CN1537217A - 对被测试的电子器件进行温度控制的装置和方法 - Google Patents

对被测试的电子器件进行温度控制的装置和方法 Download PDF

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Abstract

用于控制一被测试的电子器件(10)温度的设备，所述设备包括一个具有与所述电子器件(10)热接触的温控表面(16)的感热头(14)；所述感热头(14)限定一用于通过致冷流体的流动通道(36)以在所述电子器件(10)和所述感热头(14)之间传导热能；一致冷系统，它与所述感热头的流动通道(36)流体连通以将致冷流体供应到该处；所述致冷系统包括一调节所述致冷流体流动的计量阀(46)以调节所述致冷流体进入所述感热头(14)；一控制器(22)，它用于控制所述计量阀(46)以保持所述温控表面(16)的温度为预定温度。

Description

对被测试的电子器件进行 温度控制的装置和方法
技术领域
本发明涉及温度控制系统，用于在电子器件的测试中保持该电子器件为一预定的温度。
背景技术
在电子工业中已应用了测试装置对保持一个预定的温度下的集成电路和其它电子器件的操作进行测试。一般来说，所述测试装置包括一个具有温控表面的感热头与要测试的电子器件相接触。所述感热头被同时能够加热和冷却以保持在一预定的温度下。该测试设备的使用者(即电子器件的制造者)通常指定所述感热头能够在±3℃变化的条件下保持预定的温度。
对于某些这样的测试设备，所述预定温度可以由指导测试处理的技术员作选择而变化。因此，电子器件能够被在多个温度下进行测试以模仿各种操作条件的变化。为了在所述感热头上产生所希望的温度，这些设备上具有循环的凉的流体通过所述感热头，如水或乙二醇。所述流体自身在一个包括一个分离的致冷系统的包括蒸发器的换热器内被冷却。换言之，所述蒸发器被所述致冷系统冷却，然后用于冷却所述循环流体。当有必要以保持所述预定温度时，可以由与所述感热头配合使用的加热元件加热。
该使用一个分离的流体环路的已有技术有明显的不足。例如，对所述流体环路要附加维护上的要求。而且，所述流体回路的整个“冷却侧”经常在露点以下，因此要求庞大的绝热隔离层。而且它经常在测试开始前要用一个小时才能使使用了流体回路的系统达到所要求的温度。所述流体回路也增加测试系统的尺寸和对动力消耗的要求。
发明内容
在一个方面，本发明提供一用于控制被测试的电子器件温度的装置。该装置包括一个感热头，它具有一个与所述电子器件热接触的温控表面。所述感热头限定一个流动通道以流过一致冷流体以使在所述电子器件和所述感热头之间传导热能。
该装置进一步包括一个冷却系统，它与所述感热头的流动通道流体连通以向其供应致冷流体。所述冷却系统包括一个计量阀以调节所述致冷流体。该计量阀位于邻近所述感热头的流动通道以调节进入所述感热头内的致冷流体。一个控制器被操作以控制所述计量阀用于在所述温控表面上保持一预定的温度。
在一些示意性的实施例中，所述致冷系统包括一毛细管，它具有第一端和第二端。所述毛细管的第二端与所述感热头流动通道的一个入口流体地连接。在这样的实施例中，所述计量阀可以位于所述毛细管的第一端。
所述控制器最好适合于能够让使用者改变预定的温度。关于此事，所述计量阀可以是一个由一个脉冲宽度调制信号操作的脉冲阀。例如，所述脉冲阀最好是每秒至少启动一次。所述控制器可以是一个PID(比例-积分-微分)控制器。
经常希望在所述感热头上设置至少一个带有控制器控制的加热器装置。例如，所述感热头可以装备多个加热管。
本发明的另一方面是提供一设备，它用于控制在测试下的电子器件的温度。所述设备包括一个具有压缩机和一冷凝器的致冷系统。所述致冷系统工作以在通过流体的流动环路内循环所述致冷流体以使所述致冷流体在汽相和液相状态之间转换从而交替地吸收和释放热能。
所述设备进一步包括一个具有温控表面的感热头。所述感热头限定一个用于所述致冷流体的流动通道以因此作为所述致冷系统的一个蒸发器。所述计量阀位于在流体的流动环路靠近蒸发器的位置上。所述计量阀被操作以调节进入所述感热头内的致冷流体。一个控制器被操作以控制所述计量阀用于在所述温控表面上保持一预定的温度。
本发明进一步还包括提供一个设备，它用于控制在测试下的电子器件的温度。所述设备包括一个具有压缩机和一冷凝器的致冷系统。所述致冷系统工作以在通过一流体的流动环路内循环所述致冷流体以使所述致冷流体在汽相和液相状态之间转换从而交替地吸收和释放热能。
所述设备进一步包括一个具有温控表面的感热头。所述感热头限定一个用于所述致冷流体的流动通道以因此作为所述致冷系统的一个蒸发器。至少一个加热装置被操作以向所述感热头供热能。
一个计量阀位于在流体的流动环路靠近蒸发器的位置上。所述计量阀被操作以调节进入所述感热头内的致冷流体。一个控制器被操作以控制所述计量阀用于在所述温控表面上保持一预定的温度。
本发明还有的方面是提供一个保持被测试的电子器件在一预定温度的方法。所述方法的一个步骤包括提供一个具有冷却和加热能力的感热头，该感热头包括一个与所述电子器件热接触的控制温度的表面。被所述电子器件即时消耗的电力的变化比率与一个预定的阈值作比较，如果所述变化率以某种方式表示出即时电力的消耗的下降超过所述阈值，所述感热头的加热能力被选择地启动。如果所述变化率以某种方式表示出即时电力的消耗的增加超过所述阈值，所述感热头的冷却能力被选择地启动。例如通过一个预定时间周期以充分操作而被启动，所述冷却和加热能力可以被选择性地启动。
本发明还进一步提供一个致冷装置，它循环致冷流体通过一流体流动环路进行循环以使所述致冷流体在汽相和液相状态之间转换从而交替地吸收和释放热能。所述致冷装置包括一压缩机以增加所述致冷流体的压力而使之成为汽态。同样提供了一个冷凝器，当所述致冷流体放热并从中通过时变成液态。当所述致冷流体通过一个蒸发器时吸收热能并因此变为汽态。
一个计量阀位于在流体流动环路靠近蒸发器的位置上。所述计量阀被操作以调节进入所述蒸发器的致冷流体。一个控制器被操作以控制所述计量阀用于在所述温控表面上保持一预定的温度。
本发明的其它目的、特征和方面在下面将进行详细的描述。
附图说明
本发明对本领域普通技术人员的充分的和进一步的公开，包括最好的模式在说明书的其余部分包括参考附图进行描述。在附图中
图1是表示本发明控制被测试的电子器件温度的设备的示意图；
图2是表示图1所示设备用于保持一个封闭环路系统在预定温度下的工作方式的方框图；
图3是表示当图1能够增加所示设备精确性的所使用的一个附加的开环技术的流程图；
图4表示能够与图1所示设备一起使用的一个感热头组件的较佳实施例的斜视立体图；
图5是图4所示的感热头组件的顶视图；
图6是表示图4所示感热头组件的部件分解图；
图7是表示图4所示感热头组件的露出所述温控表面的底部视图；
图8表示图7中沿线8-8的剖视图；
图9表示图8中沿线9-9的剖视图。
在本说明书和附图中相同的附图标号表示本发明的相同或类似特性或元件。
具体实施方式
本领域普通技术人员应该明白现在的描述仅仅是示例性的实施例而不是想对本发明的各个方面限制，而所述各个方面仅以示例性的结构进行实施。
图1表示控制一被测试的电子器件10温度的设备(“DUT”)。在这种情况下，器件10是一个集成电路器件并被安装在一个适当的测试固定器12上。测试固定器12为器件10供电，同时通过提供各种读/写命令对所述器件10的性能评估。
感热头14具有一个与所述器件10接触的温控表面16。在这种情况下，感热头14连接到一个可移动的杆18的末端，而该杆18移动操作使所述接触表面16与所述器件10进入或脱离接触(如箭头A所示)。例如杆18可以形成一个汽缸的活塞以将所述感热头定位到邻接所要测试的器件上。
如所示，一个热电偶20或其它适用的传感器设置在温控表面16上以指示所述器件10的温度。该信号被送入一控制所述感热头14操作的处理器22以保持一预定的温度。例如，由使用者在温度选择器上输入所要保持的温度。普通技术人员应该明白处理器22和温度选择器的功能可以由一个单独数字计算机或类似设备来完成。
感热头14最好构成为具有冷却和加热两种能力以在可能的较宽范围内准确地保持温度。在这种情况下，例如，感热头14具有一个冷却部分26位于温控表面16和一个加热部分28之间。加热部分28包括一个或多个加热元件30以当所述器件10的温度下降到低于所希望的温度时供应热能。一个与处理器22的控制相匹配的装置32供应所要求的电力以操作加热元件30。
所述感热头14的冷却部分26形成一个致冷系统的蒸发器，该致冷系统还包括一压缩机32和一冷凝器34。所述致冷系统使用致冷流体，如氟里昂R134a，将致冷流体进行循环以交替地吸收和释放热能，根据已知的致冷循环，当所述致冷流体在汽相和液相之间进行变化而进行吸热和放热。
特别是当所述致冷流体由液态“蒸发”为汽态时，在器件10的位置处吸收大量的热能。所述蒸发发生在设定在所述感热头14内的致冷流体流动通道36内。在所述感热头14内部存在的低压气体然后沿管38被供入加热压缩机32。得到的高压气体通过管40被送入冷凝器34，在冷凝器中放出所积累的热能。结果，致冷流体被冷凝回到液态。
由冷凝器34来的高压流体沿管42和毛细管44被回送到感热头14。在这种情况下在毛细管44和流体流动通道36的交界面上形成一“膨胀阀”。具体地讲，液态形式的致冷流体当从毛细管44的一个小内部直径进入到流动通道36的入口的大的封闭体积时压力会下降。如理想气体定律的指导，该压力的下降引起温度的下降。
图1所示的设备工作以在高准确性下保持温控表面16为选定的温度。一般来说，该温度可以容易地在整个指定的范围控制在±3℃技术要求之内，例如，在本较佳实施例中，该设备能够在从-100℃到200℃之间的整个指定范围以准确性为±0.5℃条件下运行。
为了更密切地控制所选择的温度，在邻接感热头14处设置一个可操作的计量阀46以调节进入流动通道36的致冷流体的流动。虽然打算使用各种定量阀，但所示的实施例使用一个普通关闭螺线管脉冲阀，它由一个脉宽调制脉冲(PWM)信号控制。所述PWM信号的工作循环由处理器22进行选择以保持所希望的温度。
计量阀46最好布置在流动通道36入口18英寸处以调节致冷流体的流动以不产生实际上的时间延迟。在图示的实施例中，例如计量阀46可以位于毛细管44的入口处。通常毛细管44会具有不超过12英寸的长度。毛细管44的相对短的长度和小内径确保计量阀46和温控表面16的温度之间的快速反应时间。
Kryotech有限公司，作为本发明的设计者，以前已经开发了测试设备，其中所述感热头在一致冷系统中作为一蒸发器的结构。致冷流体以液态流过所述感热头，并在该处膨胀。引起温度的下降从被测试的电子器件吸收热能以保证预定的温度。在这样的系统中，使用靠近该冷凝器出口的一个阀，它由一个定量控制器控制其操作。如在本发明的许多实施例一样，在致冷流体流动循环内，所述压缩机和冷凝器被布置离开所述感热头几英尺(例如4-5英尺)远。一部分是由于所述阀的布置距离，该系统仅能够以±10℃的准确性控制所选择的温度。
一个图1所示设备形式的封闭循环控制系统的总体框图在图2中显示。在这种情况下，虽然普通技术人员会明白各种模拟系统同样可以在本发明中使用，但该控制系统表明是一个数字控制系统。如图所示，热电偶20提供一个连续的温度信号y(t)，它被取样和被数字化，如在标号48所示，以获得一个温度信号的取样y(kT).然后信号y(kT)与理想的温度信号r(kT)作比较，如在标号50所示，以产生一个误差信号e(kT)。
如在标号52所示，处理器22对误差信号e(kT)进行一个控制算法的处理以产生一个修正信号u(kT)。在现在的较佳实施例中，该控制算法可以是一个比例-微分-积分(PID)控制算法，如图所示。所述修正信号是脉宽调制脉冲，如标号54所示，或被转换成为其它的适当的模拟信号u(t)，以用于温度控制设备(或装置)标号56的操作。例如，所述修正信号u(kT)可以包含系统的冷却和加热能力的两个操作的指令。
应该明白在图2所示的闭环系统在稳态操作条件保证所希望的温度是非常有效的。最好，该系统至少每秒一次地进行温度信号的取样并产生一个所希望的修正信号。例如，通过现在的较佳实施例的控制系统的该闭环部分，在表面16的温度至少在每300ms被取样。
由于电子器件的小的质量，它们在温度上的剧烈变化快于一个纯闭环系统能够进行的有效的补偿。因为这样的温度变化实际上总是由于功率消耗上的变化(具有某些小的热延迟)，所述电子器件的功率消耗即刻地能够直接用于预测在器件温度上的迅速变化。因此，如图1所示，处理器22最好接受测试固定器12来的信号58，以指示所述电子器件的功率消耗。
图3表示处理器22使用由测试固定器12的功率消耗的方法。在处理已开始(如60所示)，所述器件10的功率消耗被取样(如62所示)。为了迅速对预测的温度变化的作出反应，处理器22最好每秒对功率消耗取样多次。例如，根据本发明的现在的较佳实施例，可以在每秒取样20-50此或更多。
功率消耗的变化率(即所述功率消耗的第一导数)然后与一个预定的阈值(如64所示)进行比较。如果该变化率不超过所述阈值，该处理环返回以用于下次取样。
当所述变化率的确超过所述预定的阈值时，处理器22决定所述功率消耗是否正在增加或正在降低(如66所示)。一个正的功率变化表示电子器件上的温度将上升。同样地，一个负的功率变化表示电子器件的温度将下降。当这些情况发生时，要立即动作以消除这些预测的温度变化。
例如，当所述功率消耗变化率超过在正方向的所述阈值时，系统可以被启动进入一个完全冷却的模式(如68所示)。当所述功率消耗变化率超过在负方向的所述阈值时，系统可以被启动进入一个完全加热的模式(如70所示)。最好地，该开环控制系统要保持完全冷却或加热一足够长的时间以消除急剧的温度变化。在现在的较佳实施例中，例如该加热或冷却的全“开”操作被保持大约200毫秒。然后所述闭环控制系统继续与平常一样地保持电子器件的温度。
图4-6表示一感热头组件，它能够使用在图1所示的设备中，组件72包括一个感热头74，它具有一个冷却部分76并与一个加热部分78装在一起。致冷流体通过毛细管80进入冷却部分76并由出口管82排出。在这种情况下，加热部分78限定多个横向孔84，在其中插入相应的加热管。热电偶的引线由一中心横向孔86中引出。
如图所示，感热头74可以是适合于与特殊结构的插座盖88相匹配的结构。在这种情况下，例如插座盖88包括一对直立的校准销90。销90被放在位于所述感热头74的下表面的相邻近的一对耳部92之间的区域上。
最好地，所述感热头74被放在一个由适当的绝缘材料如尼龙6/6形成的腔体块94内。为方便感热头74与被测试的器件之间的进一步的匹配，在所述腔体块94上安装一个万向支架组件96。在这种情况下，组件96包括一个下部平板98和一个上部平板100，它们之间由多个角柱相互连接，如柱102。每个角柱由一个螺旋弹簧如弹簧104所述环绕以推动所述板98和板100相互离开。
如图7所示，在所述感热头74的底面限定一温控表面106。表面106最好被抛光或其它的结构以显示出特别的平并且因此具有相当高的反射率。在所示的表面106所限定的一中心孔108内装有所述热电偶。
参考图8能够更容易地解释所述感热头74的进一步的结构。普通技术人员应该明白，感热头74最好由高热传导率的材料制成。在同时，感热头74被制成具有小的质量以能够迅速传导热能。关于这一点，冷却部分76可以由铜形成而加热部分78由黄铜形成。可以通过如钎焊的方法将该两个部件结合在一起以获得一个一体的结构。
图9表示能够限定在冷却部分76内的示例性的流动通道110。在这种情况下，致冷流体通过入口112进入并沿盘旋型的流动通道110运动。由于致冷流体在通过出口114离开之前的蒸发而吸收热能。在本实施例中，通过在沿通路的长度上独特的钻孔连接在一起形成所述流动通道110。
能够看到本发明提供用于保持被测试的电子器件在一选定的温度下的设备和方法。因为该系统使用进行循环的致冷流体替代了一流体的回路，减少了流体回路的各种缺点。例如由于除了蒸发器和压缩机的吸入管的所有部件保持在环境温度，不需要象在流体回路系统中所要求的对管路进行隔热绝缘。以同样的原因，许多在流体回路中存在的冷凝排放器同样被减少。与已有的流体回路系统相比较，改进了启动时间和能量利用率。
对已显示和描述的本发明的较佳实施例，普通技术人员能够在不背离本发明的精神和范围下作出各种修改和变化。应该明白各种实施的方面能够在整体和部分上相互变化。而且，普通技术人员应该明白上述的描述仅仅是示例性的，并不是想对本发明作出限制，本发明由所附的权利要求限定。

Claims (32)

1.用于控制一被测试的电子器件温度的设备，所述设备包括：
具有与所述电子器件热接触的温控表面的感热头；
所述感热头限定一用于通过致冷流体的流动通道以在所述电子器件和所述感热头之间传导热能；
致冷系统，它与所述感热头的流动通道流体连通以将致冷流体供应到该处；
所述致冷系统包括一调节所述致冷流体流动的计量阀，所述计量阀位于邻近所述感热头的流动通道的位置以调节所述致冷流体进入所述感热头；及
控制器，它用于控制所述计量阀以保持所述温控表面的温度为预定温度。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述致冷系统包括具有第一端和第二端的毛细管，所述毛细管的第二端与所述感热头的流动通道的入口流体连通。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述计量阀位于所述毛细管的第一端。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述控制器适合于使所述预定温度由使用者进行变化。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述计量阀是一个由脉宽调制脉冲信号控制的脉冲阀。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述计量阀至少每秒启动一次。
7.如权利要求4所述的设备，其特征在于：所述控制器是一比例积分微分型控制器。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述感热头还包括至少一个加热器装置，同样由所述控制器控制该加热器装置的操作。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：所述至少一个加热器装置包括多个加热管。
10.用于控制一被测试的电子器件温度的设备，所述的设备包括：
包括一压缩机和一冷凝器的致冷系统，所述致冷系统被操作以通过在流体的流动回路内循环致冷流体使所述致冷流体在汽相和液相之间变化从而交替地吸收和释放热能；
具有一温控表面的感热头，所述感热头限定一致冷流体的流动通道以因此作为所述致冷系统的一蒸发器；和
位于所述流体的流动回路的蒸发器附近可操作的计量阀，所述计量阀被操作以调节所述致冷流体进入所述感热头内的流动通道用于保持所述温控表面为预定的温度。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：致冷系统包括具有第一端和第二端的毛细管，所述毛细管的第二端与所述感热头的流动通道的入口流体连通。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述计量阀位于所述毛细管的第一端。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于：所述计量阀是一个由脉宽调制脉冲信号控制的脉冲阀。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于：还包括一控制器，以产生所述的脉宽调制脉冲信号，所述控制器适合于使所述预定温度由使用者进行变化。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：所述控制器是一比例积分微分型控制器。
16.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述感热头还包括至少一个加热器装置，当需要保持所述预定的温度时，该加热器装置操作以向所述温控表面供应热能。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于：所述至少一个加热器装置包括多个加热管。
18.用于控制一被测试的电子器件温度的设备，所述的设备包括：
包括一压缩机和一冷凝器的致冷系统，所述致冷系统被操作以在通过流体的流动回路内循环致冷流体使所述致冷流体在汽相和液相之间变化从而交替地吸收和释放热能；
具有一温控表面的感热头，所述感热头限定一致冷流体的流动通道以因此作为所述致冷系统的一蒸发器；
至少一个可操作的加热器装置，向所述感热头供应热能。
位于所述流体的流动回路的蒸发器附近的计量阀，所述计量阀被操作以调节所述致冷流体进入所述感热头内的流动通道；和
用于保持所述温控表面为预定的温度，同时控制所述计量阀和所述至少一个加热器装置的控制器。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于：致冷系统包括具有第一端和第二端的毛细管，所述毛细管的第二端与所述感热头的流动通道的入口流体连通。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：所述计量阀位于所述毛细管的第一端。
21.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述计量阀是一个由脉宽调制脉冲信号控制的脉冲阀。
22.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述控制器适合于使所述预定温度由使用者进行变化。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于：所述控制器是一比例积分微分型控制器。
24.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述至少一个加热器装置包括多个加热管。
25.用于控制一被测试的电子器件温度的方法，所述方法包括：
(a)提供一能够同时具有冷却能力和加热能力的感热头，所述感热头包括与所述电子器件热接触的温控表面；
(b)决定所述电子器件的即时性电力消耗变化率；
(c)将所述的变化率与一预定的阈值相比较；
(d)如果所述变化率超过所述阈值而指示即时的电力消耗为下降，选择启动所述感热头的所述加热功能；和
(e)如果所述变化率超过所述阈值而指示即时的电力消耗为增加，选择启动所述感热头的所述冷却功能。
26.如权利要求25所述方法，其中在步骤(d)和(e)中分别被选择的启动所述冷却能力和所述加热能力要被充分操作持续一个预定的时间。
27.致冷设备，它操作以在流体的流动回路内循环所述致冷流体从而使所述致冷流体在汽相和液相之间变化从而交替地吸收和释放热能；所述致冷设备包括：
一压缩机，为汽相的所述致冷流体增加压力；
一冷凝器，在其中所述致冷流体释放热能并因此在通过它时转变为液相；
一蒸发器，在其中所述致冷流体吸收热能并因此在通过它时转变为汽相；
一计量阀，可操作地位于在所述流体的流动回路中的邻近所述蒸发器的位置，所述计量阀被操作以调节致冷流体进入所述蒸发器；及
一控制器，为了保持所述蒸发器为一预定温度控制所述计量阀。
28.如权利要求27所述的设备，其特征在于：致冷设备包括具有第一端和第二端的毛细管，所述毛细管的第二端与所述感热头的流动通道的入口流体连通。
29.如权利要求28所述的设备，其特征在于：所述计量阀位于所述毛细管第一端。
30.如权利要求27所述的设备，其特征在于：所述计量阀是一个由脉宽调制脉冲信号控制的脉冲阀。
31.如权利要求30所述的设备，其特征在于：所述控制器是一比例积分微分型控制器。
32.如权利要求27所述的设备，其特征在于：所述控制器适合于使所述预定温度由使用者进行变化。
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