JP4426396B2

JP4426396B2 - 冷却装置

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Inventors: 和広中村; 哲也嶋田; 克彦渡部
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Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
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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目的とする温度にするように冷却可能な冷却装置に関する。

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。

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キャップを被せて、これらの間をベローズで仕切り、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キャップに伝達された熱を冷媒粒子が吸収して蒸発し排出口から排出され、冷凍機で冷却され液化されて再び冷媒供給管に供給されるようにして、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冷却構造が知られている（特許文献６参照）。

この冷却構造によれば、冷媒液を微粒化するので、冷媒液が核沸騰に近い状態で沸騰するため効率良くチップの熱を除去できるとされている。しかしながら、液だけを圧力を上げてノズルの先端から噴出させても、液を微粒化できる程度は限られている。そのため、チップの発熱で昇温したキャップに冷媒液が触れたときに、これを瞬時的に蒸発させ核沸騰状態にするためには、キャップ表面の温度と冷媒液の温度との差を大きくする必要がある。そのため、上記文献では、使用する冷媒液として沸点が２０℃程度より低いパーフルオロカーボンを例示している。

しかしながら、使用する熱媒体がこのような低沸点冷媒に限られるとすれば、使用可能な熱媒体の種類が限定されると共に、例えば水のように低価額で廃棄容易な熱媒体を使用することができなくなり、又、冷凍機が必要になって装置構成が複雑化すると共に装置コストが高くなるという問題がある。

又、冷却作用の大きい潜熱冷却をする一種類の冷媒のみを使用する場合には、デバイスの発熱による昇温が過渡状態にある運転開始時に、液を供給すると、液が微小粒子状であっても、デバイスの発熱量不足によって冷却面に液溜まりが生じ、昇温後の定常的な核沸騰状態への移行が円滑に行われないという問題がある。この場合、液冷媒だけを圧力噴射させているので、圧力を下げて冷媒噴射量を減らすと液が微粒化しなくなるため、液量の調整可能な範囲が狭く、昇温過程で供給液量を少なくすることができないという問題もある。更に運転終了時の液溜まりの問題もある。

又、実装された半導体チップを冷却する場合には、チップの動作信頼性が得られチップの耐久性を維持できる程度にチップを適当に低い温度にすればよいので、定常運転中にはほぼ一定流量の一種類だけの液冷媒を使用してもよい。しかし、冷却装置を高発熱デバイスのバーンインにも使用可能にするとすれば、デバイス内部の温度を通常１５０℃程度に維持した運転をする必要があるため、上記のように流量調整範囲の狭い冷媒供給構造では、精度の良い温度制御ができないという問題がある。
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、簡単な構成で装置及び運転費用が安価で高発熱デバイスのバーンインも可能な冷却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大気圧下で前記バーンイン温度にするように冷却可能な冷却装置において、圧縮空気を供給可能な圧縮空気供給手段と、前記冷却のための熱媒体になる水であって前記大気圧下で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水を供給可能な水供給手段と、前記圧縮空気と前記水とが供給されて前記水が前記圧縮空気と混合されると前記大気圧下にある前記一面に向かって放出され微小粒になって放射状に広がって前記一面の一定範囲の部分に当たるように設けられた噴霧器と、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記水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、を有し、
前記流量調整手段は、前記水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と前記圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は、前記半導体デバイスが通電された初期に温度上昇するときには前記圧縮空気流量調整弁を一定開度で一定時間開くように制御することを特徴とする。

請求項２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大気圧下で前記バーンイン温度にするように冷却可能な冷却装置において、
圧縮空気を供給可能な圧縮空気供給手段と、前記冷却のための熱媒体になる水であって前記大気圧下で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水を供給可能な水供給手段と、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、前記圧縮空気と前記水とが供給されて前記水が前記圧縮空気と混合されると前記大気圧下にある前記分離部材の前記一面の反対側面に向かって放出され微小粒になって放射状に広がって前記反対側面の一定範囲の部分に当たるように設けられた噴霧器と、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記水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、を有し、
前記流量調整手段は、前記水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と前記圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は、前記半導体デバイスが通電された初期に温度上昇するときには前記圧縮空気流量調整弁を一定開度で一定時間開くように制御することを特徴とする。

請求項１の発明では、前記一面が下方に向いている構造にすることができる。
請求項３の発明は、請求項２の発明に加えて、前記分離部材は、中央部分から前記一面に接触し該一面に圧接されると平面になるように前記一面の側に凸曲面状の薄肉板で形成されていることを特徴とする。

請求項１又は２の発明では、前記流量調整手段は前記水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と前記圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は前記水の流量と前記空気の流量との比率を変えるように前記水流量調整弁と前記圧縮空気流量調整弁とを制御する構成にすることができる。

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より高い温度まで上昇し一面の温度が上昇する半導体デバイスを大気圧下でバーンイン温度にするように冷却可能な冷却装置が、圧縮空気を供給可能な圧縮空気供給手段と冷却のための熱媒体になる水であって一面の温度が大気圧下で上昇するときのその一面の温度より低い飽和温度を持つ水を供給可能な水供給手段とを有していると共に、これらから圧縮空気と水とが供給されて水が圧縮空気と混合されると、この水が大気圧下にある一面に向かって放出され微小粒になって放射状に広がって一面の一定範囲の部分に当たるように設けられた噴霧器を有するので、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、熱媒体となる水の飽和温度を一面の温度より低い温度にすることにより、水が一面から蒸発潜熱を吸収できるようにしていること、半導体デバイスを冷却する熱媒体として空気の他に水が加わると、水は、空気に較べて比重及び比熱が十分大きいと共に蒸発するときに吸熱可能な十分大きい潜熱を持っているので、体積流量が少量であっても、多量の熱を吸収できること、その結果、少量の水を多量の空気と混合させ、それによって水を微粒化できること、このように水を微小粒にして一面に到達可能なようにしているので、一面に到達したときには、微小粒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、水は、微小化していてもこれを混合している空気よりも格段に比重が大きいので、その一面に向かう速度成分により、空気流が偏向するときでもほぼ確実に一面に到達すること、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、水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することができる。

又、除熱量の小さい空気と除熱量の大きい水とを供給可能にするので、半導体デバイスを作動させた初期でその発熱量が小さい間には、直ちに水を供給して過大に冷却することによってバーンイン温度への到達時間を不必要に遅らせ、発熱と除熱との安定した比率を得て安定してバーンイン温度が得られるようになる時間を大幅に遅らせることなく、除熱量の小さい空気を最初に供給することにより、発熱による半導体デバイスの急激な温度上昇を抑制して適当な昇温状態になるようにし、初期状態から水を使用した定常発熱・定常除熱の状態に円滑に移行させることができる。

又、半導体デバイスの作動の停止時には、バーンイン温度以下になると水の供給を停止し、空気の供給だけを継続させ、水の蒸発によって相当の湿り状態になっている周囲の雰囲気を発熱を利用して乾燥状態に復元させることができる。

又、水を微小化し半導体デバイスの一面において最も熱伝達率の高くなる核沸騰状態にするので、一面との間で大きな温度差がなくても半導体デバイスの発生させる熱を除去することができる。

又、除熱量の小さい空気と大きい水とを供給可能にするので、これらの供給量を組合せて調整することにより、半導体デバイスを早く且つ精度良くバーンイン温度にすることができる。

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、空気及び水が直接デバイスの一面に当たらないため、この面が空気や水の衝突による影響を受けず、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。

この場合、上記の如く噴霧器から供給され半導体デバイスの一面に到達可能な空気及び水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、空気及び前記微小粒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、空気及び微小粒を昇温させ微小粒を蒸発させ、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、噴霧器により水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、水が蒸発しこれを含有した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、噴霧器が使用される初期に水が微小粒にならない状態で下方に落下したり、場合によっては水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１の発明において、一面が下方に向いている構成にすると、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、結露水や噴霧器の使用初期に微小粒にならなかった水が下方に落下したり、水の蒸発不足によって下方に水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、空気及び水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、空気の比重は十分小さく、水は比重が大きく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の空気流れの中に存在することになるので、それらの動きに対して自重は殆ど関係しない。従って、水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３の発明によれば、請求項２の発明に加えて、分離部材が、中央部分から一面に接触し一面に圧接されると平面になるように一面の側に凸曲面状の薄肉板で形成されているので、更に冷却効果を良くすることができる。

請求項１又は２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水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バーンイン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。

この場合、水を空気と混合させて微小粒にしているので、水の流量を変えても微小粒の大きさはそれ程変化しない。その結果、水が確実に蒸発するので、水の流量の制御状態が良く、従って精度良く半導体デバイスをバーンイン温度にすることができる。

流量調整手段が水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とで構成されていて、制御手段が、水の流量と空気の流量との比率を変えるように水流量調整弁と圧縮空気流量調整弁とを制御するように構成すれば、細かく熱量を調整できる圧縮空気の使用によってバーンイン温度をより精度良く調整することができる。

請求項１〜３の発明においては、目的とする温度が半導体デバイスをバーンインする温度であるときに、水を熱媒体液にした構成にするので、液を容易且つ安価に得ることができる。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。又、水を液にするときにはその廃棄も容易になる。

一方、バーンイン試験では半導体デバイスに過酷な温度条件を与えるため、バーンイン温度は１５０℃程度又はそれ以上にされるので、半導体デバイスの一面の温度は１００℃以上になる。そのため，大気圧下での蒸発温度が１００℃の水であっても、その微小粒が前記一面に接触すると沸騰し、半導体デバイスの発熱を除去することができる。そしてこの場合、水は液の中で通常比重及び比熱が最大で蒸発潜熱は他の液の数倍以上であるため、高発熱型の半導体デバイスをバーンインするときの液として最適である。
請求項１〜３の発明においては、流量調整手段は、水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は、前記半導体デバイスが通電された初期に温度上昇するときには前記圧縮空気流量調整弁を一定開度で一定時間開くように制御するように構成されているので、半導体デバイスの急激な温度上昇を緩和し、水冷却主体の冷却に円滑に移行させることができる。

図１は本発明を適用した冷却装置の全体構成の一例を示し、図２はこの冷却装置に使用される気液混合手段としての噴霧器の構成例を示す。
本例の冷却装置は、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目的とする温度として本例ではほぼ１５０℃程度の温度ｔより高い温度まで上昇して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冷却装置としてデバイス１のバーンインに用いられる装置であり、圧縮空気供給手段としての空気供給系２、液供給手段としての水供給系３、気液混合手段としての噴霧器４、等を有する。

冷却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５１（以下単に「ボード５１」という）、これを冷却装置内に挿入及び抜き出しするためのガイド溝５２、ケース５３、中継ボード１００が電気的に結合されるコネクタ５４、等が設けられている。ボード５１は、プリント基板からなり、その上にソケット５５が取り付けられていて、先端には、コネクタ５４に着脱されるエッジコネクタ５１ａが形成されている。バーンイン試験装置としては、冷却装置に加えて、冷却装置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が搭載される冷却装置の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５３ａを含むケース５３と仕切板５６で囲われていて排気口５７が開けられただけの閉鎖空間５８にされている。第１段部分の下方は機械配置区画５９にされ、水及び空気供給系の主な機械部分はこの区画に設けられる。ケース５３は機械配置区画５９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冷却装置では、ボード５１をコネクタ５４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５５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。なお、図３に示す形状や構造とは異なった形状や構造のデバイス１に対しても本発明を適用できることは勿論である。

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５１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３（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５１のプリント配線に接続するような構造にされる。

圧縮空気系２は、圧縮空気を供給可能な手段であり、空気圧縮機２１、空気タンク２２、空気元弁２３、全段空気共通系２４、個別空気弁２５、個別空気系２６、等を備えていて、本例では圧力０．６MPa 程度の圧縮空気を噴霧器４に供給する。空気タンク２２は、圧力０．８MPa 程度までの圧縮空気槽にされることが望ましい。そのため空気圧縮機２１は、空気タンク２２の圧力を０．８MPa までの一定の狭い圧力範囲に維持するように通常自動発停される。なお、圧縮空気の温度が適当な温度になるように制御するようにしてもよい。

水供給系３は、冷却のための熱媒体になる液としての水を供給可能な手段であり、水ポンプ３１、水タンク３２、水元弁３３、全段水共通系３４、個別水弁３５、個別水系３６、等を備えていて、大気圧より少し高い圧力の水を噴霧器４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。水タンク３２は、圧力０．１MPaG程度の圧力タンクにされることが望ましい。そのため水ポンプ３１は、タンク３２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３２を大気開放のヘッドタンクにしたり、水ポンプ３１をタンク３２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３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４は、圧縮空気と水とがそれぞれの供給系２、３から供給され、水が圧縮空気と混合されて微小粒になってデバイス１の上面１１に到達するように設けられた手段であり、図２（ａ）及び（ｂ）にその概略構造を例示している。（ａ）の噴霧器４は、空気入口４１、空気出口４２、水入口４３、水出口４４、これらが形成されている外筒４５、内筒４６、水量を調整可能にするニードル弁４７、調整ネジ４８及び調整ノブ４９、等で構成されている。（ｂ）の噴霧器４は、同様に空気入口４１、水入口４３、出口４ａ、これらが形成されている上部構造体４ｂ、下部構造体４ｃ、空気ノズル部４ｄ、水室４ｅ、混合ノズル部４ｆ、混合室４ｇ、噴射室４ｈ、等で構成されている。

なお、本例では、上記の如く１つの噴霧器４で圧縮空気と水とを内部又は外部で混合させて空気ミスト混合流を形成させているが、水用のノズルと空気用のノズルとを別個に設けて、これらの２個のノズルから噴射された水と空気とをノズルの外部で混合させて空気ミスト混合流にして供給することも可能である。又、デバイスの発熱量に対応して１個のデバイス１に対して複数の噴霧器４を設けるようにしてもよい。更に、噴射物は、液体と空気の他に、氷の微粒やドライアイスの微粒等であってもよい。

以上のような冷却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、まず空気供給系２及び水供給系３が運転される。空気供給系２では、空気圧縮機２１が自動運転され、空気タンク２２には圧力０．６５〜０．７MPa 程度の範囲で圧力制御された圧縮空気が充填される。この中の空気は、圧縮機付きの図示しない空気冷却器で冷却された空気であると共に滞留時間内に周囲に放熱した空気であるため、通常その環境の温度である常温より少し高い程度の温度になっていて、例えば常温が２０℃であれば３０℃程度の温度になっている。

又、空気供給系２で個々のデバイス毎に設けられている個別空気弁２５は、全段空気共通系２４から分岐した個別空気系２６や個々の噴霧器４の特性に合わせて、何れの噴霧器４からもほぼ同流量の空気が噴出されるように調節される。但し、試験されるデバイス１が全て同じ発熱量のものでない場合には、それぞれのデバイス１の発熱量に対応した空気流量になるように個別空気弁２５が調節される。

水供給系３では、ポンプ３１が自動運転され、水タンク３２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０．１１〜０．１２MPa 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３の個々のデバイス毎に設けられている個別水弁３５も、個別空気弁２５と同様に、何れの噴霧器にも同程度の水量が供給される開度に調節される。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５１に取り付けられているソケット５５に装着し、このボード５１の幅Ｘ方向の両端をガイド溝５２に嵌め込み、これに沿わせてボード５１を奥行きＹ₁方向に挿入し、先端のエッジコネクタ５１ａをコネクタ５４に差し込む。これにより、デバイス１は、順次、ボード５１、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。又、これと同時に冷却装置の空気供給系２の空気元弁２３を開く。水供給系３の水元弁３３は、試験対象となるデバイス１の昇温特性に対応して例えば１分程度後に開かれる。

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。しかし、この初期状態では、デバイス１の上面１１の温度が十分高くなっていないので、上記の如く空気元弁２３だけを開く。

空気元弁２３を開くと、個々の噴霧器ごとに予め開度調節されている個別空気弁２５から全噴霧器４にほぼ同量の圧縮空気が供給される。圧縮空気が空気入口４１から器内に入ると、この空気は、圧力が速度に変換されることにより、図２（ａ）又は（ｂ）の噴霧器４において、空気出口４２又は出口４ａから高速で流出し、図４（ａ）及び簡略には図１、２に示すように広がり、デバイス１の上面１１の一定範囲の部分に当たり、上面１１の残りの部分に沿って流れると共に上面１１から反射し、その間に上面１１の熱を吸収し、閉鎖空間５８内に拡散した後排気口５７から排出される。

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において空気の当たる部分は、図において丸で囲った範囲内の直径ｄの円形部１１ａになる。この直径ｄはａの１／２程度より大きいことが望ましく、空気や水の流量、噴霧器４の構造や大きさや種類、その設置位置等によって定まり、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の相当部分に直接空気が当たり、その空気の大部分が上面１１の残りの部分に沿って流れてその面から吸熱し、周辺からの放熱状態に対応してデバイス１に良好な冷却効果を与えることができる。なお、噴霧器４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。

以上のような空気流れによれば、空気が主として上面１１に衝突するように流れるので、従来のような上面１１に平行に空気を流す熱風循環式のバーンイン装置に較べて、大幅に熱交換性を良くして、冷却効果を向上させることができる。そして、デバイス１の急激な温度上昇を緩和し、次に水冷却主体の冷却に円滑に移行させることができる。なお、空気元弁２３を最初から全開にするのではなく、例えば数十秒の時間をかけて全開させたり、デバイス１の温度に対応して開くようにしてもよい。

このようにデバイス１を空冷しつつ継続して給電して作動状態にすると、デバイス１の発熱量に対して空気の除熱量が不足するため、デバイス１が昇温する。そのため、給電及び空冷後前記のように１分程度の時間Ｔ₁が経過した後水供給系３の水元弁３３を開き、噴霧器４を介してデバイス１に水を供給する。時間Ｔ₁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。そのため、本例ではこのｔｆより低い飽和温度を持つ液として水が採用されている。従って、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、デバイスや空冷条件が同じであれば時間Ｔ₁はほぼ一定時間になるので、冷却装置を含む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水元弁３３を開くようにしてもよい。

空気及び水の元弁２３、３３を開くと、図２（ａ）に示す噴霧器４では、前記の如く空気が出口４２から高速で流出すると共に、水は、水入口４３から器内に入り、大気圧より少し高い内部圧力と高速空気流によって負圧が形成されている水出口４４部分との圧力差によって狭くなった水出口４４から高速で噴出し、放射状に広がって細粒化すると共に、高速空気流によって粉砕されて微粒化し、本例の装置では直径１０〜２０ミクロン程度の水の微小粒（以下仮に「ミスト」という）となって空気と混合し、主として空気流によって搬送され、空気と共に図４に示したように上面１１のうちの直径ｄの円の面積内に当たる。

図２（ｂ）の噴霧器４では、空気入口４１から入った圧縮空気は空気ノズル４ｄの中で膨張して高速で混合ノズル部４ｆに流出し、水入口４３から入った水は水室４ｅから空気流に混入して混合ノズル部４ｆに入り、これらの空気と水はこの部分でよく混合し、更に断面が急拡大した混合室４ｇで十分混合された後噴射室４ｈに入り、上記と同程度の直径のミストになって噴出し、同様に図４に示す上面１１のうちの直径ｄの円面積内に当たることになる。

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に沿った速度成分及び空気流れにより、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。空気は、これまでのように上面１１を空冷する。

このようにミストが蒸発すると、蒸発潜熱が大きいため大きな除熱量になる。即ち、空気及び水の流量をｑ₁及びｑ₂（ｌ／min ）、それぞれの密度をρ₁、ρ₂（kg／ｌ）、
定圧比熱をｃ₁及びｃ₂（kj/kg ℃))、デバイス１を冷却したときの空気及び水の温度上昇をΔｔ₁及びΔｔ₂（℃）、それによる除去顕熱量をＱ₁及びＱ₂（kj/ min ）、水による除去潜熱量をＱ₃（kj/ min ）、水の潜熱をＲ（kj/kg ）とすると、水の全除去熱量（Ｑ₂＋Ｑ₃）と空気の全除去熱量Ｑ₁との比率は、
( Ｑ₂＋Ｑ₃）／Ｑ₁
＝ｑ₂・ρ₂（ｃ₂・Δｔ₂＋Ｒ）／ｑ₁・ρ₁・ｃ₁・Δｔ₁
となる。ここで、仮に水が２０℃から１００℃までΔｔ₂＝８０℃昇温して蒸発するとすると、詳細計算を省略するが、
（ｃ₂・Δｔ₂＋Ｒ）≒８ｃ₂・Δｔ₂
となり、
（Ｑ₂＋Ｑ₃）≒８Ｑ₂＝８ｑ₂・ρ₂・ｃ₂・Δｔ₂
となり、
( Ｑ₂＋Ｑ₃）／Ｑ₁
＝８（ｑ₂／ｑ₁）・（ρ₂／ρ₁）・（ｃ₂／ｃ₁）・（Δｔ₂／Δｔ₁）
となる。

ここで、空気は仮にその全量が２０℃から６０℃までΔｔ₁＝４０℃昇温するとし、ｑ₁が最大３０ｌ／min でｑ₂が最大８ｍｌ／min で仮にｑ₂／ｑ₁＝８／（３０×１０³）とすれば、（ρ₂／ρ₁）≒１／（１．２／１０³）≒１０³／１．２で、（ｃ₂／ｃ₁）≒４／１で、Δｔ₂／Δｔ₁＝８０／４０になるので、
( Ｑ₂＋Ｑ₃）／Ｑ₁≒８×８×１０³×４×80／（30×10³×1.2 ×１×40） ≒１４．２
となる。即ち、この例では、デバイス１からの水の除去熱量は、小流量であっても空気のそれの約１４倍という十分大きい値になる。

その結果、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可能になる。

デバイス１を作動させ、一定時間空気及び水を供給しつつこれを冷却する過渡的な運転状態が経過すると、デバイス１はほぼ一定の熱量を発生させ、冷却装置がこれに対応するほぼ一定の熱量を除去しつつ、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が４８時間程度継続される。この間には、デバイス１が高発熱条件で運転されるので、冷却効果の大きい水を最大流量に近い流量で流し、圧縮空気は水をミストにするために必要なだけの比較的少ない流量で流される。

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、冷却装置の冷却熱量を調整することになる。

冷却熱量は、主として水流量を変えることにより、又図２（ｂ）の噴霧器４では圧縮空気の流量を変えることによってもより細かく、調整可能である。直接水の流量を変えるときには、水元弁３３又は個別水弁３５の開度を調整して増減させるが、この調整により、噴霧器４に供給される水の圧力が変動するので、水出口４４から噴出する水の粒子の大きさが変動することになる。しかし前記の如く、細粒化した水を更に高速空気流によって微粒化するので、水の圧力の変動にそれ程影響されることなく水を必要な粒径のミストにすることができる。その結果、調整によって量が増減されるミストを確実に蒸発させ、その量に対応してデバイス１の熱量を除去することができ、バーンイン試験時の温度精度を良好に維持することができる。

図２（ｂ）の噴霧器４では、上記の如く図２（ａ）のものと同様に直接水量を変えて冷却熱量を変えることができるが、圧縮空気の流量を変え、間接的に水量を変えて冷却熱量を調整することができる。即ち、一定の圧縮空気の流量範囲では、圧縮空気の流量を多くすると、混合ノズル４ｆ内の圧力が高くなり、その影響を受けて水の流れが減少する傾向になり、この特性を利用して水量調整をすることができる。そして、このように空気流量を調整する場合には、比較的微調整することが可能であると共に、水のように非圧縮性流体ではないので弁開度の急変が可能であるため、結局水量を精度良く且つ迅速に調整し、同様に冷却熱量を調整することができる。

一方、図２（ａ）の噴霧器４では、冷却熱量を空気流量によって直接的により細かく調整することも可能である。例えば、バーンインの設定温度ｔｓ＝１５０℃に対して、ｔｓに対応する温度としてセンサ１４による実測又はセンサ１５による実測からの推定による測定温度ｔａ又はｔａ₁が例えば３℃を超える程度に大幅に変動したときには、最初に水元弁３３の開度を調整し、除熱効果の大きい水の流量を変動させ、ｔｓとｔａの差が例えば３℃以下の一定の小幅になったときには、空気元弁２３の開度を調整し、水よりも十分小さい空気の冷却作用によって冷却熱量を小幅に変動させる。このようにすれば、早く且つ精度の良いバーンイン温度を得ることができる。

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、それに対応して水元弁３３を閉鎖して行き、これが全閉になると、空気元弁２３を閉鎖して行く。空気元弁２３をある程度閉めて、ｔａが１５０℃以下になると、このときの空気流量を一定の短い時間の間維持し、デバイス１の発熱を利用して、空気の供給及び排出によって閉鎖空間５８の中を乾燥させる。

１回のバーンイン試験が終了すると、エッジコネクタ５１ａをコネクタ５４から引き抜いてバーンインボード５１を冷却装置から抜き出し、デバイス１をソケット５５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、圧縮機２１及びポンプ３１の運転を停止する。

本発明を適用した冷却装置を用いると、以上のように高発熱デバイスをバーンイン試験することができる。そしてこの場合、空気による冷却及びミスト搬送作用を利用することにより、試験の開始時には、デバイスの始動状態から定常状態への移行を容易にし、定常状態においては、デバイスの大きな発熱量を除去すると共にバーンイン試験の温度を小幅に精度良く調整可能にし、試験の終了時には、空気による乾燥効果が得られるので、極めて好都合にバーンイン試験を行うことができる。

図５は発明者等がデバイス１を模擬した供試品を製作して空気及びミストによる冷却試験を行った結果を示す。その結果は以下のとおりである。
１．この試験で使用した製品
１）供試品１´：デバイス１を模擬して製作したもの
構造；上面１１がニッケルメッキされた銅製の上部分１６と耐熱樹脂製の下部分１７との間に発熱体１８を介装した構造のものである。上面１１は図４に示すものと同様に一辺の長さａが４０mmの正方形である。この面の中心位置で発熱体１８の上下位置であるＢ点及びＡ点には温度測定制御用の下温度センサ１９ａ及び上温度センサ１９ｂが取り付けられている。

発熱体の発熱量；２１０Ｗ
２）空気弁：後述する図１０の個別電動空気弁２７に相当するもの
供給される最大空気圧；０．６MPaG
流量変化幅；０〜３０ｌ（リットル）／min
３）水弁；図１０の個別電動水弁３７に相当するもの
供給される最大水圧；０．１MPaG
流量変化幅；２〜８ｍｌ（ミリリットル）／min
２．試験条件
この試験では、供試品に通電し定格電流を流して発熱体を２１０Ｗの出力で発熱させ、これと同時に空気弁を全開させ、弁３７を下温度センサ１９ａの検出温度による制御状態にしている。それから約１２分間の連続定格通電試験を行い、通電を停止し出力を０にした。この試験での周囲温度は約１５℃で、水温及び空気温度も同程度の温度であった。
３．試験結果
１）制御対象部分であるＡ点の温度を３℃程度までの変動範囲内に制御することができた。
２）Ｂ点の温度は約１０℃までの幅で変動しているが、これは、Ｂ点が制御対象でないことと噴霧器４からのミストの噴射を直接受けるためである。
３）この試験では、上面１１に直接ミストが当たる範囲の直径ｄが約１０mm（ａ／４）という狭い範囲であった。そのため、中心位置のＢ点温度が１００℃以下の７０℃〜８０℃程度まで下がり、測定していないが表面中心の温度は６５℃〜７５℃まで下がっていたと推定される。
４）このように上面１１の中心位置では１００℃まで昇温していなかったが、この面にミストが当たると、瞬時に又は少し動いて１００℃以上の温度になっていたと推定される位置で直ちに蒸発しているように観察され、上面１１の上に水滴が残るような状態は全く見られなかった。

以上から、高速空気流に混合しているミストが適当な粒径になって上面１１まで到達し、この面を通じてデバイスの内部まで冷却し、その温度をほぼ一定の温度に維持できることが確認された。なお、この試験で準備した噴霧器４は、作動時にその開度が１０％以下になるような過大なサイズのものであったため、上面１１までの距離を近づけて上記直径ｄをａ／４のように狭い範囲にする必要があったが、噴霧器４の最適設計に近づけることにより、ｄを２ａ／４乃至３ａ／４以上にして、デバイス１の内部温度を均一に目的とする温度にすることができる。

なお、このように上面１１に向かう方向からこれにミストを当てると、ミストにより中心部が最も良く冷却されそれから離れる程冷却効果が減少する傾向になるが、デバイス１の角部や周辺では放熱しやすいので、結局デバイス内部を均一冷却する効果が得られることになる。

図６は本発明を適用した冷却装置の他の例を示す。
本例の冷却装置は、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６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７としては、本例では、分離部材６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７１、これが取り付けられた剛性の高い支持板７２、これをバーンインボード５１に固定可能にすると共にデバイス１と閉鎖空間５８とを仕切るように取り付けられた側板７３、足板７４、足板７４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５１に取り付けられた止め部材７５、側板７３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７６、等が設けられている。支持板７２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７７が取り付けられる。

本例の装置では、噴霧器４は、前記分離部材６の面のうちデバイス１の上面１１とは反対側の反対側面６ａに到達するように設けられる。
分離部材６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７（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６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６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７（ｂ）に示すように単なる板材７８にすることも可能である。このような曲面状の分離部材６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７３は、足板７４を止め板７５に差し込んで取付構造部７をバーンインボード５１に取り付けたときに、ベローズ７１を圧縮し、デバイス１の熱が上面１１から分離部材６に良好に伝達されるように分離部材６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７３は、足板７４を止め板７５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６及びその取付構造部７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５１に装着すると、分離部材６が下方に突出して取り付けられた取付構造部７を分離部材６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７１を圧縮しつつ側板７３の先端側をＸ方向に狭めた後復元させ、足板７４を止め板７５の中に差し込む。

この操作により、分離部材６がベローズ７１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７もバーンインボード５１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６（ｃ）に示す如く、足め板７４に傾斜部７４ａを設けると、側板７３及び足板７４は、これらを上から押さえるだけの操作により、傾斜部７４ａを図の二点鎖線で示すように移動させつつ足板７４を止め板７５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７５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４から噴射された空気及び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６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、空気及びミストを図１のときと同様に分離部材の上面になる反対側面６ａに当てて流すことにより、空気及びミストを昇温させミストを蒸発させ、反対側面６ａ及び分離部材６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、空気及び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が空気や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５５、バーンインボード５１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空気が高湿度になり、この高湿度空気が閉鎖空間５８の中で温度の低い仕切板５６のうちの天井になる上仕切板５６ａ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６をデバイスの表面１１に圧接させる構造としては、図７（ｃ）〜（ｆ）や図８に示す如く、他の適当な構造を用いることができる。図７（ｃ）では、分離部材６をデバイス１の上面１１に圧接させるためのベローズ７１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７９ａを追加している。（ｄ）では、分離部材６を囲う囲い部材をベローズに代えて板材７８とし、分離部材６を引っ張りバネ７９ｂ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７（ｅ）では、分離部材６に棒状の放熱フィン６ａ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４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７１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８は分離部材６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７２に取り付けられた横桁７７をＸ方向にケース５３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８０に連結し、軸８０を縦方向に適当にガイドしつつその上端からバネ８１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８２でＺ方向に移動可能にした構造にしている。なお、軸８０を個別に縦移動装置８２で上下移動させるのではなく、片側の軸又は全ての軸８０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８２で上下移動させるようにしてもよい。

取付構造部７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５１にはデバイス１だけを着脱し、ボード５１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８２を作動させるだけの操作により、分離部材６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９は本発明を適用した冷却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９（ａ）に示す如く、これまでの装置と同様に噴霧器４が構造体であるケース５３と仕切板５６によって囲われた空間である閉鎖空間５８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５８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５１は仕切板５６のうちの上仕切板５６ａ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５５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４があり、下方に向いた上面１１に対して上方に空気及びミストを噴射させるように噴霧器４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、本例の装置は空気及びミストを上方に噴射させて下向きの上面１１に当てるが、空気の比重は十分小さく、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の空気流れの中に存在するので、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の発熱時の熱は熱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６の分離部材６及びその取付構造部７を設けない場合でも、図６の装置に近い作用効果が得られる。即ち、上仕切板５６ａは高湿空気の当たらないバーンインボード５１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４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５６のうちの床になる下仕切板５６ｂ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。なお、圧縮空気を加熱すれば、ミスト噴射後に噴霧器４の中に残った水を蒸発させ、装置の使用停止中及び使用開始直後の水滴の落下を防止することができる。

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５３及び仕切板５６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９が設けられた例を示す。この冷却プレート９は、閉鎖空間５８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５３及び仕切板５６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５８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１０は冷却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、液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水弁３７（以下「弁３７」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３７を制御する制御手段としての温度調節器１０、等を有する。温度調節器１０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５５、バーンインボード５１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５１から取り出されるように示している。弁３７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１０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１０は、デバイスごとに設けられる温度センサ１４に対応して１０−１から１０− 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水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、電動個別水弁３７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３７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、温度設定器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１０−ｉに与えることになる。

なお、この制御では水量を変化させているが、本発明では水を空気と混合させて微小粒にしているので、水の流量を変えても微小粒の大きさはそれ程変化しない。その結果、水が確実に蒸発するので、水の流量の制御状態が良く、従ってバーンイン時の温度ｔａを設定温度ｔｓに十分近づけた精度の良いバーンイン試験をすることができる。

上記の如く空気流量を一定にして水量だけを調整してもバーンイン温度を十分精度良く制御可能であるが、本例の冷却装置では、個別空気系２６の弁も電動個別空気弁２７（以下「弁２７」という）とし、温度調節器１０の制御信号を弁２７の方にも送信し、定常運転時に発停時も加えて弁３７と弁２７とを複合制御するようにしている。

即ち、温度調節器１０は、１５０℃に設定されるｔｓとｔａとの差が例えば３℃以上であれば、冷却効果が大きくなる弁３７に上記差に対応した信号を送り、弁３７の開度を調整し、早くｔａをｔｓに接近させ、上記差が３℃以下になると、冷却効果が小さくなる弁２７に上記差に対応した信号を送り、弁２７の開度を調整し、細かくｔａを調整してｔｓとの差を十分小さくし、バーンイン温度の精度を良くするような制御を行う。

なお、上記の弁３７と弁２７との複合制御においては、噴霧器４の構造によって作用効果に差が生ずる。即ち、図２（ａ）の噴霧器４では、弁２７の開度を制御した場合には、それによって空気流量が変動し、その変動では噴霧器４を通過する水量は殆ど変わらず、従って、空気流量の変化によって冷却効果が変化することになる。

一方、図２（ｂ）の噴霧器４では、弁２７の開度を制御した場合には、それによって空気流量が変動するが、弁３７の開度を変えなくても、前記の如く噴霧器４が水を通過させる量即ちミストになる水量が変化し、その関係は、空気量を増やすと水量が減り、空気量を減らすと水量が増えるようになっているが、水量の変化の方が冷却熱量の変化に対して支配的であるため，結局、空気量を増やすと冷却熱量が減少し、空気量を減らすと冷却熱量が増加することになる。

従って、図２（ａ）の噴霧器の場合とは、冷却熱量を増減させるときの弁３７の開閉方向が逆になる。なお、空気流量を変化させて冷却熱量を変える図２（ｂ）の噴霧器４の方が、より精度良く且つ迅速に冷却熱量を調整できることは前述のとおりである。このように水量も変化させる電動個別空気弁２７は、弁３７及び図２（ｂ）に示す噴霧器４と共に液の流量を調整可能にする流量調整手段に相当する。

デバイス１に通電してバーンイン試験を開始したときには、上記ｔａとｔｓの差に関係なく弁２７を一定開度で一定時間開き、通電後のデバイス１を適当な速度で温度上昇させ、弁３７を制御する定常状態に円滑に移行させ、デバイス１の通電を遮断してバーンイン試験を終了するときには、弁３７を閉鎖して弁２７を一定開度で一定時間開いて空気の供給を継続させ、発熱したデバイス１の余熱を利用して高湿になっている閉鎖空間を乾燥させるように制御する。このような制御によれば、全体的に良好な状態でバーンイン試験を行うことができる。

本例のように流量調整手段として弁３７に加えて弁２７を設ける場合には、これらを液流量調整弁及び圧縮空気流量調整弁として、制御手段としての温度調節器１０が、液の流量と空気の流量との比率を変えるように弁３７と弁２７の開度を調整し、それによってｔａがｔｓになるように制御するように構成することも可能である。その場合でも、細かく熱量を調整できる圧縮空気の使用によってｔａを精度良くｔｓにすることができる。

なお以上では、冷却装置がバーンイン装置に適用される場合について説明したが、本発明の冷却装置は、高発熱デバイスの冷却のための他の各種装置に適用可能なものである。又、熱媒体として水を使用する例について説明したが、バーンイン装置を含めて他の装置に冷却装置を適用する場合の熱媒体としては、例えば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。

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装置に好都合に適用される。

本発明を適用した冷却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。（ａ）及び（ｂ）は上記装置に用いられる噴霧器の構成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）はデバイスに空気及びミストが当たる状態を示した説明図である。（ａ）乃至（ｃ）はデバイスの冷却試験の状態及び試験結果を示す説明図である。本発明を適用した冷却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冷却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。本発明を適用した冷却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空気供給系（圧縮空気供給手段）
３水供給系（液供給手段）
４噴霧器（気液混合手段）
６分離部材
６ａ反対側面
１０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）
３７電動個別水弁（流量調整手段）
ｔ温度（目的とする温度）
ｔｓ設定温度（目的とする温度）

Claims

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大気圧下で前記バーンイン温度にするように冷却可能な冷却装置において、
圧縮空気を供給可能な圧縮空気供給手段と、前記冷却のための熱媒体になる水であって前記大気圧下で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水を供給可能な水供給手段と、前記圧縮空気と前記水とが供給されて前記水が前記圧縮空気と混合されると前記大気圧下にある前記一面に向かって放出され微小粒になって放射状に広がって前記一面の一定範囲の部分に当たるように設けられた噴霧器と、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記水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、を有し、
前記流量調整手段は、前記水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と前記圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は、前記半導体デバイスが通電された初期に温度上昇するときには前記圧縮空気流量調整弁を一定開度で一定時間開くように制御することを特徴とする冷却装置。
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大気圧下で前記バーンイン温度にするように冷却可能な冷却装置において、
圧縮空気を供給可能な圧縮空気供給手段と、前記冷却のための熱媒体になる水であって前記大気圧下で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水を供給可能な水供給手段と、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、前記圧縮空気と前記水とが供給されて前記水が前記圧縮空気と混合されると前記大気圧下にある前記分離部材の前記一面の反対側面に向かって放出され微小粒になって放射状に広がって前記反対側面の一定範囲の部分に当たるように設けられた噴霧器と、前記半導体デバイスの温度を検出する温度検出手段と、前記水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、を有し、
前記流量調整手段は、前記水供給手段から供給される水の流量を調整可能にする水流量調整弁と前記圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気の流量を調整可能にする圧縮空気流量調整弁とからなり、前記制御手段は、前記半導体デバイスが通電された初期に温度上昇するときには前記圧縮空気流量調整弁を一定開度で一定時間開くように制御することを特徴とする冷却装置。
前記分離部材は、中央部分から前記一面に接触し該一面に圧接されると平面になるように前記一面の側に凸曲面状の薄肉板で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。