度を推定することが行われていたことが記載されている。（同特許文献３参照）。

更に上記特許文献３では、個々の半導体チップの集積回路部にその全体にわたって温度測定用配線部を配置し、集積回路部の通電用接続パッドと同様な状態で設けた接続パッドを介してチップの平均的温度を検出し、温度調整装置に個々の半導体チップに対応して配置した送風ファンから温調された空気を送り、チップの平均的温度を目的とするバーンイン温度にするように個々のチップに送る送風量を制御するようにしたバーンイン試験装置が提案されている。

一方、最近では、通電時に例えば３００Ｗ程度まで発熱する高発熱デバイスが出現してきていて、バーンイン装置をこのような高発熱デバイスのバーンインに対応させる必要がある。ところが、上記の従来の一般的な熱風循環式の装置では、通電時に発生するデバイスの高熱量を除去すべき熱媒体が空気であり、その比重及び比熱が小さく除去熱量が少ないため、上記のような高発熱デバイスには対応できない。そのため、循環空気の温度を下げると共に風速を上げて風量を多くして除去熱量を増やすことになるが、その場合には、装置が大型化したり、循環空気の上流側と下流側とで冷却効果に大きな差が生じてバーンイン温度の精度が低下すると共に、そのようにしても、除去熱量としては３０Ｗ程度が限界になる。そのため、熱風循環式装置では、上記のような高発熱デバイスのバーンイン試験をすることができない。

又、個々のチップの温度を検出して個々のチップに送る冷却風量を制御する装置では、ある程度風量を多くして除去熱量を大きくすることができるが、冷却媒体が空気であるため、除去熱量を大幅に増加させることはできず、同様に高発熱デバイスのバーンインには対応できない。

デバイスのバーンイン等に使用される装置の他の例としては、個々の対象物毎にその上下位置に空気噴射ノズルを配置し、これらのノズルから低温空気を噴射させるようにした空気噴射式温度制御装置が知られている（特許文献４参照）。この装置では、空気の流速を上げて流量を多くしてもデバイス間の温度分布の問題は生じないが、熱媒体が空気であるため、同様に除去熱量を格段に増加させることはできず、高発熱デバイスにまでは対応できない。

熱風を用いないバーンイン装置としては、バーンインボードであるプリント基板上に多数のデバイスである電子部品を搭載し、これに水冷される熱交換器で冷却された冷媒液が循環される冷却プレートを接触させ、必要なときに冷却しつつ電子部品の温度試験をするようにした温度試験装置が知られている（特許文献５参照）。

この装置では、液冷媒の沸騰蒸発によって電子部品の熱を取るので冷却熱量を大きくすることが可能である。しかしながら、このような装置では、プレート底面の全面を液冷媒で覆いその面のうち電子部品と接触している面だけから入熱があるので、液冷媒側における熱伝達が完全な膜沸騰蒸発になるため、その面部分の熱伝達率が格段に大きな値にはならないこと、プレート内の圧力と通常大気圧である外圧との間に圧力差が生じると共に全電子部品を１枚のプレートで冷却するのでプレート面積が大きくなるため、プレートの厚みを薄くして熱通過性を良くすることができないこと、プレートが曲げ剛性の高い平坦面にされているので、僅かなレベル差が不可避的に生ずる個々の電子部品の全てに対して十分な接触が得られないこと、等の問題があり、高発熱デバイスのバーンイン試験ができる程の冷却能力が得られない。

なお、実装された半導体チップの冷却構造としては、個々の半導体チップのそれぞれに厚みの厚いキャップを被せてこれらを半田で接合させ、これらの間を熱膨張力を緩和する機能を持つベローズで仕切り、個々のキャップのそれぞれの上にノズルを配置し、これに冷媒供給管から液体状の冷媒を供給し、ノズルで冷媒液を微粒化してキャップに吹き付け、半導体チップから発生した熱をこの上に被せられたキャップを通過させて冷媒に吸収させ、その熱によって冷媒を蒸発させて排出口から排出し、冷凍機で冷却し液化して再び冷媒供給管に供給するようにして、実装された半導体チップの熱を効率良く除去できるようにしたとされる冷却構造が知られている（特許文献６参照）。

このような冷却構造は、バーンイン装置のように冷却のためにデバイスを着脱する必要がないので、半導体チップとキャップとを接合しているので、この構造をバーンイン装置に使用することはできない。
特開平８−２１１１２２号公報（図１及び明細書の関連説明）特開平１１−２３１９４３号公報（図１及び明細書の段落２５）特開2000-97990号公報（図４及び明細書の段落３、４、図１、２及び明細書の関連説明）特開平４−３２１１１３号公報（図１及び明細書の関連説明）実開昭６１−１１４３７７号公報（図１及び明細書の関連説明）特開平４−６１２５９号公報（図１及び明細書の関連説明）

本発明は従来技術における上記種々の問題を解決し、簡単な構成で運転費用が安価で高発熱型の半導体デバイスのバーンインも可能なバーンイン装置を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、請求項１の発明は、平面状の一面を備えていて通電されると発熱してバーンイン温度より高い温度まで上昇し前記一面の温度が上昇する半導体デバイスを前記バーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置において、
前記冷却のための熱媒体になる液であって前記上昇するときの前記一面の温度より低い飽和温度を持つ液を加圧して供給可能にする液供給手段と、前記液が供給され減圧されて放出され微小粒になって前記一面に当たるように設けられた液放出手段と、を有することを特徴とする。

請求項２は、平面状の一面を備えていて通電されると発熱して目的とする温度より高い温度まで上昇し前記一面の温度が上昇する半導体デバイスを前記バーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置において、
前記冷却のための熱媒体になる液であって前記上昇するときの前記一面の温度より低い飽和温度を持つ液を加圧して供給可能にする液供給手段と、前記一面への圧接と該一面からの離間とが可能にされていて前記圧接時に前記一面を覆い該一面の熱を通過容易にするように設けられた分離部材と、前記液が供給され減圧されて放出され微小粒になって前記分離部材の前記一面の反対側面に当たるように設けられた液放出手段と、を有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明に加えて、前記一面が下方に向いていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は２の発明に加えて、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記液の流量を調整可能にする流量調整手段と、前記温度検出手段が検出した温度が前記バーンイン温度になるように前記流量調整手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の発明のうちの何れか１の発明に加えて、前記液は水であり、前記液供給手段は水供給手段であり、前記液放出手段は水放出手段であることを特徴とする。

以上の如く本発明によれば、請求項１の発明においては、平面状の一面を備えていて、通電されると発熱しバーンイン温度としての通常１５０℃程度の温度より高い温度まで上昇し、一面の温度がバーンイン温度に対応してその温度より１０℃程度低い温度まで上昇する半導体デバイスをバーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置が、一面の温度より低い飽和温度を持つ熱媒体の液を加圧して供給可能にする液供給手段を有していると共に、これから液が供給されるとその液が減圧されて放出され微小粒になって前記一面に当たるように設けられた液放出手段を有するので、半導体デバイスが作動したときに発生する熱量が大きくても、その熱量を除去することができる。

即ち、バーンインするときの一面の温度である上記１４０℃程度の温度より低い飽和温度の液を供給するので、液が一面から蒸発潜熱を吸収できること、この液の蒸発潜熱による除熱量は、従来の装置の冷却媒体である空気の除熱量より格段に大きいため、極めて冷却効果が大きいこと、加圧された液が、通常バーンイン装置が設けられる工場におけるバーンイン試験をする室の環境である大気圧環境の大気圧まで減圧されると、液放出手段を構成することができる噴霧器によってこの液を微粒化できること、そしてこのように液を微小粒にして一面に当たるように噴霧器のような液放出手段を設けているので、一面に当たったときには、液の微小粒であるミストが一面上で熱伝達率が最も大きくなる核沸騰状態になるため、その面上に存在する間に確実に蒸発すること、というような請求項１の発明の構成と作用効果との関連が生じ、結局、液の吸熱時の顕熱及び潜熱からなる大きな吸熱量により、半導体デバイスの発生させる大きな熱量を、一面を介して確実に除去し、高発熱型の半導体デバイスであっても、これをバーンインすることが可能になる。

請求項２の発明においては、請求項１の発明と同じ構成部分によって同じ作用効果が得られることに加えて、前記一面への圧接とこれからの離間とが可能にされていて圧接時に一面を覆いその熱を通過容易にするように設けられた分離部材を有するので、液が直接デバイスの一面に当たらないため、この面が液の衝突による影響を受けず、汚れたり変色するような可能性を確実に防止することができる。

この場合、上記の如く液の微小粒が直接一面に当たらないようにされているが、一面の熱がこれに圧接される分離部材の反対側面まで通過容易な構造にされるので、この反対側面の温度が一面の温度に近い温度まで上昇し、液を一面に直接当てるときと同様に前記反対側面に当てて流すことにより、液を蒸発させ、反対側面及び分離部材を介して一面から半導体デバイスの発熱量を必要なだけ除去することができる。

そして、分離部材により、液放出手段により液が微小粒となって当たることになる分離部材における一面の反対側面から半導体デバイスを含む電気構造部分を仕切ることができるので、液が蒸発しバーンイン装置内の空気が高湿度になり、この高湿度空気が、半導体デバイスを冷却するために通常囲い構造によって閉鎖される閉鎖空間の中で常温に近い囲い構造のうちの上部分で露点以下の温度まで下がって結露し、これが下方の電気構造部分の上に落下したり、場合によっては液の蒸発不足によって下方に液溜まりが生じる等により、短絡によって電気部分が誤作動したり、錆びが発生したり故障したりする等のおそれを完全に防止することができる。

請求項３の発明においては、一面が下方に向いている構成にするので、半導体デバイスが下向きに装着され、それにより、このデバイスが結合される電気構造部分をデバイスの上方に配置することができる。その結果、上記の如く、液の蒸発不足によって下方に液溜まりが生じる等の場合にも、短絡によって電気部分が誤作動したり、錆びが発生したり故障したりする等のおそれを防止することができる。

この場合、液の微小粒を上方に噴射させて下向きの半導体デバイスの一面に当てるが、液は十分高速で微粒子として放出されるので、重力による自然落下は問題にならない。従って、液が一面に当たったときに、瞬時に蒸発しなかった一部分のものも、自重によって落下する方向にまで動くことはなく、一面に到達したときの進行方向から曲がって一面に沿う方向に動き、その間に確実に蒸発することになる。

請求項４の発明においては、半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と液の流量を調整可能にする流量調整手段と温度検出手段が検出した温度が目的とする温度になるように流量調整手段を制御する制御手段とを設けるので、半導体デバイスが定常的作動状態になったときに、人の操作が不要になり、省力化が図られると共に運転時の信頼性を向上させることができる。

請求項５の発明においては、液として水を使用し、水供給手段と水放出手段とを設けるので、半導体デバイスの冷却では例を見ない水を熱媒体液にしたことによる極めて有利な種々の効果が得られる。即ち、水の潜熱を含む除熱量は、冷媒液のような熱媒体液の除熱量の数倍であるため、冷却効果が格段に大きく、高発熱デバイスの冷却に極めて有利であること、入手が容易で低価額で運転費用が低くなること、この場合、半導体デバイスの水の当たる一面をより清浄に保つために、水として純水を使用するとしても、半導体デバイス製造工場等では純水が容易に且つ安価に得られること、使用後の廃棄が容易であこと、冷媒液を使用する場合のように冷凍機が不要になり、装置構成が簡単になって装置コストが安くなること、等の諸効果を得ることができる。

なお、実装した半導体チップの冷却では、できるだけ高温状態を避けることが望まれるため、潜熱冷却を可能にするには蒸発温度の低い冷媒液を使用する必要があるが、バーンイン装置では、バーンイン温度が通常１５０℃程度で十分高いので、蒸発温度の高い水の使用が可能になる。請求項５の発明では、この点に着目し、バーンイン装置と水使用による高度潜熱冷却とを組み合わせたことにより、高発熱デバイスの確実な冷却を可能にしたことを含めて、上記のような多くの有利な作用効果を得ることができた。

図１は本発明を適用したバーンイン装置の全体構成の一例を示し、図２はこのバーンイン装置に使用される水放出手段としての噴霧器の構成例を示す。
本例のバーンイン装置は、平面状の一面として本例では上面１１を備えていて通電されると発熱して目的とする温度として本例ではほぼ１５０℃程度のバーンイン温度である温度ｔより高い温度まで上昇しこれに対応して上面１１の温度も上昇するように形成された半導体デバイスであるデバイス１を温度ｔにするように冷却可能な装置であり、水供給手段としての水供給系２、水放出手段としての噴霧器３、等を有する。

バーンイン装置の通常の構造部分としては、デバイス１を搭載するためのバーンインボード４１（以下単に「ボード４１」という）、これをバーンイン装置内に挿入及び抜き出しするためのガイド溝４２、ケース４３、中継ボード１００が電気的に結合されるコネクタ４４、等が設けられている。ボード４１は、プリント基板からなり、その上にソケット４５が取り付けられていて、先端には、コネクタ４４に着脱されるエッジコネクタ４１ａが形成されている。バーンイン試験装置としては、バーンイン装置に加えて、その外に配設され順次中継ボード１００に結合される図示しないドライバー／テストボード、中継ボード、コントロールボード等が準備される。そしてこれらにより、デバイス１に通電し必要な電気信号を与えてバーンインのためにデバイス１を作動させることができる。

なお、図では４個のデバイス１が搭載されるバーンイン装置の１段部分を示しているが、通常この部分と同じ構造のものが例えば５〜１０段程度の多段に積層された構造にされる。それぞれの段は、扉部分４３ａを含むケース４３と仕切板４６で囲われていて排気口４７が開けられただけの閉鎖空間４８にされている。第１段部分の下方は機械配置区画４９にされ、水供給系の主な機械部分はこの区画に設けられる。ケース４３は機械配置区画４９の部分を除いて断熱構造にされる。

多段でデバイス１も多数個搭載されるようなバーンイン装置では、ボード４１をコネクタ４４に機械的に着脱させる機構を設けるようにしてもよい。そのときには、プリント基板に補強構造部分が付加されて、この部分にコネクタへの着脱機構の係合部分が設けられることになる。

デバイス１は、通電時に３００Ｗ程度までの熱量を発生させる高発熱型のものであるが、通常のものと同様に、図３（ａ）に示すピン１２を周囲に多数個備えていて、バーンインボードに着脱するときにはそれらがソケット４５に着脱される構造になっている。前記上面１１は、放熱しやすいように銅にニッケルメッキをしたような伝熱性のよい金属でできていて、例えば４cm角程度の広い平坦な面になっている。下面１３は通常耐熱樹脂製である。

このような高発熱型のデバイス１には、温度管理の重要性から温度センサ１４を内蔵した構造のものがある。その場合には、センサ１４は、多数個のピン１２の中の適当なものと接続され、ボード４１のプリント配線を介して前記図示しないコントロールボードから外部配線として取り出され、温度表示や温度制御用として使用される。温度センサ１４がデバイス１に内蔵されていない場合には、図（ｂ）に示す如く、ピン１５ａと一体になった仮温度センサ１５を下面１３に取り付け、これらを同様にボード４１のプリント配線に接続するような構造にされる。

水供給系２は、冷却のための熱媒体になる水を加圧して供給可能にする手段であり、ポンプ２１、タンク２２、元弁２３、全段共通系２４、個別弁２５、個別系２６、等を備えていて、圧力水を噴霧器３に供給する。水としては、純水を使用することが望ましく、通常そのようにされる。なお、半導体製造工場では純水を多用していて、安価に調達されるようになっている。タンク２２は、例えば０．５MPaG程度の圧力タンクにされることが望ましい。そのためポンプ２１は、タンク２２の水面を一定範囲のレベルに維持するように通常自動発停されている。なお、タンク２２を大気開放のヘッドタンクにして、ポンプ２１をタンク２２の後流位置に設けるようにしてもよい。

水としては通常常温の水が使用されるが、水供給系２に熱交換器を設けて、供給する水の温度を適当な温度にすることも可能である。例えば、加熱器を設けて水を加熱してその温度を８０℃程度に自動又は手動で調整するようにしてもよい。そのようにすれば、後述するようにミストを発生させてこれをデバイス１に当ててこれを冷却する場合に、水による顕熱冷却効果は低下するが、水温が飽和温度に近づいているため、デバイス１に当たったときに容易に完全に蒸発し、確実に潜熱冷却効果が得られ、ミストの蒸発不足に伴う不具合の発生を防止することができる。

噴霧器３は、水が水供給系２から供給され減圧されて放出され微小粒になってデバイス１の上面１１に当たるように設けられた手段であり、図２にその概略構造の一例を示すように、水入口３１、水出口３２、これらが形成されている筒体３３、水量を調整可能にするニードル弁３４、調整ネジ３５及び調整ノブ３６、等で構成されている。なお、噴霧器３としては、ニードル弁３４等を備えず、出口３２の部分を固定のノズル又はオリフィスにしたような他の構造のものを使用することができる。

以上のようなバーンイン装置は次のように運転され、その作用効果を発揮する。
デバイス１のバーンイン試験をするときには、まず水供給系２が運転される。水供給系２では、ポンプ２１が自動運転され、タンク２２には水位が図１に示すような位置を中心として一定の高低レベルの範囲内になり、圧力が０．５〜０．６MPaG程度の範囲になるように水が供給される。この水は、例えば半導体製造工場の純水配水ラインから取水され、通常ほぼ常温になっている。水供給系２の個々のデバイス毎に設けられている個別弁２５は、何れの噴霧器にも同程度の水量が供給される開度に予め調節される。デバイス１の発熱量が同じでない場合にはそれぞれの発熱量に対応して調節される。

次にデバイス１をボード４１に取り付けられられているソケット４５に装着し、このボード４１の幅Ｘ方向の両端をガイド溝４２に嵌め込み、これに沿わせてボード４１を奥行きＹ₁方向に挿入し、先端のエッジコネクタ４１ａをコネクタ４４に差し込む。これにより、デバイス１は、順次、ボード４１、中継ボード１００、図示しないドライバー／テストボード及び中継ボードを介してコントロールボードに接続される。

以上のような操作によりバーンイン試験を実施可能な状態になり、試験装置を操作してデバイス１に給電し、必要な電気信号を与えてデバイス１を作動状態にする。デバイス１が作動状態になると、最大３００Ｗ程度の電力を消費し、この電力に対応して熱が発生し、デバイス１は最初の常温状態から次第に昇温する。

水を供給してミストによる冷却を開始する時期は、通常デバイス１に組み込まれている温度センサ１４の検出温度ｔａ又はデバイス１に仮に取り付けられた仮温度センサ１５の検出温度ｔａ₁により判断される。即ち、例えばｔａが１３０℃程度又はｔａ₁が１１０℃程度になると、デバイス１の上面１１の温度として平均温度ｔｆが１００℃を超えるようになる。ｔｆが１００℃を超えるようになった後には、デバイス１に水を供給すると、水が蒸発して大きな潜熱冷却作用が生じるので、これを可能にするように、ｔａ又はｔａ₁の温度を判断する。

なお、デバイス１が同じものであれば、この時期はデバイスへの通電開始からほぼ一定の時間Ｔ₁になるので、バーンイン装置の製造工場やデバイスの製造工場におけるバーンイン試験において予めＴ₁を測定し、そのＴ₁により、人の操作やタイマ等により元弁２３を開くようにしてもよい。

前記の如くｔｆが１００℃を超えるようになると水の元弁２３を開く。このときの弁開度は１／２〜３／４程度にされる。水の元弁２３を開くと、水は、噴霧器３の水入口３１から器内に入り、ニードル弁３４でノズル状に十分狭くなった水出口３２の部分で５MPaG程度の圧力から外の大気圧まで減圧されて水出口３２から高速で噴出し、放射状に広がって細粒化し、本例の装置では直径５０〜１００ミクロン程度の水の微小粒（以下仮に「ミスト」という）となり、図４に示す上面１１のうちの直径ｄの円の面積内に当たる。

この直径ｄは、図４（ｂ）に示す如く、デバイス１の一辺ａ＝４０mmの正方形の上面１１において、ａの１／２程度より大きいことが望ましく、水の流量、噴霧器３の構造や大きさや種類、その設置位置、ミストの粒径、等によって定まり、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、例えばｄ＝３ａ／４程度になるように諸条件が選択される。そのようにすれば、上面１１の相当部分にミストが当たる。

このとき、上面１１の平均温度ｔｆが１００℃を超える温度になっているので、微細なミストは上面１１からの熱伝達によって直ちに昇温し蒸発する。又、上面１１に当たって瞬間的に蒸発しなかったミストは、図４（ａ）、（ｃ）のように上面１１に沿った速度成分により、同図（ｂ）、（ｄ）に示すように直径ｄの円の面積内からその周囲に放射状に移動し、その移動過程で表面１１から吸熱し、表面１１上で完全に蒸発することになる。なお、噴霧器３の設置位置を上面１１に直角な方向である上下方向に手動又は自動で位置調整し、ｄの範囲をある程度調整できるような構造を採用することも可能である。

上記のようなミストの冷却作用により、３００Ｗで発熱するデバイス１の温度上昇の程度は緩和されるが、元弁２３の開度が全開でないので、デバイス１は継続して昇温する。そのため、ｔａがバーンイン温度であるｔ＝１５０℃に接近して例えば１４５℃になると、元弁２３を全開にする。この操作により、一定時間が経過するとｔａがｔになり、その状態でデバイスの発熱量とミストの除熱量とがバランスし、以後、デバイス１をほぼこのバーンイン温度ｔに維持した運転状態を得ることができる。なお、個別弁２５は、元弁２３を全開したときにデバイス１をｔにするだけの水を供給するように予め開度調整されている。

このようなミストの蒸発熱を利用した冷却によれば，仮にミストが常温の２０℃から１００℃になって蒸発し、このときの水の温度上昇時の顕熱及び蒸発潜熱によって発熱量３００Ｗのデバイスの全発熱量を除去するとすれば、蒸発潜熱が大きいため、必要な水量は約０．４５kg／hrになり、仮に1 台のバーンイン装置で２０個の高発熱型デバイスをバーンインするとしても、必要水量は９kg／hrという僅かな量になる。そして、従来の空気冷却では対応できなかった３００Ｗにもなる高発熱デバイスの過大な熱量を除去し、デバイスをバーンインするときの１５０℃程度の目的とする温度に維持した運転をすることができる。

デバイス１の内部温度ｔをほぼ１５０℃に維持するという定常的なバーンイン運転は４８時間程度継続される。このような定常運転においても、運転環境の変動等によって温度ｔが不可避的に変動するので、その変動が一定範囲を超えないようにして精度の良いバーンイン試験をする必要がある。そのため、元弁２３又は個別弁２５の開度を調整して増減させる。この調整では、弁開度を僅かに増減させればよいので、噴霧器３に供給される水の圧力の変動は小さく、従って出口３２から噴出する水の粒子の大きさも大きく変動することはない。

バーンイン時間が経過して試験を終了するときには、デバイスへの供給電力を下げて行き、最終的には通電を停止する。このときには、ｔａが大幅に低下して行くので、それに対応して元弁２３を閉鎖する。１回のバーンイン試験が終了すると、エッジコネクタ４１ａをコネクタ４４から引き抜いてバーンインボード４１をバーンイン装置から抜き出し、デバイス１をソケット４５から取り外す。このような試験を繰り返し、最終的にバーンイン試験を終了するときには、ポンプ２１の運転を停止する。

図５は本発明を適用したバーンイン装置の他の例を示す。
本例のバーンイン装置は、デバイス１の上面１１への圧接とこれからの離間とが可能で圧接時に上面１１を覆いこの面の熱を通過容易にするように設けられた分離部材５を有する。上記において圧接と離間とが可能で圧接時に上面１１の熱を通過容易にする分離部材の取付構造部６としては、本例では、分離部材５の周囲に取り付けられこれを囲う囲い部材としてのベローズ６１、これが取り付けられた剛性の高い支持板６２、これをバーンインボード４１に固定可能にすると共にデバイス１と閉鎖空間４８とを仕切るように取り付けられた側板６３、足板６４、足板６４が差し込まれるとこれを押さえて固定するようにバーンインボード４１に取り付けられた止め部材６５、側板６３を拘束しないようにこれと分離していて同様に仕切るように取り付けられた前後板６６、等が設けられている。支持板６２には、Ｘ方向の曲げ剛性を高めるために必要に応じて同図（ｂ）に二点鎖線で示す横桁６７が取り付けられる。

本例の装置では、噴霧器３は、前記分離部材５の面のうちデバイス１の上面１１とは反対側の反対側面５ａに当たるように設けられる。分離部材５は、熱の通過を容易にするように通常銅やアルミニウム等の熱伝導率のよい金属でできていて、その厚みが例えば１mm程度以下の薄肉板にされる。薄肉板は、平面板にされるか、又は図６（ａ）に示す如く、上面１１に適当な力で押しつけられたときにほぼ完全な平面になるように上面１１側に僅かに凸状になった曲面板にされる。

分離部材５が曲面板にされるときには、例えば０．１mm程度の特に薄肉の金属にされるが、金属よりも変形容易な耐熱樹脂等を使用して、曲面の曲率をより小さくした形状にされてもよい。分離部材５が曲面にされる場合には、囲い部材をベローズのように伸縮自在な部材でなく、図６（ｂ）に示すように単なる板材６８にすることも可能である。このような曲面状の分離部材５では、圧接時に中央側が大きく変形して圧接力が大きくなり、デバイスの上面１１のうち周囲からの放熱がなく温度が高くなる中央部分を効果的に冷却することができる。

側板６３は、足板６４を止め板６５に差し込んで取付構造部６をバーンインボード４１に取り付けたときに、ベローズ６１を圧縮し、デバイス１の熱が上面１１から分離部材５に良好に伝達されるように分離部材５に上面１１に対する必要な圧接力を付与するような寸法にされる。又側板６３は、足板６４を止め板６５に差し込み容易にするようにある程度曲がり易いものにされる。

以上のような分離部材５及びその取付構造部６は次のように使用されてその作用効果を発揮する。
バーンイン試験をするときに４個のデバイス１をバーンインボード４１に装着すると、分離部材５が下方に突出して取り付けられた取付構造部６を分離部材５が４個のデバイス１に接触するように置き、上からベローズ６１を圧縮しつつ側板６３の先端側をＸ方向に狭めた後復元させ、足板６４を止め板６５の中に差し込む。

この操作により、分離部材５がベローズ６１の弾性力によってデバイスの上面１１に圧接し、取付構造部６もバーンインボード４１に装着されたことになる。このような操作は容易である。なお、図５（ｃ）に示す如く、足板６４に傾斜部６４ａを設けると、側板６３及び足板６４は、これらを上から押さえるだけの操作により、傾斜部６４ａを図の二点鎖線で示すように移動させつつ足板６４を止め板６５の下に差し込むことができ、操作が更に容易になる。なお、傾斜部は止め板６５側にあってもよい。

この後の操作は図１の装置のときと同じである。本例の装置によれば、噴霧器３から噴射されたミストがデバイスの上面１１に直接当たらないが、上面１１の熱が分離部材５の上面まで通過容易な構造にされているので、この上面の温度がデバイスの上面１１の温度に近い温度まで上昇し、ミストを図１のときと同様に分離部材の上面になる反対側面５ａに当てて流すことにより、ミストを昇温させて蒸発させ、反対側面５ａ及び分離部材５を介してデバイスの上面１１からデバイスの発熱量を必要なだけ除去することができる。

一方、ミストが直接デバイスの上面１１に当たらないため、上面１１がミストの衝突による影響を受けず、上面１１が汚れたり変色する可能性を確実に防止することができる。又、デバイス１、ソケット４５、バーンインボード４１等の電気構造部分へのミストの影響をなくすることができる。

即ち、ミストが蒸発しこれを含有した閉鎖空間４８内の雰囲気が高湿度になり、この高湿度空気が、排気口４７から排出されるまでに、閉鎖空間４８の中で温度の低い仕切板４６のうちの天井になる上仕切板４６ａで部分的に露点以下の温度まで下がって結露し、これが下方の電気的構造部分の上に落下したり、場合によっては直接電気構造部分に結露したり、ミストの蒸発不足によって下方に水溜まりが生じる等により、短絡によって電気部分が誤作動したり、錆びが発生したり故障する等のおそれを完全に防止することができる。

分離部材５をデバイスの表面１１に圧接させる構造としては、図６（ｃ）〜（ｆ）や図７に示す如く、他の適当な構造を用いることができる。図６（ｃ）では、分離部材５をデバイス１の上面１１に圧接させためのベローズ６１の弾性力が不足する場合に、これを補助するために圧縮バネ６９ａを追加している。（ｄ）では、分離部材５を囲う囲い部材をベローズに代えて板材６８とし、分離部材５を引っ張りバネ６９ｂで引っ張って上面１１に圧接させるようにしている。このような圧接構造を採用すれば、分離部材を必要十分な力で上面１１に圧接させることができ、これらの間の熱伝達性を一層良くすることができる。

なお図６（ｅ）では、分離部材５に棒状の放熱フィン５ａを固着させている。このようにすれば、デバイス１の冷却性能を更に良くすることができる。又、同図（ｆ）では、噴霧器３の高さ位置を少し高くしたり噴霧角度を広くすることにより、ベローズ７１にもミストがかかるようにしている。このようにすれば、ベローズ６１が熱交換面積の拡大された放熱体としての作用をすることになり、デバイス１の冷却効果を向上させることができる。

図７は分離部材５をデバイスの上面１１に機械力で圧接させる構造の一例を示す。
この例では、支持板６２に取り付けられた横桁６７をＸ方向にケース４３の外側まで延長し、その両端部分を上下Ｚ方向に伸びた軸７０に連結し、軸７０を縦方向に適当にガイドしつつその上端からバネ７１で吊り下げ、その下端位置をシリンダ機構のような縦移動装置７２でＺ方向に移動可能にした構造にしている。なお、軸７０を個別に縦移動装置７２で上下移動させるのではなく、片側の軸又は全ての軸７０と結合されＺ方向に移動案内される平面枠を設けて、これを両端に各１台又は全体に１台設けられる縦移動装置７２で上下移動させるようにしてもよい。

取付構造部６をこのような装置にすれば、バーンイン試験をするときには、通常の装置の場合と同様にボード４１にはデバイス１だけを着脱し、ボード４１をバーンイン装置、バーンインラック等試験エリアに取り付けた後縦移動装置７２を作動させるだけの操作により、分離部材５を上面１１に圧接させることができる。従って、分離部材の圧接又は圧接解除の作業を一層容易にすることができる。

図８は本発明を適用したバーンイン装置の更に他の例を示す。この図では、図１と同じ構造部分の符号の一部分を省略している。
本例の装置では、図８（ａ）に示す如く、これまでの装置と同様に噴霧器３が構造体であるケース４３と仕切板４６によって囲われた空間である閉鎖空間４８の中に設けられていると共に、デバイス１の上面１１が下方に向いている。

デバイス１の上面１１が下方に向いている装置にするために、図１（ａ）の閉鎖空間４８内及びその中のものを上下反転させて配置した構造にしている。即ち、バーンインボード４１は仕切板４６のうちの上仕切板４６ａの下の位置で表裏反転していて、その表面側に下向きにソケット４５が取り付けられこれにデバイス１が装着され、デバイス１の上面１１は下方に向いていて、その下方に噴霧器３があり、下方に向いた上面１１に対して上方にミストを噴射させるように噴霧器３も上下反転している。

本例の装置も図１の装置と全く同様に運転され、同じ作用効果を発生させる。即ち、本例の装置はミストを上方に噴射させて下向きの上面１１に当てるが、ミストは比重が大きい水であっても微小粒径になっていてそれぞれの粒は十分軽量であり高速で上面１１に当たるので、それらの動きに対して自重は殆ど関係しない。従って、ミストが上面１１に当たったときに、瞬時に蒸発しなかったものも、自重によって落下する方向に動くことはなく、噴射されたときの進行方向から曲がって上面１１に沿う方向に動き、その間に確実に蒸発することになる。

又、冷却される上面１１が下方になるが、デバイス１の発熱時の熱は伝導によって移動し対流の影響は殆どないので、上下方向は熱移動に関係せず、従って冷却効果については図１の上面１１を上から冷却するときと全く同じである。

そして本例の装置によれば、図５に示す分離部材５及びその取付構造部６を設けない場合でも、図５の装置に近い作用効果が得られる。即ち、上仕切板４６ａは高湿空気の当たらないバーンインボード４１の上の位置になり、この板面に結露水が付着することがなくなるので、電気構造部分への結露水の落下の問題が解消され、又、運転開始時に噴霧器３から噴射された水がミストにならず水滴として落下したりミストが完全に蒸発せず下に溜まるようなことがあったとしても、仕切板４６のうちの床になる下仕切板４６ｂの上に溜まることになるので、短絡等によって電気部分が誤作動したり故障したりこの部分に錆びが発生するような問題はほぼ完全に解消される。

図９（ｂ）は、デバイス１を目的とする温度にするように冷却するときにケース４３及び仕切板４６の温度より低い温度に冷却される冷却構造体としての冷却プレート８が設けられた例を示す。この冷却プレート８は、閉鎖空間４８内の温度環境によって常温より高い温度になっているケース４３及び仕切板４６よりも低い温度になるように、図示しない水冷配管又は簡単な冷凍機の冷媒配管によって冷却される。

このような冷却プレートを設けると、閉鎖空間４８内の高湿度空気から水蒸気を凝縮させ、空間内の高湿度状態を解消させ、電気関係部品への結露を防止してこれらを一層良好な状態に維持することができる。

図９はバーンイン装置を自動化するときの構成例を示す。
本例の装置は、デバイス１の温度を検出する温度検出手段として図３にも示した温度センサ１４、水の流量を調整可能にする流量調整手段としての電動個別弁２７（以下「弁２７」という）、温度センサ１４が検出した温度ｔａが目的する温度としてバーンインするときのデバイス１の設定温度ｔｓになるように弁２７を制御する制御手段としての温度調節器９、等を有する。温度調節器９はデバイス温度制御装置Ｃに組み込まれている。

温度センサ１４の信号は、前記の如くデバイス１からソケット４５、バーンインボード４１から中継ボード等を介して図示しないコントロールボードから取り出されるが、図では仮にバーンインボード４１から取り出されるように示している。弁２７は、パルス信号が与えられることによってそれに対応して回転する図示しないモータで駆動される。

設定温度ｔｓは、デバイス温度制御装置Ｃに設けられた温度設定器Ｃｓで任意の温度に設定可能にされていて、例えば１５０℃にされる。このｔｓは温度調節器９に送信される。なお、デバイス１が温度センサ１４を内蔵していない場合には、温度検出手段として図３に示した仮温度センサ１５を取り付け、その検出温度ｔａ₁が設定温度ｔｓ₁になるように制御する。その場合には、予め別の試験等によってｔｓ₁とｔｓとの対応を明らかにしておく。温度調節器９は、デバイスごとに設けられる温度センサ１４に対応して９−１から９− nまで例えば２０個のデバイス１ごとに設けられる。

このような制御装置によれば、長時間連続して行われるバーンイン試験において、図１に示す装置の場合の個別弁の事前開度調整を含めて人の操作が不要になって省力化が図られると共に、自動運転によって運転時の信頼性を向上させることができる。又、電動個別弁２７の開度を個々に制御しているので、２０個のデバイス１が全て同じものでなく、その中に種々の異なった発熱量のデバイスが存在していても、それぞれの弁２７の開度が自動調整されることにより、対応するデバイスの冷却に必要な水量を供給することができる。従って、発熱量の異なった各種デバイスを１つのバーンイン装置で試験できることになり、装置の利用性が良くなる。この場合、デバイスによってバーンインすべき温度が異なるときには、温度設定部Ｃｓにより、同じ設定温度ｔｓでなく、デバイスに対応して異なった設定温度ｔｓｉを対応する温度調節器９−ｉに与えるようにする。

なお以上では、熱媒体として水を使用する例について説明したが、熱媒体としては、例えば蒸発温度が−２０℃程度のパーフルオロカーボン等の飽和温度の低い適当な冷媒等を使用することができる。その場合には、図１、図５及び図８に示す水供給系２及び水放出手段である噴霧器３は液供給系及び液放出手段である噴霧器３になる。そして、冷媒液は、水供給系２の全段共通系２４及び個別系２６から図２に示す噴霧器３の水入口３１に入れることになる。

供給された冷媒液はデバイス１の発熱を吸収して蒸発し、冷媒蒸気となって図１等に示す排気口４７から排出されるが、これを回収することが望ましい。その場合には、周知の冷凍装置を設けて、回収した冷媒蒸気を再び冷媒液にして供給することになる。このように蒸発温度の低い冷媒液を使用すれば、装置構成は複雑になるが、デバイス１との温度差が大きくなるため、冷媒液をより確実に完全に蒸発させることができる。

本発明は、半導体デバイスのうち特に発熱量の大きいもののバーンイン試験に好都合に適用される。

本発明を適用したバーンイン装置の全体構成の一例を示す説明図で、（ａ）及び（ｂ）は内部の正面及び平面状態を示す。上記装置に用いられる噴霧器の一例を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は上記装置で冷却されるデバイスの一例を示す説明図である。（ａ）乃至（ｄ）はデバイスにミストが当たる状態を示した説明図である。本発明を適用したバーンイン装置の他の例の全体構成を示す説明図で、（ａ）及び（ｂ）は内部の正面及び平面状態を示し（ｃ）は取付構造部の装着時の状態一例を示す。（ａ）乃至（ｆ）は分離部材の圧接構造の他の例を示す説明図である。圧接構造を機械化した例の説明図で、（ａ）及び（ｂ）は内部の正面及び平面状態を示す。（ａ）及び（ｂ）は本発明を適用したバーンイン装置の他の例の全体構成を示す説明図で共に内部の正面状態を示す。本発明を適用したバーンイン装置の制御系の説明図である。

符号の説明

１デバイス（半導体デバイス）
２水供給系（水供給手段）
３噴霧器（水放出手段）
５分離部材
５ａ反対側面
９温度調節器（制御手段）
１１上面（一面）
１４温度センサ（温度検出手段）
１５仮温度センサ（温度検出手段）
２７電動個別弁（流量調整手段）
ｔ温度（バーンイン温度）
ｔｓ設定温度（バーンイン温度）

Claims

平面状の一面を備えていて通電されると発熱してバーンイン温度より高い温度まで上昇し前記一面の温度が上昇する半導体デバイスを前記バーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置において、
前記冷却のための熱媒体になる液であって前記上昇するときの前記一面の温度より低い飽和温度を持つ液を加圧して供給可能にする液供給手段と、前記液が供給され減圧されて放出され微小粒になって前記一面に当たるように設けられた液放出手段と、を有することを特徴とするバーンイン装置。
平面状の一面を備えていて通電されると発熱して目的とする温度より高い温度まで上昇し前記一面の温度が上昇する半導体デバイスを前記バーンイン温度にするように冷却可能なバーンイン装置において、
前記冷却のための熱媒体になる液であって前記上昇するときの前記一面の温度より低い飽和温度を持つ液を加圧して供給可能にする液供給手段と、前記一面への圧接と該一面からの離間とが可能にされていて前記圧接時に前記一面を覆い該一面の熱を通過容易にするように設けられた分離部材と、前記液が供給され減圧されて放出され微小粒になって前記分離部材の前記一面の反対側面に当たるように設けられた液放出手段と、を有することを特徴とするバーンイン装置。
前記一面が下方に向いていることを特徴とする請求項１に記載のバーンイン装置。
前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記液の流量を調整可能にする流量調整手段と、前記温度検出手段が検出した温度が前記バーンイン温度になるように前記流量調整手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のバーンイン装置。
前記液は水であり、前記液供給手段は水供給手段であり、前記液放出手段は水放出手段であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１に記載のバーンイン装置。