(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボードの両面若しくは片面に発熱要素が実装されボードの両面に浸漬液冷方式の冷却構造を備える浸漬液冷型のボード冷却構造において、
ボード上の浸漬液冷部位に存在する、基板の複数配線層間を電気的に接続するバイアホールに対して、両ボード間で冷媒が流通阻止される閉塞手段を備える、ことを特徴とする浸漬液冷型のボード冷却構造。
【請求項２】
閉塞手段は、該バイアホールにおけるボード両面の一方、若しくは両方に対して閉塞部材を適用して塞ぐ、ことを特徴とする請求項１記載の浸漬液冷型のボード冷却構造。
【請求項３】
閉塞手段は、該バイアホールのランド部位へのソルダーレジストの塗布を除外しておき、
当該ランド部位へ閉塞部材であるクリームハンダを塗布し、
リフローハンダ装置により該クリームハンダを溶解してハンダ付けして当該部位のバイアホールを閉塞する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の浸漬液冷型のボード冷却構造。
【請求項４】
冷媒は電気伝導性のない冷却用液体であるフロリナートを適用する、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の浸漬液冷型のボード冷却構造。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の浸漬液冷型のボード冷却構造を適用する、ことを特徴とする半導体試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数個の高消費電力ＩＣを実装した所定に冷却可能な浸漬液冷形態のボード構造、及びこれを用いる半導体試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボード上には、例えば数十個以上の高速動作用のバイポーラＩＣが両面に実装されている。このボードの消費電力は、システムや試験速度にもよるが、例えば５００Ｗ程度の高い電力消費である。更に、前記ボードの数十枚が、隣接して配設されるシステムがある。この結果、比較的密集した領域内で数キロワット以上もの消費電力となる。このような高消費電力ＩＣを実装したボードの冷却手法としては、浸漬液冷方式による冷却がある。
【０００３】
次に、ボードの両面に実装されている部品を浸漬して液冷する浸漬液冷の構造例について図１のボード正面図と、図２のボード中央部で切断した断面概念図と、図３のバイアホール部位の拡大側断面図とを参照しながら説明する。
図１に示すボード５０の要部構成要素は、基板５２と、流通孔５４と、コネクタ部５５、５６と、第１カバー１０と、第２カバー２０と、冷媒２と、流入口１２と、流出口２２とを備える。
【０００４】
ボード５０は、両面に多数個の高消費電力ＩＣが実装されている。これを対象として両面の要部を覆う第１カバー１０と、第２カバー２０とが気密状態に固定されている。この中空内へ、外部から冷媒２が流れる構造を備えている。尚、カバーの外には他との信号授受や電力の供給を行うコネクタ部５５、５６が配設されている。
【０００５】
基板５２は、高消費電力ＩＣを冷媒２で直接的に浸漬液冷できるようにする為、基板自体の両面が冷媒の流路壁として適用している。そして、第１カバー１０と第２カバー２０との両カバー間を冷媒２が流れるようにする為に、所定の位置に流通孔５４が形成されている。また、図示無いが、基板は多層基板が適用されていて、各層間を接続する数千箇所もの多数のバイアホール５８が点在している。
【０００６】
ここで、１つのバイアホール５８について図３を参照して説明する。基板５２の両面にはソルダーレジスト７２が塗布されている。バイアホール５８の上面及び下面に形成されているランド５９Ａ、５９Ｂ上にもランドレジスト７４が塗布されている。しかし、ソルダーレジスト７２によって貫通孔５７を封止することは出来ない。この結果、数千箇所もの多数の貫通孔５７が存在することとなる。
【０００７】
図１に戻って第１カバー１０は、弁当箱型の形状であり、基板５２面と接する部位にはシール構造を備えていて、止めネジ等でシール可能に基板５２へ固定されている。この高さは、ボード全体の厚みが厚くならない程度に、且つ、実装部品に当たらない程度の比較的低い高さである。この第１カバー１０と対向する基板５２面とによって、冷媒２が流通する為の密閉空間が形成されている。この第１カバー１０の一端には冷媒２が流入する為の流入口１２が備えられている。尚、図示ないが、各高消費電力ＩＣへ冷媒２が平均的に流れる整流構造も形成されている。
【０００８】
冷媒２は、電気伝導性のない冷却用液体であって、例えばフロリナートが使用される。流入口１２から流入した冷媒２は、図１Ａに示すように、一方のボード面上に実装されている多数個の高消費電力ＩＣの熱を順次吸熱していき、流通孔５４からボードの他面側へ流れ込む。尚、流通孔５４の開口は、例えば１０mm×３０mm程度の開口孔としていて、例えば２リットル／分程度の流量である。
【０００９】
図２に示す第２カバー２０も、上記第１カバー１０と同様の構造を備えている。上記流通孔５４から流入する冷媒２は、図１Ｂに示すように、他方の基板５２面上に実装されている多数個の高消費電力ＩＣの熱を順次吸熱していき、流出口２２から外部へ流出する。
【００１０】
ところで、基板５２にはバイアホール５８が点在する。この孔径は例えば０．３mmφと小径であるものの数千個もの多数存在する。個々のバイアホール５８によって発生する、図２Ｃ、Ｄ、Ｅに示すような微量なバイパス流は本来の流路では無い。冷媒２の粘性は比較的小さく、各種の設計条件によっても異なってくるが、多数個のバイアホール５８による流量割合は、数十％程度のバイパス流量となる場合がある。このバイパス流量の結果、本来の設計流量よりも低下する部位では、ＩＣのジャンクション温度が上昇してしまう。この為、冷媒２の供給圧力を上げて全体の流量を増加する必要が生じてくる。しかし、逆に、本来の設計流量よりも多量となる部位のＩＣはジャンクション温度が低下してしまう。この結果、ＩＣ間の冷却効果にアンバランスを生じてくる為、当初設計のような均一な温度分布とはならなくなる不具合が生じてくる。
【００１１】
ところで、ジャンクション温度の変化はＩＣの伝搬遅延量を直接変動させる要因である。また高周波特性にも変動を生じてくる。従って、上述したように意図した冷却効果と異なると、個々の高消費電力ＩＣが意図した特性条件で動作出来なくなる可能性がある。特に、半導体試験装置のように、複数信号のチャンネル間のタイミング条件が数十ピコ秒の精度が要求されたり、スルーレート波形が数百ピコ秒の所定の波形が要求されるような場合には、スキュー誤差や波形ばらつきを生じて、装置の測定精度が悪化してくる為、好ましくない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述説明したように従来技術においては、多数個のバイアホール５８によるバイパス流量に伴って、本来の冷却効果が得られない場合がある。また、各ＩＣ間において、当初に意図した冷却温度分布とならない不具合が生じてくる。このことは好ましくなく実用上の難点がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高消費電力ＩＣが実装されているボードを意図した所定の冷却が可能な浸漬液冷形態のボード構造、及びこれを用いる半導体試験装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１に、上記課題を解決するために、ボードの両面若しくは片面に発熱要素（例えば高消費電力ＩＣ）が実装されボードの両面に浸漬液冷方式の冷却構造を備える浸漬液冷型のボード冷却構造において、
ボード上の浸漬液冷部位に存在する、意図しない冷却流路の形成となる貫通孔（例えばバイアホール５８）に対して、両ボード間で冷媒２が流通阻止される閉塞手段を備える、ことを特徴とする浸漬液冷型のボード冷却構造である。
上記発明によれば、高消費電力ＩＣが実装されているボードを意図した所定の冷却が可能な浸漬液冷形態のボード構造、及びこれを用いる半導体試験装置が実現できる。
【００１４】
また、上述貫通孔の一態様としては、基板５２の複数配線層間を電気的に接続するバイアホール５８に適用される貫通孔５７である、ことを特徴とする上述浸漬液冷型のボード冷却構造がある。
【００１５】
また、上述閉塞手段の一態様としては、上記貫通孔におけるボード両面の一方、若しくは両方に対して閉塞部材を適用して塞ぐ、ことを特徴とする上述浸漬液冷型のボード冷却構造がある。
【００１６】
第４図は、本発明に係る解決手段を示している。
また、上述閉塞手段の一態様は、上記バイアホール５８のランド５９Ａ、５９Ｂ部位へのソルダーレジスト７２の塗布を除外しておき、
当該ランド部位へ閉塞部材であるクリームハンダ８０を塗布し、
リフローハンダ装置により上記クリームハンダ８０を溶解してハンダ付けして当該部位の貫通孔５７を閉塞する、ことを特徴とする上述浸漬液冷型のボード冷却構造がある。
【００１７】
また、上述冷媒２は電気伝導性のない冷却用液体であるフロリナートを適用する、ことを特徴とする上述浸漬液冷型のボード冷却構造がある。
【００１８】
また、上述浸漬液冷型のボード冷却構造を、例えばテストヘッドのピンエレクトロニクス用のボードに適用する、ことを特徴とする半導体試験装置がある。
【００１９】
また、上述ボード冷却構造として、第１カバー１０と第２カバー２０とをシール可能に基板５２を挟んで取り付けられてボードに流れる冷媒２を収容する構造を備えるとき、当該カバー内領域の基板５２の所定位置へ、両面間に冷媒２を流通させる流通孔５４を形成して備える、ことを特徴とする上述浸漬液冷型のボード冷却構造がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を適用した実施の形態の一例を図面を参照しながら説明する。また、以下の実施の形態の説明内容によって特許請求の範囲を限定するものではないし、更に、実施の形態で説明されている要素や接続関係が解決手段に必須であるとは限らない。更に、実施の形態で説明されている要素や接続関係の形容は、一例でありその形容内容のみに限定するものではない。
【００２１】
本発明における貫通型のバイアホール５８の孔に対する封止手段の一例としては、ハンダを充填して封止する。これについて、図４と図５とを参照して以下に説明する。尚、従来構成に対応する要素は同一符号を付し、また重複する部位の説明は省略する。
【００２２】
図４は本発明の、基板５２の１カ所のバイアホール５８部位を拡大した側断面図である。本発明では、ソルダーレジスト７２の形成において、図４（ａ）に示すように、バイアホール５８の上面及び下面に形成されているランド５９Ａ、５９Ｂ上にはソルダーレジスト７２を形成しない。これにより、当該部位はハンダリフローが可能となる。
【００２３】
その後、対応するメタルマスクを適用して、他の回路部品の電極パッドへのクリームハンダ８０の塗布と同時に、ランド５９Ａ、５９Ｂへもクリームハンダ８０を塗布する。
【００２４】
上記クリームハンダ８０の塗布後、ＩＣ等の回路部品がチップマウンター装置で自動実装され、その後にリフローハンダ装置でリフローハンダ付けが行われる。この結果、数千個もの多数存在するバイアホール５８は、図４（ｂ）に示すように、ランド５９Ａ、５９Ｂ上のクリームハンダ８０によってハンダ付けされて封止され、貫通孔５７を塞ぐことができる。
これによれば、従来のようなバイアホール５８を流れるバイパス流量の発生をゼロにすることができる。従って、本来の設計上の流路で冷媒２が流れていくので、各高消費電力ＩＣへ冷媒２が当初の設計通りに流れて所望に冷却されることとなる。この結果、各ＩＣのジャンクション温度の偏差は低減されて、当初設計通りの一定した温度状態で稼働できる利点が得られる。
【００２５】
尚、本発明の技術的思想は、上述実施の形態の具体構成例、接続形態例に限定されるものではない。更に、本発明の技術的思想に基づき、上述実施の形態を適宜変形して広汎に応用してもよい。
例えば、上述実施例では、バイアホール５８の両面から塞ぐ手段とする具体例を示したが、少なくとも一方の面を塞ぐことで実用的に足りる。
【００２６】
また、上述実施例では、全てのバイアホール５８を対象として適用する具体例を示したが、図５（ａ）に示すように、バイアホール５８の両面に、面実装される面実装部品がほぼ密着して実装される場合には、当該部位に存在するバイアホール５８を流れるバイパス流量が無視できる程度に微量であるからして、所望により、当該部位のバイアホール５８に対する適用を除外しても良い。
また、バイアホール５８の両面における一方の面において、図５（ｂ）に示すように、面実装される面実装部品がほぼ密着して実装される場合で、且つ、当該バイアホール５８を流れるバイパス流量に伴う流量変動やＩＣのジャンクション温度の影響が実用上無視できる場合には、所望により、当該部位に存在するバイアホール５８に対する適用を除外しても良い。
【００２７】
また、上述実施例では、バイアホール５８の孔に対する封止手段としてハンダを充填して封止する具体例で説明したが、他の封止手段を適用しても良い。例えば、樹脂系の接着剤をバイアホール５８の孔に充填、若しくは塗布封止する手法としても良い。また、バイアホール５８の孔を封止可能な程度の厚いレジスト膜をスクリーン印刷手法で当該部位に塗布する手法としても良い。要は、バイアホール５８の孔を実質的に塞ぐことができれば良い。
【００２８】
また、上述実施例では、基板５２に両面間を冷媒２が流れるようにする流通孔５４を形成する具体例で示したが、第１カバー１０と第２カバー２０とを外部で配管接続する形態の場合には、この流通孔５４を要しない。
【００２９】
また、上述実施例に適用するボード５０の一具体例としては、タイミング精度が要求される半導体試験装置のテストヘッドのボードに適用する例がある。テストヘッドには、高速な高消費電力ＩＣが高密度に多数枚が実装されている為、本発明を適用すると、特に効果的である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、上述の説明内容からして、下記に記載される効果を奏する。
上述説明したように本発明によれば、基板上に多数存在する貫通型のバイアホールの貫通孔に対して、これを塞ぐ封止手段を具備する構成としたことにより、本来の設計通りの流路を冷媒が流れていくこととなる。この結果、当初設計通りの意図した冷却特性が実現できる結果、高消費電力ＩＣ間の温度ばらつきの偏差が改善された浸漬液冷形態のボード構造が実現できる利点が得られる。
また、高消費電力ＩＣ間の温度ばらつきによる伝搬遅延量の偏差が低減される結果、意図した特性条件での回路動作が実現できる利点が得られる。このことは特に、高精度なタイミング条件が要求される半導体試験装置においては、特筆した利点となる。
従って、本発明の技術的効果は大であり、産業上の経済効果も大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】浸漬液冷の構造を備えるボードの要部正面図。
【図２】ボード中央部で切断した断面概念図。
【図３】従来の、１カ所のバイアホール部位を拡大した側断面図。
【図４】本発明の、１カ所のバイアホール部位を拡大した側断面図。
【図５】面実装部品がほぼ密着して実装された場合の側断面図。
【符号の説明】
２        冷媒
１０      第１カバー
１２      流入口
２０      第２カバー
２２      流出口
５０      ボード
５２      基板
５４      流通孔
５５，５６  コネクタ部
５７      貫通孔
５８      バイアホール
５９Ａ，５９Ｂ  ランド
７２      ソルダーレジスト
７４      ランドレジスト
８０      クリームハンダ
ＩＣ      高消費電力ＩＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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