(57)【要約】【課題】米国特許第５，８１２，５０５号のシステムの技術的問題点に対処し、これを解決するＩＣチップの新規温度制御システムを提供することにある。【解決手段】デュアルフィードバック制御システムは、ＩＣチップが各種量の電力を損失する間、ＩＣチップの温度を設定温度近くに維持する。第１フィードバック回路は、ＩＣチップ電力の変化を補償する可変量で、電気ヒータに電力を供給する。第２フィードバック回路は、液体冷媒の流量が一定の場合に発生する電力使用量を越える当該ヒータでの電力使用量を減少させる可変流量で、当該液体冷媒をヒータに接続された当該蒸発器に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＣチップが各種量の電力を損失する間、ＩＣチップの温度を設定温度近くに維持するデュアルフィードバック制御システムであって、
液体冷媒用の蒸発器と、一方の面が前記蒸発器と接続され、他方の面がＩＣチップに接続された電気ヒータと、
前記蒸発器に接続された蒸発器制御器と、前記電気ヒータに接続されたヒータ制御器と、
で構成され、
前記ヒータ制御器は、前記ＩＣチップ電力の変化を補償する可変サイズで前記電気ヒータに電力を供給する第１フィードバック回路手段を有し、
前記蒸発器制御器は、液体冷媒の流量が一定の場合に発生する電力使用量を越える前記ヒータでの電力使用量を減少させる可変流量で、液体冷媒を前記蒸発器に通過させる第２フィードバック回路手段を有する、デュアルフィードバック制御システム。
【請求項２】
前記液体冷媒の前記流量の大きさをかなり遅く変化させて調節するバルブを有する前記蒸発器制御器と比較すると、前記電気ヒータは大きさを即座に変化させて熱を生成することを特徴とする、請求項１に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項３】
前記第２フィードバック回路手段が、前記電気ヒータへの瞬間電力を感知し、
前記液体冷媒を、ａ）一定の時間間隔において感知された前記電気ヒータの電力の平均値が電力の上限値よりも大きい場合には減少する流量で、ｂ）一定の時間間隔において感知された前記電気ヒータの電力の平均値が電力の下限値よりも小さい場合には増加する流量で、前記蒸発器に供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項４】
前記電力の上限値が、少なくとも前記電力の下限値の２倍であることを特徴とする、請求項３に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項５】
前記第２フィードバック回路手段が、前記電気ヒータへの瞬間電力を感知し、
前記液体冷媒を、ａ）一定の時間間隔において感知された前記電気ヒータの電力の平均値が特定の電力の限界値よりも大きい場合には減少する流量で、ｂ）前記一定の時間間隔において感知された前記電気ヒータの電力の平均値が前記特定の電力の限界値よりも小さい場合には増加する流量で、前記蒸発器に供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項６】
前記第２フィードバック回路手段が、前記蒸発器の温度を感知し、
前記液体冷媒を、ａ）前記設定温度から前記蒸発器の温度を引いた値が最大の差値より大きい場合には減少する流量で、ｂ）前記設定温度から前記蒸発器の温度を引いた値が最小の差値より小さい場合には増加する流量で、前記蒸発器に供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項７】
前記第２フィードバック回路が、前記蒸発器の温度を前記ＩＣチップの温度より低い３０℃から５０℃の間に維持することを特徴とする、請求項６に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項８】
前記第２フィードバック回路手段は、前記蒸発器の温度を感知し、
前記液体冷媒を、ａ）前記設定温度から前記蒸発器の温度を引いた値が特定の差値より大きい場合には減少する流量で、ｂ）前記設定温度から前記蒸発器の温度を引いた値が前記特定の差値より小さい場合には増加する流量で、前記蒸発器に供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項９】
前記第１フィードバック回路手段が、前記ＩＣチップの温度を前記ＩＣチップ内にあるセンサによって読み取り、前記電気ヒータに電力を供給するものであり、
前記電気ヒータに、ａ）前記ＩＣチップの温度が前記設定温度より低い場合には増加する大きさで、ｂ）前記ＩＣチップの温度が前記設定温度を越えて高い場合には減少する大きさで、電力を供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１０】
前記第１フィードバック回路手段が、前記蒸発器にある一つのセンサおよび前記電気ヒータにある他の一つのセンサからの温度の関数として前記ＩＣチップの温度を推定し、
前記電気ヒータに、ａ）前記ＩＣチップの温度が前記設定温より低い場合には増加する大きさで、ｂ）前記ＩＣチップの温度が前記設定温度を越えて高い場合には減少する大きさで、電力を供給することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１１】
前記蒸発器制御器が、前記電気の上限値と前記電気の下限値とを設定する信号を格納するプログラム可能部を有することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１２】
前記電気ヒータへの瞬間電力を感知し、フィルタリングすることによって、前記第２フィードバック回路が前記平均ヒータ電力を決定することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１３】
前記蒸発器、前記電気ヒータ、前記ヒータ制御器、および、前記蒸発器制御器の組み合わせについては、各々の組み合わせが、各々のＩＣチップの各々の温度を各々の設定温度近くに維持するように、前記システムにおいて複数回繰り返して形成されることを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１４】
前記蒸発器制御器が、前記バルブをパルス変調制御信号によって開閉することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【請求項１５】
前記蒸発器制御器が、前記バルブをアナログ制御信号の振幅に応じて選択される程度まで開閉することを特徴とする、請求項２に記載のデュアルフィードバック制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路チップ及びパッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複雑なＩＣチップ（集積回路チップ）は生産される際に、これらの機能性を測定して将来の信頼性を保証するために何種類かの試験を受けることになる。一般に、まず「ウエハ」試験を行うことになる。当該試験中に、ウエハ内の各々のＩＣチップが精密に検査される。当該試験は、ＩＣチップにある特定の種類の欠陷のみを探知するというクイック試験である。一般に、ウエハ試験中の温度制御はウエハと接触する冷却板を用いて簡単に行われる。
【０００３】
次いで、ＩＣチップがパッケージングされた後に行われる試験は、「バーンイン」と呼ばれる。バーンイン試験は、「初期故障」の不具合を加速させるために、ＩＣチップに熱的および電気的ストレスを加える。ストレスを加えることにより、即座に不具合が生じるが、即座に生じないとしても、現場におけるＩＣチップ寿命の初期１０％で生じるものである。これにより、より信頼性のある製品を消費者に保証することができる。バーンイン試験は多くの時間が必要となり、一般に、ＩＣチップの温度は１００℃から１４０℃の間に維持される。またＩＣチップには、一般の電圧より高い電圧が印加される傾向があるため、ＩＣチップでの電力損失は一般の動作よりも非常に高くなる。このような特別な電力損失は、ＩＣチップの温度制御を非常に難しくする。さらに、バーンイン試験に要求される時間を最小化するためには、ＩＣチップに損傷を与えずにＩＣチップの温度をできるだけ高く維持することが望ましい。
【０００４】
一般に、バーンインが終了した後には「クラス」試験が行われる。この過程において、ＩＣチップは速度分類され、各ＩＣチップの基本機能が検証される。この試験が行われる間に、ＩＣチップでの電力損失は試験信号の流れがＩＣチップに供給されると共に著しく変化し得る。ＩＣチップの温度が上昇するにつれ、ＩＣチップの動作が遅くなるため、クラス試験中に、非常に厳格なＩＣチップの温度制御が要求される。これは、ＩＣチップの動作速度を特定温度で正確に測定することを保証する。仮にＩＣチップの温度が非常に高ければ、ＩＣチップの動作に対して低速度の評価が与えられる。そうすると、ＩＣチップは低価格部品として販売されることになる。
【０００５】
従来技術において、本発明者等は既に、前述の「バーンイン」試験と「クラス」試験を受けた場合に、ＩＣチップの温度を設定温度に維持するシステムを開示している。当該従来技術のシステムは、米国特許第５，８１２，５０５号の「装置及びヒートシンク間へのヒータの挟設により高速応答を実現する電子装置の温度制御システム」に記載されている。当該特許に対する全ての詳細な説明は本明細書に参考文献として参照する。
【０００６】
しかし、米国特許第５，８１２，５０５号のシステムが実際にＩＣチップの温度を非常に正確に制御するにもかかわらず、本発明者等は当該システムにおいて一つの特別な技術的問題点を発見した。この問題点はＩＣチップの温度が維持される正確性には何ら関係せず、図５ないし図１０と共に詳細な説明に説明されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、米国特許第５，８１２，５０５号のシステムに於ける技術的問題点を対処、解決する、ＩＣチップの新規温度制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＩＣチップが各種量の電力を損失する間に、ＩＣチップの温度を設定温度近くに維持するためのデュアルフィードバック制御システムである。当該システムは、液体冷媒用の蒸発器と、一方の面が当該蒸発器と接続されて、他方の面がＩＣチップに接続された電気ヒータとを有する。また、このシステムは、当該蒸発器に接続された蒸発器制御器と、当該電気ヒータと接続されたヒータ制御器とを有する。さらに、当該ヒータ制御器は、当該ＩＣチップが損失する電力変化を補償する可変サイズで、当該電気ヒータに電力を供給する第１フィードバック回路を有する。そしてさらに、当該蒸発器制御器は、当該液体冷媒の流量が一定の場合に発生する電力使用量を越える当該ヒータでの電力の使用量を減少させる可変流量で、当該液体冷媒を当該蒸発器に通過させる第２フィードバック回路を有する。
【０００９】
第２フィードバック回路によって達成される省電力量を示す二つの数値例が、図５ないし図１０に示されている。図５ないし図７の例において、ヒータでの電力使用量が６１％減少した。図８ないし図１０の例においては、ヒータでの電力使用量が６６％減少した。この省電力は、上記参照した従来技術である米国特許第５，８２１，５０５号の温度制御システムと比較される。
【００１０】
ある特有な実施形態において、第２フィードバック回路は、電気ヒータへの瞬間電力を感知する。その後、第２フィードバック回路は、液体冷媒を、ａ）一定時間間隔における電気ヒータに対する感知された電力の平均値が電力の上限値よりも大きい場合には減少する流量で、ｂ）一定時間間隔における電気ヒータで感知された電力の平均値が電力の下限値よりも小さい場合には増加する流量で、蒸発器に供給する。
【００１１】
また、他の特有の実施形態は、第２フィードバック回路は、蒸発器の温度を感知する。その後、第２フィードバック回路は、液体冷媒を、ａ）設定温度から蒸発器の温度を引いた値が最大の差値よりも大きい場合には減少する流量で、ｂ）設定温度から蒸発器の温度を引いた値が最小の差値よりも小さい場合には増加する流量で、蒸発器に供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の好ましい一実施形態であるＩＣチップの温度を設定温度近くに維持するためのデュアルフィードバック制御システムを図１に基づいて説明する。同図面において、項目１０は温度が維持されているＩＣチップであり、項目１１はＩＣチップが付取り付けられた基板である。図１の残り構成要素は、デュアルフィードバック制御システムを構成し、これらの構成要素は下記表１で特定される。
【００１３】
［表１］
構成要素説明
２０・・・・・・構成要素２０は薄く平坦な電気ヒータである。ヒータ２０は、ＩＣチップ１０と接触する一方の平坦な面と、構成要素２１に直接接続された反対の平坦な面を有している。電力ＰＨはヒータ２０に導線２０ａを介して供給される。ヒータ２０の温度はヒータ２０の中にあるセンサ２０ｂで感知される。当該温度は導線２０ｃを介して信号ＳＴＨで示される。
【００１４】
２１・・・・・・構成要素２１は冷媒用蒸発器である。冷媒は液体状態で導管２１aを介して蒸発器に入り、冷媒は気体状態で導管２１ｂを介して蒸発器から出る。蒸発器２１の温度は、蒸発器の外部にあるセンサ２１cによって感知される。当該温度は導線２１ｄを介して信号ＳＴＨで示される。
【００１５】
２２・・・・・・構成要素２２はバルブであり、液体状態の冷媒を導管２２ａを介して受け、冷媒を選択可能な流量で導管２２ａを介して通過させる。バルブ２２を流れる流量は、導線２２ｂを介して制御信号ＳＦＶによって選択される。一実施形態において、信号ＳＦＶはパルス変調信号であり、バルブ２２はそれぞれのパルス期間中に開放される。また、他の実施形態では、信号ＳＦＶは振幅変調アナログ信号であり、バルブ２２は信号の振幅に比例する程度まで開放される。
【００１６】
２３・・・・・・構成要素２３は圧縮機コンデンサであり、導管２１ｂに接続された入力部と導管２２ａに接続された出力部とを有している。圧縮機コンデンサ２３は、気体状態の冷媒を受け入れ、その後、圧縮、凝縮して冷媒を液体状態にする。
【００１７】
２４・・・・・・構成要素２４は基板１１を保持するソケットである。電気導線２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、ソケットを通過してＩＣチップ１０に入る。導線２４ａは、試験信号をＩＣチップ１０に入力あるいは出力する。導線２４ｂは、ＩＣチップ１０に電力ＰＥを供給する。導線２４ｃは、ＩＣチップ１０の温度を示す信号ＳＴＣを伝達する。信号ＳＴＣはＩＣチップ１０の中に組み込まれた温度センサ１０ａによって生成される。
【００１８】
２５・・・・・・構成要素２５は電力ＰＨを選択可能な大きさで電気ヒータ２０に供給する電源供給装置である。任意の瞬間の電力量は導線２５ａを介して信号ＳＰＨによって選択される。
【００１９】
２６・・・・・・構成要素２６はヒータ電源供給装置２５の制御回路である。制御回路２６は、導線２１ｄ、２０ｃ、２４ｃ、２６ａを介して受け取る信号ＳＴＥ、ＳＴＨ、ＳＴＣ、ＳＰに応じて、導線２５ａ上に信号ＳＰＨを生成する。信号ＳＰはＩＣチップ１０を維持しなければならない設定温度を示す。制御回路２６は、電源供給装置２５と電気ヒータ２０と共に図１の制御システムにおいて第１フィードバックループを形成する。第１フィードバックループは、ＩＣチップ１０での電力損失の変化を即座に補償して、ＩＣチップ１０の温度を設定温度近くに維持する。
【００２０】
２７・・・・・・構成要素２７はバルブ２２の制御回路である。制御回路２７は導線２５ａ、２１ｄ、２６ａを介して受け取る信号（ＳＰＨ、ＳＴＥ、ＳＰ）に応じて、導線２２ｂに信号ＳＦＶを生成する。制御回路２７は、バルブ２２と蒸発器２１と共に図１の制御システムにおいて第２フィードバックループを形成する。第２フィードバックループは、液体冷媒を、図１のシステムでの総電力使用量を減少させる変動的な流量で蒸発器を通過させる。
【００２１】
次いで、図２ないし図１１を参照に、第１フィードバックループと第２フィードバックループとが、どのように動作するのかをさらに詳細に説明する。まず、電力と熱電力とが正常状態で図１のシステムを流れることを示す概路図である図２を参照すべきである。幾つかの図面番号が図２で用いられるが、当該番号は以下表２で定義される。
【００２２】
［表２］
記号の意味
【００２３】
ＰＣ・・・・・・ＰＣは、ＩＣチップ１０に供給される瞬間電力である。当該電力は図１の試験信号に応答して不規則に変化する。また、当該電力は電力が供給されるＤＣ電圧レベルに比例して変化する。ＤＣ電圧レベルは、ＩＣチップで特定のタイプの不具合を発見するために、幾つかの試験中に正常レベルを上回るように上昇することができる。
【００２４】
ＰＨ・・・・・・ＰＨはヒータ２０に供給される瞬間電力である。
【００２５】
ＴＣ・・・・・・ＴＣはＩＣチップ１０の瞬間温度である。
【００２６】
ＴＨ・・・・・・ＴＨはヒータ２０の瞬間温度である。
【００２７】
ＴＥ・・・・・・ＴＥは蒸発器２１の瞬間温度である。
【００２８】
θ（Ｃ-Ｈ）・・・・θ（Ｃ-Ｈ）はＩＣチップ１０およびヒータ２０間の熱抵抗である。
【００２９】
θ（Ｈ−Ｅ）・・・・θ（Ｈ−Ｅ）はヒータ２０および蒸発器２１間の熱抵抗を示す。
【００３０】
ＴＣが設定温度で正常状態（図２参照）にあり、ＴＨとＴＥとは、次第に下降する。また、正常状態では経路３１に沿ってＩＣチップ１０から冷媒に熱電力が流れ、経路３２に沿ってヒータ２０から冷媒に熱電力が流れる。さらに、正常状態では、経路３１を流れる熱電力はＩＣチップ１０に供給される電力ＰＣと同一であり、経路３２を流れる熱電力はヒータ２０に供給される電力ＰＨと同一である。
【００３１】
ＰＣが高レベルＰＣ（＋）に上昇する場合を仮定してみる。これに対応して、ＴＣは設定温度よりも高い温度に上昇しようとする。しかし上記のような効果を補償するために、ヒータ制御回路２６はＰＨを下降させる。それに応じてＴＨは下降し、ＴＨの下降はＩＣチップ１０が高レベル電力ＰＣ（＋）を損失する間、ＩＣチップ１０の温度を設定温度に維持する。
【００３２】
反対に、ＰＣが低レベル電力ＰＣ（−）に減少する場合を仮定する。これに応じて、ＴＣは設定温度未満に下降しようとする。しかし上記のような効果を補償するために、ヒータ制御回路２６はＰＨを上昇させる。それに応じてＴＨは上昇し、ＴＨの上昇増加に応じて、ＩＣチップ１０が低下したレベルの電力ＰＣ（−）を損失する間、ＩＣチップ１０の温度を設定温度に維持する。
【００３３】
図３と図４では、正常状態でＴＣを設定温度に維持させる特定のヒータ電力ＰＨをどのように決定するかを示す数値例が図３および図４に図示されている。図３において、ＩＣチップ１０は、設定温度２５℃であり、蒸発器の温度は−５℃である。また、図３において、熱抵抗θ（Ｃ-Ｈ）およびθ（Ｈ−Ｅ）は、それぞれ０．１℃／Ｗおよび０．０５℃／Ｗである。
【００３４】
図３において、ＩＣチップ１０を設定温度に維持する特定のヒータ電力ＰＨは、図４の式１ないし式４によって計算される。式１は、ＴＣからＴＥへの温度下降はＰＣに経路３１の全ての熱抵抗値を乗した値とＰＨに経路３２の全ての熱抵抗値を乗した値との和であることを示している。この時、図３の数値を式１に代入すると式２が得られる。次いで、式２に示されている多様な数値を加算、減算することにより式３が得られる。この際、式３を解くと、ヒータ電力ＰＨに関する式４が得られる。式４から、ヒータ電力ＰＨが１５０ワットであると計算される。
【００３５】
ここで、ＩＣチップ電力ＰＣが図３の１５０ワットから図５の７０ワットに低下する場合を考えてみる。この場合、電気ヒータの電力ＰＨはＩＣチップ１０の温度が設定温度に維持されるように上昇しなければならない。正常状態において、ＩＣチップ１０の温度を設定温度に維持するヒータ電力ＰＨは、図６の式１０ないし式１２によって計算される。
【００３６】
式１０は、ＴＣからＴＥへの温度下降はＰＣに経路３１の熱抵抗値を掛けた値とＰＨに経路３２の熱抵抗値を掛けた値との和であることを示している。この際、式１０に示される多様な数値を加算、減算することによって式１１が得られる。そこから式１１を解くと、ヒータ電力ＰＨに関する式１２が得られる。式１２から、ヒータ電力ＰＨが３９０ワットと計算される。
【００３７】
ＩＣチップ電力の１５０ワットから７０ワットへの下降が、試験信号によるＰＣの不規則変化の一部として起こる単なる一時的な現象であれば、その際には蒸発器制御回路２７は何ら応答しない。逆に、所定期間△Ｔの間のヒータ電力の平均値が３９０ワットのままであれば、その際には蒸発器制御回路２７が反応して、蒸発器２１に入力される冷媒の流量を減少させ、蒸発器２１の温度ＴＥを増加させる。
【００３８】
ＴＥを増加させるということは、図１のシステムをより効率的に動作させる。
【００３９】
ＴＥを増加させるという数値例は、図７の式１３ないし１６に示されている。
【００４０】
式１３では、ＴＥが−５℃から＋７℃に増加したことを示している。蒸発器制御回路２７が、バルブ２２を流れる冷媒の流量が減少するように、図１で信号ＳＦＶを生成することによって、これを実行する。冷媒流量の減少によって温度ＴＥは上昇するが、これは液体状態から気体状態に変化する冷媒が蒸発器２１において減少するためである。
【００４１】
式１４では、ＴＣからＴＥへの温度下降はＰＣに経路３１の熱抵抗値を掛けた値とＰＨに経路３２の熱抵抗値を掛けた値との和であることを示している。この際、式１４に示される多様な数値を加算、減算することによって、式１５が得られる。そこから式１５を解くと、ヒータ電力ＰＨに関する式１６が得られる。式１６から、ヒータ電力ＰＨが１５０ワットであると計算される。
【００４２】
式１６と１２とを比べると、蒸発器制御回路２７の動作によって、２４０ワットが節約されることが分かる。即ち、図１のシステムの第２制御ループはヒータ２０の電力消費量を３９０ワットから１５０ワットまで、若しくは、６１％減少させる。
【００４３】
また、図１のシステムにおいて、圧縮機コンデンサ２３は、ヒータ電力が増加する程、より多くの動作が必要となる。よって、ヒータ電力が３９０ワットである場合に比して、単に１５０ワットである場合には、圧縮機コンデンサによってさらなる電力が節約される。
【００４４】
米国特許第５，８１２，５０５号（従来の技術で参照した）の先行技術の温度制御システムにおいては、には第２制御ループが存在しない。当該特許のシステムにおいて、冷却水が一定流量および一定温度でヒートヒンクを流れる。よって、当該特許の技術でＩＣチップ電力が１５０ワットから７０ワットに下降する際、当該下降を補償するためにヒータに供給される電力は図６の式１０ないし式１２によって決定される。
【００４５】
次いで、図１のシステムが図３に示された前述の正常状態で再び動作している場合を考えてみる。この際、設定温度が２５℃から４０℃に上昇する場合、どうなるのかについて考えてみる。設定温度が変化する際、図５に示された正常状態の動作は、図８に示された正常状態の動作に変化する。
【００４６】
正常状態において、ＩＣチップ１０を設定温度に維持する図８での特定のヒータ電力ＰＨは、図９の式２０ないし式２２によって計算される。式２０では、ＴＣからＴＥへの温度下降は、ＰＣに経路３１の熱抵抗値を掛けた値とＰＨに経路３２の熱抵抗値を掛けた値との和であることが示されている。この時、式２０に示される多様な数値を加算、減算することによって式２１が得られる。そこで、式２１を解けば、ヒータ電力ＰＨに関する式２２が得られる。式２２から、ヒータ電力ＰＨが４５０ワットであると計算される。
【００４７】
上記のヒータ電力が図３の１５０ワットから図８の４５０ワットに上昇したのは、試験信号によるＰＣの不規則変化の一部として発生する単なる一時的現象ではない。よって、蒸発器制御回路２７は、再び図１のシステムの動作がさらに効率的になるように、蒸発器２１の温度ＴＥを上昇させることによって反応する。このような動作の数値例は、図１０の式２３ないし式２６に示されている。
【００４８】
式２３は、ＴＥが−５℃から＋１０℃に上昇することを示している。蒸発器制御回路２７が、バルブ２２を流れる冷媒の流量を減少させるように、図１で信号ＳＦＶを生成することによってこれを実行する。式２４では、ＴＣからＴＥへの温度下降はＰＣに経路３１の熱抵抗値を掛けた値とＰＨに経路３２の熱抵抗値を掛けた値との和であることと示している。次いで、式２４に示されている多様な数値を加算、減算することによって式２５が得られる。そして式２５を解けば、ヒータ電力ＰＨに関する式２６が得られる。式２６から、ヒータ電力ＰＨが１５０ワットであると計算される。
【００４９】
式２６と式２２を比べると、蒸発器制御回路２７の動作によって３００ワットが節約されることが示されている。よって、図１のシステムの第２制御ループは、ヒータ２０の電力消費を４５０ワットから１５０ワットまで、若しくは、６６％減少させる。ここで再び、圧縮機コンデンサ２３によってさらなる電力が節約されるが、これはヒータ電力が４５０ワットである場合に比して、単に１５０ワットである場合には、蒸発器コンデンサ２３がより多くの動作を必要としないためである。
【００５０】
米国特許第５，８１２，５０５号の先行技術の温度制御システムでは、冷却水が一定流量および一定温度でヒートシンクを流れる。よって、当該特許の先行技術において、設定温度が２５℃から４０℃に上昇する際、設定温度の上昇を補償するためにヒータに供給される電力は、図９の式２０ないし式２２によって決定される。
【００５１】
次いで、ヒータ制御回路２６および蒸発器制御回路２７が時間経過に伴い、どのように動作するかを示す図１１を参照すべきである。図１１において、水平軸に沿って左から右に時間が経過する。また、図１１において、波形４１はヒータ２０に供給される電力の移動平均を示している。任意の時間ｔでの当該移動平均は、時間ｔで終了する時間間隔△Ｔ中に得られたものである。
【００５２】
さらに、図１１において、波形４２はヒータ２０に供給される瞬間電力を示している。ＴＣが設定温度よりも低い温度に下降し始めると、当該瞬間電力はヒータ制御回路２６によって即座に増加し、ＴＣが設定温度よりも高い温度に上昇し始めると、当該瞬間電力は即座に減少する。その結果、ＴＣは常に設定温度、若しくは、設定温度近くに維持される。
【００５３】
図１１を単純化すると、波形４２によって示されている瞬間ヒータ電力は時間ｔ１からｔ２の間のみに表示されており、一方、波形４１によって示されている平均ヒータ電力は、時間ｔ１から時間ｔ９の間に表示されている。当然のことながら、波形４２の急速な変化は、時間ｔ１から時間ｔ２の間と同様に、時間ｔ２から時間ｔ９の間の波形４１に重畳されている。
【００５４】
さらに、図１１の参照数値４３および４４は、それぞれ平均ヒータ電力の上限および下限を示す。当該二つの限界値４３および４４を示す信号は、蒸発器制御回路２７に格納されている。
【００５５】
平均ヒータ電力４１が上限４３を越える際には、蒸発器制御回路２７は蒸発器２１への冷媒の流量ＦＲを減少させる。反対に、平均ヒータ電力４１が下限４４を下回るように減少する際には、蒸発器制御回路２７は蒸発器２１への冷媒の流量ＦＲを増加させる。流量ＦＲは図１１の波形４５で示される。
【００５６】
図１１において、時間ｔ１から時間ｔ２の間に平均ヒータ電力４１は限界値４３および４４の間に維持される。よって、蒸発器制御回路２７は流量ＦＲに変化を与えない。
【００５７】
その後、時間ｔ２において、設定温度に階段状の増加が発生する。よって、設定温度とＩＣチップ１０の温度との間に大きな差が生じる。それに応じて、ヒータ制御回路２６はヒータ２０に供給される平均電力４１を増加させる。
【００５８】
また、蒸発器制御回路２７は、設定温度の階段状の変化に対して反応する。具体的には、蒸発器制御回路２７は、液体冷媒を、ａ）設定温度から蒸発器２１の温度を引いた値が上限値を越える場合に減少する流量、および、ｂ）設定温度から蒸発器２１の温度を引いた値が下限値に及ばない場合に増加する流量で、蒸発器２１に送る。一つの適切な上限値は５０℃であり、一つの適切な下限値は３０℃である。
【００５９】
図１１において、蒸発器制御回路２７は、時間ｔ２から時間ｔ３の間の波形４５で示しているように冷媒の流量ＦＲを減少させる。冷媒の流量ＦＲが減少する程、蒸発器の温度ＴＥは上昇する。よって、平均ヒータ電力４１の減少が生じることになる。これは正常状態においてＩＣチップ１０を設定温度に維持するために要求されるものである。
【００６０】
時間ｔ３において、平均ヒータ電力４１は上限値４３より下回る。このような場合、蒸発器制御回路２７は冷媒の流量ＦＲを変化させる妨げとなる。
【００６１】
時間ｔ３から時間ｔ４の間に、平均ヒータ電力４１はゆっくりと上限値４３から下限値４４まで低下する。これは、時間ｔ３に設定された流量ＦＲが非常に小さいということを示す。
【００６２】
したがって、時間ｔ４から時間ｔ５の間に、蒸発器制御回路２７は波形４５で示しているように、流量ＦＲを増加させることにより、反応を示す。これは、蒸発器２１の温度ＴＥを低下させる。それに応じて、ヒータ制御回路２６は正常状態において、ＩＣチップ１０を設定温度に維持するために平均ヒータ電力４１を増加させる。
【００６３】
時間ｔ５において、平均ヒータ電力４１は下限値４４より高くなる。この場合、蒸発器制御回路２７は冷媒の流量ＦＲを変化させる妨げとなる。
【００６４】
その後、時間ｔ５から時間ｔ６の間に平均ヒータ電力４１は二つの限界値４３、４４の間で維持される。よって、流量ＦＲには何ら変化が生じない。
【００６５】
次いで、時間ｔ６で、ＩＣチップ１０に供給される平均電力ＰＣに階段状の減少が生じる。これは、電力がＩＣチップ１０に供給されるＤＣ電圧に階段状の減少により引き起こされ得る。これはまた、ＩＣチップ１０の内部にある少数のトランジスタを切り替える一連の試験信号が他の一連の試験信号に変わることによって引き起こされる。
【００６６】
上述の電力の減少に応じて、ＩＣチップ１０の温度は設定温度を下回り始める。当該温度下降はヒータ制御回路２６によって感知され、ヒータ制御回路２６は平均ヒータ電力４１を即座に増加させる。
【００６７】
平均ヒータ電力４１が上限値４３を越える場合、蒸発器制御回路２７は冷媒の流量ＦＲを減少させることによって反応する。これは時間ｔ６から時間ｔ７の間の波形４５で示されている。当該流量の減少によって、蒸発器２１の温度は増加する。当該増加した蒸発器温度により、平均ヒータ電力４１の低下を可能にし、正常状態でＩＣチップ１０を設定温度に維持する。
【００６８】
時間ｔ７から時間ｔ８の間において、平均ヒータ電力４１は上限値４３から下限値４４に次第に下がる。これは時間ｔ７で流量ＦＲが非常に低く設定されたことを示す。
【００６９】
したがって、時間ｔ８から時間ｔ９の間においては、波形４５で示されるように、蒸発器制御回路２７は流量ＦＲを増加させることにより反応をする。これに応じて、蒸発器２１の温度ＴＥが下がる。したがって、ヒータ制御回路２６は、正常状態において、ＩＣチップ１０を設定温度に維持するために平均ヒータ電力４１を増加させる。
【００７０】
時間ｔ９において、平均ヒータ電力４１は下限値４４より高くなる。この場合、蒸発器制御回路２７は冷媒流量ＦＲの変化を停止させる。その後、平均ヒータ電力４１は二つの限界値４３、４４の間で維持され、蒸発器制御回路２７は冷媒の流量ＦＲを何ら変化させない。
【００７１】
次いで、図１２を参考して、蒸発器制御回路２７の内部構造に関する好ましい一実施形態を説明する。図１２の実施形態は、構成要素５５ないし６６の全ての構成要素を有し、当該構成要素は以下表３で特定される。
【００７２】
［表３］
構成要素説明
５１・・・・・・構成要素５１は、平均ヒータ電力の上限値を特定するデジタル信号を有するレジスタである。図１２で示しているように、一例として、当該上限値は２５０ワットであるのが良い。好ましくは、上限が下限より少なくとも２倍であるのが良い。
【００７３】
５２・・・・・・構成要素５２は、平均ヒータ電力の下限値を特定するデジタル信号を有するレジスタである。好ましくは、図１２に示しているように、下限は少なくとも５０ワットであるのが良い。
【００７４】
５３・・・・・・構成要素５３は、ヒータ電力の移動平均が決定される時間間隔△Ｔを特定するデジタル信号を有するレジスタである。好ましくは、当該時間間隔は０．５から１０秒の間の範囲であるのが良い。
【００７５】
５４・・・・・・構成要素５４は、ヒータ電力の移動平均を決定する回路である。回路５４からの出力信号Ｓ１は当該移動を示す。回路５４の一実施形態としては、デジタルローパスフィルタであり、ここでは時間間隔△Ｔ中の瞬間ヒータ電力をサンプリングする。
【００７６】
５５・・・・・・構成要素５５は、ポジティブ入力からネガティブ入力を減算する演算回路である。回路５５の出力信号Ｓ２はこの差を示す。
【００７７】
５６ａ、５６ｂ・・・構成要素５６ａ、５６ｂはそれぞれダイオードとレジスタとであり、共に信号Ｓ３を生成する。信号Ｓ３は信号Ｓ２が０より大きい場合、Ｓ２の値に等しい。これに該当しない場合、信号Ｓ３は０に等しい。
【００７８】
５７・・・・・・構成要素５７は、ポジティブ入力からネガティブ入力を減算する演算回路である。回路５７からの出力信号Ｓ４はこの差を示す。
【００７９】
５８ａ、５８ｂ・・・構成要素５８ａ、５８ｂは共に信号Ｓ５を生成するダイオードとレジスタである。信号Ｓ５は、信号Ｓ４が０より大きい場合、Ｓ４の値に等しい。これに該当しない場合、信号Ｓ５は０に等しい。
【００８０】
５９・・・・・・構成要素５９は、設定温度から蒸発器２１温度を引いた上限値を特定するデジタル信号を保有するレジスタである。好ましくは、図１２に示しているように、当該上限が５０℃を超えないのが良い。
【００８１】
６０・・・・・・構成要素６０は、設定温度から蒸発器２１温度を引いた下限値を特定するデジタル信号を保有するレジスタである。好ましくは、図１２に示しているように、当該下限が少なくとも３０℃であるのが良い。
【００８２】
６１・・・・・・構成要素６１は、ポジティブ入力からネガティブ入力を減算する演算回路である。回路６１からの出力信号Ｓ６はこの差を示す。
【００８３】
６２・・・・・・構成要素６２は、ポジティブ入力からネガティブ入力を減算する演算回路である。回路６２からの出力信号Ｓ７はこの差を示す。
【００８４】
６３ａ、６３ｂ・・・・構成要素６３ａ、６３ｂは、共に信号Ｓ８を生成するダイオードとレジスタである。信号Ｓ８は、信号Ｓ７が０より大きい場合、Ｓ７の値に等しい。これに該当しない場合、信号Ｓ８は０に等しい。
【００８５】
６４・・・・・・構成要素６４は、ポジティブ入力からネガティブ入力を減算する演算回路である。回路６４の出力信号Ｓ９はこの差を示す。
【００８６】
６５・・・・・・構成要素６５ａ、６５ｂは共に信号Ｓ１０を生成するダイオードとレジスタである。信号Ｓ１０は、信号Ｓ９が０より大きい場合、Ｓ９の値に等しい。これに該当しない場合、信号Ｓ１０は０に等しい。
【００８７】
６６・・・・・・構成要素６６は信号Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０に応じて信号ＳＦＶを生成する回路である。これがどのように行われるのかを以下説明する。
【００８８】
図１２に示された回路の作動は、レジスタ５１、５２、５３、５９、６０のすべてをこれらのレジスタの変数と共にロードすることから始まる。これを行うために、レジスタ５１、５２、５３、５９、６０は、変数を時間分割データバスＤＢを介して順次供給する。特定の変数の値がオペレータによって選択され、オペレータの端末（図示せず）から供給される。
【００８９】
次いで、信号ＳＰＨ、ＳＰ、ＳＴＥは構成要素５４、６１によって連続して受信される。それに応じて、これらの信号は構成要素５４、５５、５６ａ、５６ｂ、５７、５８ａ、５８ｂ、６１、６２、６３ａ、６３ｂ、６４、６５ａ、６５ｂによって連続して処理される。このような方法によって、信号Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０は連続して生成される。
【００９０】
信号Ｓ３は、ヒータ電力が非常に高い時、バルブ２２を通過する流量が減少するべき程度を示す。反対に、信号Ｓ５は、ヒータ電力が非常に低い時、バルブ２２を通過する流量が増加すべき程度を示す。
【００９１】
信号Ｓ８は、蒸発器の温度が設定温度より非常に低い時、バルブ２２を通過する流量が減少すべき程度を示す。反対に、信号Ｓ１０は、蒸発器の温度が設定温度に非常に近接する時、バルブ２２を通過する流量が増加すべき程度を示す。
【００９２】
信号Ｓ５によって示されている流量の増加は、信号Ｓ８によって示されている流量の減少により相殺される。同じく、信号Ｓ１０によって示されている流量の増加は、信号Ｓ３によって示されている流量の減少により相殺される。
【００９３】
信号Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０のすべての示す値によって、バルブ２２を通過する流量が非常に小さいと示される際には、回路６６は当該流量を増加する方法によって信号ＳＦＶを変化させる。同じく、信号Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０のすべての示す値によって、バルブ２２を通過する流量が非常に高いと示される際には、回路６６は当該流量を減少させる方法によって信号ＳＦＶを変化させる。他の全ての場合には、信号Ｓ３、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１０は０であり、この際、回路６６は信号ＳＦＶを何ら変化させない。
【００９４】
適切には、信号ＳＦＶは当該信号でそれぞれのパルス時間間隔の間、バルブ２２を完全に開放するパルス変調信号として生成されるのが良い。他の方法としては、信号ＳＦＶは当該信号の振幅に比例する程度までバルブ２２を開放する振幅変調信号として生成される。
【００９５】
ここまではＩＣチップの温度を設定温度近くに維持するためのデュアルフィードバック制御システムの好ましい一実施形態を詳しく説明した。ここからは、本発明の範囲を脱しない範囲で当該実施形態に対する多少の変形例を説明する。
【００９６】
一つの変形例としては、温度が設定温度近くに維持されているＩＣチップ１０は、如何なるタイプの「チップパッケージ」でも可能である。図１においては、ＩＣチップ１０は基板１１上のみに実装されることが示されている。他の方法としては、ＩＣチップ１０は「実装されない」 状態であって、ソケット１４によって直接保持されることも可能である。また、他の方法としては、基板１１上にあるＩＣチップ１０は、蓋で完全に覆うことも可能である。したがって、図１のヒータ２０は、ＩＣチップと直接接触してもよいし、ＩＣチップを覆うカバーと接触してもよい。
【００９７】
他の変形例において、温度が設定温度近くに維持されるＩＣチップ１０は、自己の温度センサを含んでもよいし、含まなくてもよい。図１においては、ＩＣチップ１０は、自己の温度センサ１０ａを有していることが示されている。しかし、ＩＣチップ１０がそうした温度センサを有していなくても、ヒータ制御回路２６は、信号ＳＴＨを介するヒータ２０の温度と信号ＳＴＥを介する蒸発器の温度とをモニタリングすることにより、ＩＣチップ１０の温度ＴＣを推定することができる。当該推定がどのように行われるかについては、本発明者により米国特許第５，８４４，２０８号「ヒータ温度およびヒートシンク温度から装置温度が推定される電子装置の温度制御システム」に開示されている。
【００９８】
また、他の変更例において、図１のシステムをＮ個のＩＣチップ１０が設定温度近くに維持されたそれぞれの温度を同時に有するように拡張することができる。当該拡張されたシステムで、構成要素２０ないし２２、および、構成要素２４ないし２７の全ては、Ｎ回繰り返して形成される。要望どおり、圧縮機コンデンサ２３は単数回または複数回繰り返して形成されればよい。冷媒は液体状態で単数または複数の圧縮機コンデンサ２３から繰り返して形成されたバルブ２２のすべてに供給され、当該冷媒は気体状態で繰り返して形成された蒸発器２１のすべてから単数または複数の圧縮機コンデンサ２３に回収される。
【００９９】
さらに、他の変形例においては、図１２に示された特定の蒸発器制御回路２７を単純化することができる。１つ目の単純化としては、レジスタ５１、５２、５３、５９、６０が保有しているパラメータのすべてを固定するものである。それらの固定されたパラメータは、構成要素５４、５５、５７、６２、６４に組み込まれる。これにより、データバスＤＢだけでなく、レジスタ５１、５２、５３、５９、６０のすべても除去可能になる。
【０１００】
図１２の蒸発器制御回路に対する２つ目の単純化としては、信号Ｓ８とＳ１０とを生成する構成要素のすべてを取り除くことである。当該構成要素は、構成要素５９、６０、６１、６２、６３ａ、６３ｂ、６４、６５ａ、６５ｂである。当該変形例によれば、ヒータ２０によって使用される電力は、バルブ２２を通過する冷媒の流量が固定されたシステムに比べると、まだ低減されている。しかし、省電力は、図１２の制御回路によって達成されたものよりは大きくなくてもよい。
【０１０１】
同様に、図１２の蒸発器制御回路に対する３つ目の単純化としては、信号Ｓ３とＳ５とを生成する構成要素のすべてを取り除くことである。当該構成要素は、構成要素５１、５２、５３、５４、５５、５６ａ、５６ｂ、５７、５８ａ、５８ｂである。ここでまた、この変更例によれば、ヒータ２０によって使用される電力は、バルブ２２を通過する冷媒の流量が固定されたシステムに比べると、まだ低減されている。しかし、省電力は図１２の制御回路によって達成されたものよりは大きくてもよい。
【０１０２】
図１２の蒸発器制御回路に対する４つ目の単純化としては、レジスタ５１に保有された電力の上限とレジスタ５２に保有された電力の下限とが同一になり得るということである。この場合、レジスタ５２を除去することが可能であり、レジスタ５１の出力は演算回路５５のネガティブ入力だけではなく、演算回路５７のポジティブ入力にも送信される。同様に、レジスタ５９に保有された温度差の上限値とレジスタ６０に保有された温度差の下限値とが同一になり得る。この場合は、レジスタ６０を除去することが可能であり、レジスタ５９の出力は、演算回路６２のネガティブ入力だけではなく、演算回路６４のポジティブ入力にも送信される。
【０１０３】
また、図１２に示されている蒸発器制御回路２７の構成要素５１ないし６６のそれぞれは、如何なる所望の方式でも実行可能である。例えば、演算回路５５、５７、６１、６２、６４のそれぞれは、デジタル信号を減算するデジタル演算回路、または、アナログ信号を減算するアナログ演算回路で実現可能である。他の例として、ダイオードとレジスタのペア５６ａと５６ｂ、５８ａと５８ｂ、６３ａと６３ｂ、６５ａと６５ｂは、信号Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９が０より大きければ、当該信号を通過し、これに該当しなければ、ゼロ出力を生成する任意の回路として実行可能である。また他の例として、演算回路５５、５７、６２、６４が、ネガティブ入力の大きさがポジティブ入力の大きさより大きければ０ゼロ出力を生成するように実行可能であり、ダイオードとレジスタのペア５６ａと５６ｂ、５８ａと５８ｂ、６３ａと６３ｂ、６５ａと６５ｂを除去可能である。
【０１０４】
他の変更例として、図１のシステムで使用される冷媒は、蒸発器において液体状態から気体状態に変化する如何なる物質でも良い。例えば、これらの冷媒はフロロメタンまたはフロロエタン等のフッ化炭化水素、水、液体窒素、または、適当な蒸発特性を有する如何なる他の物質でもよい。
【０１０５】
上述の内容を考慮すると、当然のことながら、本発明は一つの特定の実施形態の詳細な内容のすべてに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】ＩＣチップの温度を設定温度近くに維持するためのデュアルフィードバック制御システムを示しており、これは本発明の好ましい一実施形態である。
【図２】電力および熱電力が図１のシステムを流れることを示している概路図である。
【図３】図３の様々な項目に数値が割り当てられている点を除き、図２の概路図と同一である。
【図４】図３の概路図でヒータに供給される電力を決定する式の集合を示している。
【図５】図５でＩＣチップが損失する電力が１５０Ｗから７０Ｗに減少している点を除き、図３の概略図と同一である。
【図６】図６は図５の概路図でヒータに供給される電力を決定する式の集合である。
【図７】図１の蒸発器制御回路が蒸発器の温度を−５℃から＋７℃に変化させる条件下での図５の概路図に示されたヒータに供給される電力を決定する式の集合である。
【図８】図３ＩＣチップの設定温度が２５℃から４０℃に上昇している点を除き、図３の概略図と同一である。
【図９】図８の概路図のヒータに供給される電力を決定する式の集合である。
【図１０】図１の蒸発器制御回路が蒸発器の温度を−５℃から＋１０℃に変化させる条件下での図８の概路図に示されたヒータに供給される電力を決定する式の集合である。
【図１１】図１のヒータ制御回路および図１の蒸発器制御回路が時間経過に伴いどのように動作するのかを示す図である。
【図１２】図１の蒸発器制御回路の内部構造に関する好ましい一実施形態を示している
【符号の説明】
【０１０７】
２０    ヒータ
２０ａ  導線
２０ｂ  センサ
２０ｃ  導線
２１    蒸発器
２１ａ  導管
２１ｂ  導管
２１ｃ  センサ
２１ｄ  導線
２２    バルブ
２２ａ  導管
２２ｂ  導線
２３    圧縮機コンデンサ
２４    ソケット
２４ａ  導線
２４ｂ  導線
２４ｃ  導線
２５    電源供給装置
２５ａ  導線
２６    ヒータ制御回路
２６ａ  導線
２７    蒸発器制御回路
【図１】
2007526636.tif 000003
【図２】
2007526636.tif 000004
【図３】
2007526636.tif 000005
【図４】
2007526636.tif 000006
【図５】
2007526636.tif 000007
【図６】
2007526636.tif 000008
【図７】
2007526636.tif 000009
【図８】
2007526636.tif 000010
【図９】
2007526636.tif 000011
【図１０】
2007526636.tif 000012
【図１１】
2007526636.tif 000013
【図１２】
2007526636.tif 000014
【国際調査報告】
2007526636.tif 000015
2007526636.tif 000016