(57)【要約】チップバーンインシステムは、テスト時にＩＣチップが電力消費の大きなステップ増加および大きなステップ減少を付与されている間、ＩＣチップの温度をセットポイント付近で維持する。それらのテスト時には、システムの電力消費は減少する。システムは高温側流体回路を含み、ここでは、高温側流体がリザーバから熱交換器を通って循環し、リザーバへと戻り、さらには熱交換器は高温側流体とＩＣチップとの間で伝導によって熱を交換する。ある動作モードでは、ヒータが、「冷たすぎるルックアヘッド」フィーチャに基づいて、リザーバに戻る流体に熱を加える。別の動作モードでは、アナログバルブが、「熱すぎるルックアヘッド」フィーチャに基づいて、リザーバに低温側流体を加える。
2004511754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セットポイント付近で電子構成要素の温度を維持するためのシステムであって、
高温側流体がリザーバから熱交換器を通って循環し、前記リザーバへと戻され、さらには前記熱交換器が前記高温側流体と前記電子構成要素との間で伝導によって熱を伝達する、高温側流体回路と、
前記熱交換器へと流れ込む流体の温度を示す入力温度信号を生成する第１のセンサと、
前記熱交換器から流れ出る流体の温度を示す出力温度信号を生成する第２のセンサと、
前記入力温度信号と出力温度信号との両者の関数として前記リザーバに戻る流体に熱を加えるヒータ手段と、
前記入力温度信号と出力温度信号との両者の関数として前記リザーバに低温側流体を加える冷却手段とを含む、システム。
【請求項２】
前記ヒータ手段は、前記セットポイントが前記熱交換器へと流れ込む前記流体の前記温度を超える場合、さらには前記セットポイントが前記熱交換器から流れ出る前記流体の前記温度を超える場合、前記リザーバに戻る前記流体に前記熱を加える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記冷却手段は、前記熱交換器へと流れ込む前記流体の前記温度が前記セットポイントを超える場合、さらには前記熱交換器から流れ出る前記流体の前記温度が前記熱交換器へと流れ込む前記流体の前記温度を超える場合、前記リザーバに前記低温側流体を加える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記冷却手段は、前記熱交換器へと流れ込む前記流体の前記温度が前記セットポイントを超える場合、さらには前記熱交換器から流れ出る前記流体の前記温度が前記セットポイントを超える場合、前記リザーバに前記低温側流体を加える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記セットポイントに関連して、前記熱交換器へと流れ込む前記流体の前記温度の値に基づいて選択される３つの動作モードにおいて、前記ヒータ手段は前記リザーバに戻る前記流体に前記熱を加え、前記冷却手段は前記リザーバに前記低温側流体を加える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記加熱手段は、
【数１】
2004511754.tif 000003
の大きさに比例して前記リザーバに戻る前記流体に前記熱を加え、前記冷却手段は、
【数２】
2004511754.tif 000004
の大きさに比例して前記リザーバに前記低温側流体を加え、ｅＩＮは前記入力温度内の誤差であり、ｅＯＵＴ１およびｅＯＵＴ２は前記出力温度におけるそれぞれの誤差であり、Ｋ１からＫ８は定数である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
急速冷却手段をさらに含み、前記急速冷却手段は、前記高温側流体回路に結合され、電気的制御信号を受取り、応答として、ａ）前記熱交換器への、および前記熱交換器から前記リザーバへと戻る前記高温側流体の流れをブロックし、ｂ）前記高温側流体の流れがブロックされている間に、前記低温側流体を前記熱交換器に通す、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記冷却手段は、前記高温側流体回路と平行して動作して前記低温側流体を低温側の温度で維持する低温側流体回路を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ヒータ手段は速い応答時間でもって前記リザーバに戻る前記流体に前記熱を加え、前記冷却手段は遅い応答時間でもって前記リザーバに前記低温側流体を加え、前記遅い応答時間を補償するために、前記冷却手段は、前記ヒータ手段が前記リザーバに戻る前記流体に異なる量の熱を並行して加える間に、前記リザーバに前記低温側流体を加える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電子構成要素はパッケージングされた集積回路チップである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記電子構成要素はパッケージングされていない集積回路チップである、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
この発明は、集積回路チップ（ＩＣチップ）のための温度制御システムに関する。より具体的には、この発明は、ＩＣチップがテスト時に電力消費の大きなステップ増加および大きなステップ減少を付与される間にＩＣチップの温度が選択可能なセットポイントの数度以内にとどまるように、ＩＣチップに結合された熱交換器を通して流体を循環させる温度制御システムに関する。
【０００２】
ＩＣチップが最初に製造された後、ＩＣチップ内にあるすべての回路が適切に動作するかを確認するために、テストが行なわれなければならない。このテストは、通常「バーンイン」テストを介して行なわれ、ここでは、ＩＣチップに一連のテスト信号が送られる間、ＩＣチップはその通常の動作温度を超えて維持される。このようなバーンインテストが行なわれる理由は、これにより、仮にもある特定の種類の欠陥が生じる場合にそれらがＩＣチップ内で生じる期間が非常に短くされるためである。
【０００３】
先行技術では、バーンインテストは通常、以下のステップによって行なわれる。すなわち、１）いくつかのプリント回路基板上にソケットに入った多数のＩＣチップを置くステップと、２）ＩＣチップを保持するプリント回路基板を、ヒータを有する密封されたテスタへと移動させるステップと、３）ファンを用いてヒータから熱風を送り、ＩＣチップにテスト信号が送られている間にＩＣチップ中に熱風が流れるようにするステップとによって行なわれる。そのヒータおよびファンを備えるこのような密封されたテスタは比較的安価であるが、それにはいくつかの主な限界がある。
【０００４】
たとえば、単一のＩＣチップ内のトランジスタ数が増加するにつれて、ＩＣチップが消費する電力の最大量も増加する。したがって、いくつかのプリント回路基板上の多数のＩＣチップの電力消費の最大のばらつきが、空気を用いた対流によって調整されるには大きすぎるという段階に最終的に到達することとなる。
【０００５】
また、すべてのＩＣチップを同じ時にテストするよりも、プリント回路基板上に保持される異なったサブセットのＩＣチップを順次テストすることが時には望ましい。しかし、テストされているＩＣチップの数が小さなサブセットから大きなサブセットへと変化すると、それらの全電力消費において大きなステップ増加が生じる。このステップ増加が起こる理由は、テスト信号が送られているＩＣチップは、テスト信号を送られていないＩＣチップよりもずっと大きな量の電力を消費するためである。同様に、テストされているＩＣチップの数が大きなサブセットから小さなサブセットへと変化する場合、それらの全電力消費において大きなステップ減少が生じる。
【０００６】
上述の電力消費におけるステップ増加およびステップ減少は、特に困難な問題を提示する。なぜならば、テストが行なわれている間、ＩＣチップの温度はセットポイント温度のわずか数度以内で厳密に維持される必要があるためである。しかし、ＩＣチップの電力消費が増加すると、その温度を一定に保つためにＩＣチップから除去されなければならない熱の量が急速に増加する。同様に、ＩＣチップの電力消費が減少すると、その温度を一定に保つためにＩＣチップに加えられなければならない熱の量が急速に減少する。
【０００７】
集積回路産業界では現在、ＩＣチップの全電力消費が、２０キロワットを超えるステップ増加およびステップ減少を付与されている間、多数のＩＣチップの温度をセットポイント温度の数度以内に維持できる温度制御システムが必要とされている。したがって、この発明の主な目的は、このようなシステムを提供することである。
【０００８】
【発明の簡単な概要】
この発明に従うと、テスト時にＩＣチップが電力消費の大きなステップ増加および大きなステップ減少を付与される間、ＩＣチップの温度をセットポイント付近で維持するためのシステムは、以下の構造を有する。
【０００９】
１）　高温側流体がリザーバから熱交換器を通って循環してリザーバへと戻り、さらには熱交換器が高温側流体とＩＣチップとの間で伝導によって熱を伝達する、高温側流体回路と、
２）　熱交換器へと流れ込む流体の温度を示す入力温度信号を生成する入力温度センサと、
３）　熱交換器から流れ出る流体の温度を示す出力温度信号を生成する出力温度センサと、
４）　入力温度信号と出力温度信号との両者の関数として、リザーバへと戻る流体に熱を加える電気ヒータと、
５）　入力温度信号と出力温度信号との両者の関数として、低温側流体をリザーバに加えるアナログバルブとを有する。
【００１０】
ある動作モードでは、２つの条件のうちのいずれか一方が起こる場合に、ヒータは、リザーバに戻る流体に熱を加える。第１の条件は、入力温度が選択可能なセットポイント温度よりも低いことであり、第２の条件は、出力温度がセットポイント温度よりも低いことである。上述の、第２の条件による出力温度に基づいての熱の追加によって、「冷たすぎるルックアヘッド」フィーチャが提供され、これは、熱交換器内で冷たくなりすぎた流体がリザーバに戻されるのを防ぐ。冷たすぎる流体がリザーバに戻されると、リザーバ内のすべての流体の温度を訂正する必要がある。しかし、リザーバ内の流体は大きな熱質量を有するため、これは遅いプロセスである。
【００１１】
別の動作モードでは、２つの条件のうちのいずれか一方が起こる場合に、アナログバルブは低温側流体をリザーバに加える。第１の条件は、入力温度がセットポイント温度を超えることであり、第２の条件は、出力温度が入力温度を超えることである。第２の条件による出力温度に基づいての低温側流体の追加によって、「熱すぎるルックアヘッド」フィーチャが提供され、これは、熱交換器内で熱くなりすぎた流体がそれ自身でリザーバへと戻ることを防ぐ。したがって、リザーバ内のすべての流体の冷却という遅いプロセスが回避される。
【００１２】
上述の「冷たすぎるルックアヘッド」フィーチャおよび「熱すぎるルックアヘッド」フィーチャにより、ＩＣチップの温度が非常に正確に制御される。ある特定の実施例では、熱交換器へと流れ込む流体の温度は、選択可能なセットポイント温度ＴＳＰの±１℃以内に保持される。さらに、すべてのＩＣチップの電力消費が２０キロワットを超える分だけ増加および／または減少している間に、流体温度のこの小さな変動が達成される。
【００１３】
【詳細な説明】
図１を参照して、この発明の好ましい実施例の詳細が説明される。この図１の実施例は、高温側流体がリザーバ１０からＮ組の熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと循環し、リザーバへと戻される高温側流体回路を含む。熱交換器１１−１〜１１−Ｎの各々は、対応する組のＩＣチップに押圧されるように設計され、これによって、高温側流体とＩＣチップとの間で伝導によって熱が伝達される。結果として、ＩＣチップの温度は、高温側流体の温度とほぼ等しくなる。
【００１４】
高温側流体を熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと運び、さらにはリザーバに戻すために、高温側流体回路は、図示されるように相互結合された複数の配管１２ａ−１２ｉを含む。配管１２ａと１２ｂとの間には、温度センサＴＳ１が結合され、これは、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れ込む流体の温度を示す温度信号ＳＴＩＮを生成する。
【００１５】
配管１２ｂと１２ｃとの間にはバルブＶ１が結合され、これは、デジタル制御信号Ｓ１の「１」および「０」状態にそれぞれ応答して開閉する。同様に、配管１２ｄと１２ｅとの間にはバルブＶ２が結合され、これは、デジタル制御信号Ｓ２の「１」および「０」状態にそれぞれ応答して開閉する。
【００１６】
バルブＶ２の出力にはホットサンプ１３が結合され、ホットサンプの出力には温度センサＴＳ２が結合される。このセンサＴＳ２は出力信号ＳＴＯＵＴを生成し、これは、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度を示す。
【００１７】
温度センサＴＳ２の出力にはポンプ１４が結合される。ポンプの出力には電気ヒータ１５が結合される。ポンプ１４は、リザーバ１０から、負の圧力で熱交換器１１−１〜１１−Ｎを通して高温側流体を吸引する。次に、ポンプ１４からの流体は、正の圧力でヒータ１５を通して流され、気圧と同じホットリザーバ１０に戻される。
【００１８】
図１の実施例には、低温側流体回路も含まれ、これは、低温側流体をリザーバ２０からＮ組の熱交換器２１−１〜２１−Ｎへと循環させ、リザーバへと返す。熱交換器２１−１〜２１−Ｎの各々は、ＩＣチップにＤＣ電力を供給する、対応する組の電源を冷却する。
【００１９】
低温側流体を熱交換器２１−１〜２１−Ｎへと運び、さらにはリザーバへと返すために、低温側流体回路は、図示されるように相互結合された複数の配管２２ａ−２２ｈを含む。配管２２ａと２２ｂとの間には温度センサＴＳ３が結合され、これは、コールドリザーバ２０から流れ出る流体の温度を示す信号ＳＴＣＲを生成する。
【００２０】
配管２２ｂと２２ｃとの間にはバルブＶ５が結合され、これは、デジタル制御信号Ｓ５の「１」および「０」状態にそれぞれ応答して開閉する。同様に、配管２２ｄと２２ｅとの間にはバルブＶ６が結合され、これは、デジタル制御信号Ｓ６の「１」および「０」状態にそれぞれ応答して開閉する。
【００２１】
バルブＶ６の出力には、コールドサンプ２３が結合される。コールドサンプの出力には、ポンプ２４が結合される。ポンプ２４は、リザーバ２０から負の圧力で熱交換器２１−１〜２１−Ｎを通して低温側流体を吸引する。次に、ポンプ２４からの流体は、正の圧力でラジエータ２５を通して流され、コールドリザーバ２０へと戻される。
【００２２】
低温側流体回路では、電源の温度をそれほど精密に制御する必要がない。代わりに、電源の温度は、ある特定の最大動作温度よりも下に維持されてさえいればよい。この要件は、単純に低温側流体をラジエータ２５に通すことによって満たされ得る。
【００２３】
比較すると、高温側流体回路では、ＩＣチップの温度を非常に精密に制御しなければならない。たとえば、ある特定の実施例でＩＣチップの温度を制御するためには、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れる流体の温度は、選択可能なセットポイント温度ＴＳＰの±１℃以内で保持されなければならない。さらに、±１℃という上述の要件は、すべてのＩＣチップの電力消費が２０キロワットを超える分だけ増加および／または減少する間に、満たされなければならない。
【００２４】
熱交換器へと流れ込む流体の温度をセットポイント温度の±１℃以内に保つために、図１の実施例は、温度コントローラ３０を含む。この温度コントローラは、４つの入力信号を受取り、応答で、それは２つの出力信号を生成する。
【００２５】
温度コントローラ３０への入力のうちの３つは、温度センサＴＳ１からの信号ＳＴＩＮ、温度センサＴＳ２からの信号ＳＴＯＵＴ、および温度センサＴＳ３からの信号ＳＴＣＲである。第４の入力は、セットポイント温度を示す信号ＳＴＳＰである。
【００２６】
温度コントローラ３０からの２つの出力は、信号ＳＨＯＴ（ｎ）および信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）である。間もなく説明される図３は、温度コントローラ３０のある好ましい実施例において、どのように出力信号が入力信号の関数として生成されるのかを詳細に表す１組の式を示す。
【００２７】
温度コントローラ３０からの出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）はヒータ１５へと送られる。その出力信号の大きさは、０ボルトから１０ボルトで変化し、ヒータ１５がそこを通る流体に加える熱の量は、信号の大きさに比例する。
【００２８】
出力信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）は、低温側流体配管２２ｈに結合されるアナログバルブＶＡに送られる。その出力信号の大きさは、０ボルトから１０ボルトで変化し、バルブＶＡが通す低温側流体の量は、信号の大きさに比例する。バルブＶＡが通す低温側流体のすべてが、配管２２ｉを通してホットリザーバ１０へと送られる。
【００２９】
ヒータ１５は動かない部分を備えた電気的な構成要素であるため、信号ＳＨＯＴ（ｎ）に対するその応答時間は比較的速い。比べてみると、バルブＶＡは、バルブを開閉するために動く機械的な部分を有するため、信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）に対するその応答時間は比較的遅い。しかし、バルブＶＡの遅い応答は、図３に関連して詳細に説明される様態で、図１のシステム内で補償される。
【００３０】
高温側流体が熱交換器１１−１〜１１−Ｎを通るとき、ＩＣチップが消費している電力量が増加するにつれて、その流体の温度も上昇する。したがって、ＩＣチップがそれらの最大電力を消費するとき、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから出る高温側流体の温度は、セットポイント温度より上の最大量の分だけ上昇する。
【００３１】
逆に、ＩＣチップが電力をほとんど消費しないか、または全く消費しない場合、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから出る高温側流体の温度は、セットポイント温度よりも低くなり得る。これは、セットポイントが周囲温度を超え、さらには循環している流体内で熱が損失された場合に、起こる。
【００３２】
しかし、信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）を適切に生成することによって、ホットリザーバ１０から熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れる高温側流体の温度が制御されてセットポイント温度の±１℃以内に維持される。熱交換器１１−１〜１１−Ｎから出る高温側流体の温度がセットポイントよりも下ならば、出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）に応答してヒータ１５によって熱がその高温側流体に加えられる。逆に、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから出る高温側流体の温度がセットポイント温度よりも上ならば、出力信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）に応答して低温側流体がホットリザーバ１０に加えられる。
【００３３】
バルブＶＡからの低温側流体用にホットリザーバ１０内にゆとりを作るために、ホットリザーバ１０の上部をコールドリザーバ２０に結合するオーバーフロー配管１２ｊが設けられる。配管１２ｊを通るいずれの高温側流体も、最終的にはラジエータ２５を通り、これによって、ＩＣチップが生成した余分な熱が除去される。同様に、別のオーバーフロー配管２２ｊが設けられ、これは、コールドリザーバ２０の上部をホットリザーバ１０に結合する。
【００３４】
図１の実施例には、テスト信号コントローラ４０も含まれる。動作において、テスト信号コントローラ４０は、信号線３１−１〜３１−Ｎ上でＩＣチップをテストするテスト信号を送る。加えて、テスト信号コントローラ４０は、テストされているＩＣチップからの応答として信号線３２−１〜３２−Ｎ上で出力信号を受取る。
【００３５】
また、テスト信号コントローラ４０は、バルブＶ１からＶ６を開閉する信号Ｓ１からＳ６を生成する。加えて、テスト信号コントローラ４０は、チップがテストされるべきセットポイント温度を特定する信号ＳＴＳＰを生成する。
【００３６】
この発明の目的のためには、テスト信号コントローラ４０のいかなる内部構造も用いられ得る。したがって、テスト信号コントローラ４０は、汎用デジタルコンピュータ等の、上述の目標を実行できるいずれのコントローラであってもよい。
【００３７】
図２を参照して、図１のシステムが動作する全時間シーケンスを例示するある例が説明される。まず、時間ｔ０から時間ｔ１では、テストされるべきＩＣチップが、図１のシステムに挿入され、熱交換器１１−１〜１１−Ｎに接触して置かれる。
【００３８】
次に、時間ｔ１では、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ５、およびＶ６が開けられる。これによって、高温側流体が熱交換器１１−１〜１１−Ｎを通って流され、これによって、低温側流体が熱交換器２１−１〜２１−Ｎを通って流される。
【００３９】
時間ｔ１から時間ｔ２では、信号線３１−１〜３１−Ｎを介してＩＣチップにテスト信号は送られない。したがって、時間ｔ１から時間ｔ２では、すべてのＩＣチップの全電力消費はほぼ０であり、ＩＣチップは、高温側流体によってセットポイント温度にまで加熱される。
【００４０】
その後、ｔ２から時間ｔ３では、ある特定のシーケンスのテスト信号を信号線３１−１〜３１−Ｎ上で送ることによって、３組のＩＣチップが「テストＡ」を受ける。次に、時間ｔ３から時間ｔ４では、信号線３１−１〜３１−Ｎ上で第２のシーケンスのテスト信号を送ることにより、１４組のＩＣチップが「テストＢ」を受ける。時間ｔ４から時間ｔ５では、信号線３１−１〜３１−Ｎ上で第３のシーケンスのテスト信号を送ることによって、８組のＩＣチップが「テストＣ」を受ける。
【００４１】
テストされているＩＣチップ数が増加するたびに、ＩＣチップが消費する全電力のステップ増加が生じる。したがって、全ＩＣチップ電力消費のステップ増加は、時間ｔ２と時間ｔ３とで生じる。
【００４２】
逆に、テストされているＩＣチップ数が減少するたびに、ＩＣチップが消費する全電力のステップ減少が生じる。したがって、ステップ減少は、時間ｔ４と時間ｔ５とで生じる。
【００４３】
時間ｔ２から時間ｔ５で起こるチップテストシーケンスを通して、ホットリザーバ１０内の流体の温度は、セットポイント温度の±１℃以内に維持されなければならない。これは、２つの出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）を変化させることによって温度コントローラ３０を介して図１のシステム内で達成され、これは、参照番号３０ａによって図２内で示される。
【００４４】
ＩＣチップのテストが完了すると、それらは時間ｔ５から時間ｔ６で急速に冷却され、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから除去され、他のＩＣチップと取換えられ得る。この急速な冷却は、バルブＶ３およびＶ４を開け、バルブＶ１およびＶ２を閉じることによって達成される。結果として、低温側流体がコールドリザーバ２０から、熱交換器１１−１〜１１−Ｎを通って流れる。その後、時間ｔ６から時間ｔ７で、ＩＣチップは除去され、全時間シーケンスが時間ｔ０から始まって繰返され得る。
【００４５】
次に、図３を参照して、温度コントローラ３０のある好ましい実施例の内部詳細が説明される。この温度コントローラ３０は、４つの入力信号ＳＴＩＮ、ＳＴＯＵＴ、ＳＴＣＲ、およびＳＴＳＰを受取り、応答で、それは２つの出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）を生成し、これらは図３の式１から式６で示される。
【００４６】
式１は、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れ込む流体の温度内の誤差ｅＩＮ（ｎ）を特定する。この誤差ｅＩＮ（ｎ）は温度コントローラ３０の内部で計算されるが、これは、信号ＳＴＩＮをサンプリングし、さらには低域フィルタリングして結果値ＴＩＮ（ｎ）を得て、次にＴＩＮ（ｎ）からセットポイント温度ＴＳＰを減じることによって、計算される。ここで、フィルタリングによって、温度センサＴＳ１が生成し得るいずれの高周波ノイズも除去される。
【００４７】
式２は、熱交換器１１−１〜１１−Ｎより流れ出る流体の温度内の誤差ｅＯＵＴ１（ｎ）特定する。この誤差ｅＯＵＴ１（ｎ）は温度コントローラ３０の内部で計算されるが、これは、信号ＳＴＯＵＴをサンプリングし、さらには低域フィルタリングして結果値ＴＯＵＴ（ｎ）を得て、次にＴＯＵＴ（ｎ）からセットポイント温度ＴＳＰを減じることによって、計算される。ここで、フィルタリングによって、温度センサＴＳ２が生成し得るいずれの高周波ノイズも除去される。
【００４８】
式３は、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度内の別の誤差ｅＯＵＴ２（ｎ）を特定する。この誤差ｅＯＵＴ２（ｎ）は、ＴＯＵＴ（ｎ）からＴＩＮ（ｎ）を減じ、さらにはオフセットＴＯＦＦを結果値に加えることによって、温度コントローラ３０の内部で計算される。
【００４９】
誤差ｅＩＮ（ｎ）が負であり、さらには絶対値において３℃よりも大きい場合、ヒータ１５はその最大電力で熱を生成し、バルブＶＡが閉じられる。この動作モードは、式４によって表わされ、ここでは、出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）は１０ボルトとして生成され、出力信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）は０ボルトとして生成される。
【００５０】
誤差信号ｅＩＮ（ｎ）が正であり、さらには絶対値において３℃よりも大きい場合、バルブＶＡが完全に開かれ、ヒータ１５はオフにされる。この動作モードは式５によって表わされ、ここでは、出力信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）は１０ボルトとして生成され、出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）は０ボルトとして生成される。
【００５１】
誤差ｅＩＮ（ｎ）が−３℃から＋３℃である場合、出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）は、式６によって表わされるように生成される。ここで、出力信号は、３つの誤差項ｅＩＮ（ｎ）、ｅＯＵＴ１（ｎ）、およびｅＯＵＴ２（ｎ）、および以下の表１で定義されるいくつかのパラメータの関数である。
【００５２】
表１
ｑｍａｘ−最大ヒータ電力（ｋＷ）
ＱＣｍａｘ−ホットタンクへの最大の低温側流れ（ｇｐｍ）
Ｑｍａｘ−最大の高温側（ｈｏｔ ｓｉｄｅ）流量（ｇｐｍ）
Ｔｓｐ−セットポイント温度（℃）
Ｋｐ−比例ゲイン（ｋＷ／℃）
Ｋｄ−微分ゲイン比（ｓ）
Ｋｉ−積分ゲイン比（ｌ／ｓ）
ρ−流体密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｃｐ−流体に特有の熱（Ｊ／ｋｇ／℃）
Δｔ−２つの連続するサンプル間の時間（ｓ）
【００５３】
式６では、出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）の各々は、最小値０ボルトおよび最大値１０ボルトに限定される。したがって、信号ＳＨＯＴ（ｎ）のための数式５１内のすべての項の和が負の数ならば、信号ＳＨＯＴ（ｎ）の実際の値は０ボルトである。同様に、信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）のための数式５２が負ならば、信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）の実際の値は０ボルトである。同様に、数式５１または５２が１０を超えるならば、対応する信号の実際の値は１０ボルトである。
【００５４】
数式５１は、項Ｋｐ（ｅＩＮ（ｎ））および項ρＣｐＱｍａｘ（ｅＯＵＴ１（ｎ））を含む。上述の第１の項のために、セットポイント温度が熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れている流体の温度を超える場合、ヒータ１５はリザーバ１０に戻る流体に熱を加える。上述の第２の項のために、セットポイント温度が熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度を超える場合、ヒータ１５はリザーバ１０に戻る流体に熱を加える。
【００５５】
上述の第２の項は、「冷たすぎるルックアヘッド」フィーチャを提供する。このフィーチャは非常に有用である。なぜならば、これによって、冷たすぎる流体がホットリザーバ１０に戻されることが妨げられるためである。冷たすぎる流体がホットリザーバ１０に入ると、リザーバ１０内のすべての流体の温度を訂正する必要がある。しかし、ホットリザーバ１０内のすべての流体の温度を訂正することは、その流体が大きな熱質量を有するため、遅いプロセスである。
【００５６】
好ましくは、ホットリザーバ１０内の流体の量は、熱交換器１１−１〜１１−Ｎが接触する５０のＩＣチップごとに少なくとも１リットルである。また、ある好ましい流体はシリコーン油である。したがって、たとえば、３０リットルのシリコーン油のシステムでは、リザーバ１０内の流体の熱質量は、４０キロジュール／℃を超える。
【００５７】
同様に、数式５２は項Ｋｐ（ｅＩＮ（ｎ））および項ρＣｐＱｍａｘ（ｅＯＵＴ２（ｎ））を含む。上述の第１の項のために、熱交換器１０−１〜１０−Ｎへと流れ込む流体の温度がセットポイント温度を超える場合、バルブＶＡは低温側流体をリザーバ１０に加える。上述の第２の項のために、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度が熱交換器へと流れ込む流体の温度を超える場合、バルブＶＡは低温側流体をホットリザーバ１０に加える。
【００５８】
上述の第２の項は「熱すぎるルックアヘッド」フィーチャを提供し、これは、熱すぎる流体がホットリザーバ１０に戻されることを防ぐ。熱すぎる流体がホットリザーバ１０に入ると、ホットリザーバ内のすべての流体の温度を冷却する必要があり、これは、ホットリザーバ内の流体は大きな熱質量を有するため、遅いプロセスである。
【００５９】
また、式６内の数式５１および５２のため、信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびＳＣＯＬＤ（ｎ）の両者は同時に正の値を有し得る。これが起こると、ヒータ１５はホットリザーバ１０に戻る流体に熱を加え、低温側流体が同時にバルブＶＡを介してホットリザーバ１０へと通される。ヒータ１５によって熱が加えられている間に、バルブＶＡを通る低温側流体の量を増加させるために、式３内のオフセット項ＴＯＦＦが増大される。
【００６０】
上述の同時の動作モードの１つの特徴は、バルブＶＡが出力信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）に対してゆっくりと反応し得て、同時に、バルブＶＡおよびヒータ１５からホットリザーバ１０に入る高温側流体と低温側流体との和によって、急速な冷却効果が達成され得ることである。この急速な冷却を達成するために、バルブＶＡを通る低温側流体の流れがゆっくりと増加するか、または一定にとどまる間に、ヒータ１５の加熱電力は出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）を介して急速に減じられる。
【００６１】
急速な冷却効果のこの特徴は、望ましいものである。なぜならば、バルブＶＡは機械的な構成要素であって、その動作速度は本来、機械的慣性によって制限されるためである。最低でも、ヒータ１５の応答時間は、バルブＶＡの応答時間の少なくとも２倍の速さであり、典型的には、ヒータ１５はバルブＶＡよりも少なくとも１０倍早く動作する。この急速な冷却効果は、以下のような場合に用いられる。すなわち、テストされているＩＣチップが、電力消費の大きなステップ増加を付与され、熱交換器１１−１〜１１−Ｎからの流体の温度の急速な上昇を引起こす場合に、用いられる。
【００６２】
次に、図４Ａから図４Ｃを参照して、図１から図３のシステムのコンピュータシミュレーションが示される。このシミュレーションでは、熱交換器１１−１〜１１−Ｎの各々は、それぞれの、６つのＩＣチップの組と接触し、各熱交換器は、ホットリザーバ１０から、そのそれぞれの直列の６つのＩＣチップを通して流体を運んだ。
【００６３】
また、このシミュレーションでは、乱数発生を用いて温度センサＴＳ１−ＴＳ３からの信号にノイズを導入し、デジタル低域フィルタを用いてノイズを除去した。このシミュレーション内で用いられたすべてのパラメータが以下の表２で示される。
【００６４】
表２
ｑｍａｘ＝２４ｋＷ
ＱＣｍａｘ＝８ｇｐｍ
Ｑｍａｘ＝６７ｇｐｍ
Ｔｓｐ＝１１０℃
Δｔ＝０．０２５秒
λ＝８秒
Ｋｐ＝４ｋＷ／℃
Ｋｄ＝１２秒
Ｋｉ＝０．４／秒
ρ＝１７００ｋｇ／ｍ３
Ｃｐ＝８５５Ｊ／ｋｇ／℃
Ｎ＝１４０
【００６５】
上述のシミュレーションでの時間ｔ＝０からｔ＝１５０秒では、すべてのチップの電力消費は０であった。次に、時間ｔ＝１５０秒では、各ＩＣチップの電力消費は、０ワットから３０ワットへとステップ増加を付与された。その後、ＩＣチップの電力消費は時間ｔ＝３５０秒までは変化せず、この時間で、それは０ワットへとステップ減少を付与された。
【００６６】
図４Ａでは、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れ込む流体の温度は、ＴＩＮのプロットによって図示される。図４Ａではまた、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度は、ＴＯＵＴのプロットによって図示される。
【００６７】
図４Ｂでは、バルブＶＡが開かれている量が、全開率として示される。同様に、図４Ｃでは、ヒータ１５がオンにされる量が、完全にオンである状態のパーセンテージとして示される。図４Ｂと図４Ｃとの両者は、図３の式１−６から作られる。
【００６８】
ｔ＝１５０秒で起こる電力増加のために、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度は急速に上昇し、これは、図４ＡのＴＯＵＴのプロットによって示される。しかし、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度が急速に上昇している間、熱交換器へと流れ込む流体の温度は、図４ＡのＴＩＮのプロットが示すように、本質的に一定にとどまる。この結果は、時間ｔ＝１５０秒からｔ＝３５０秒において図４Ｂおよび図４Ｃで示されるように、バルブＶＡを通る低温側流体を変化させ、さらにはヒータ１５からの熱を変化させることによって、達成される。
【００６９】
ｔ＝３５０秒で起こる電力減少のために、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度は急速に低下し、これはＴＯＵＴのプロットによって示される。しかし、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度が急速に低下している間、熱交換器へと流れ込む流体の温度は、図４ＡのＴＩＮのプロットで示されるように、本質的に一定にとどまる。この結果は、時間ｔ＝３５０秒から時間ｔ＝４５０秒において図４Ｂおよび図４Ｃで示されるように、バルブＶＡを通る低温側流体を変化させ、ヒータ１５からの熱を変化させることによって、達成される。
【００７０】
図５を参照して、これは、実際に構築された図１から図３のシステムから得られた温度測定値を示す。このシステムでは、熱交換器１１−１〜１１−Ｎの各々は、それぞれの、６つのＩＣチップの組と接触し、各熱交換器は、ホットリザーバ１０から、そのそれぞれの直列の６つのチップを通して流体を運んだ。この実際のシステムのためのすべてのパラメータは、ＴＳＰが１１０℃ではなく１０５℃に等しいこと以外は、表２で示されるものと同じである。
【００７１】
図５では、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れ込む流体の温度は、ＴＩＮで示される曲線によって図示される。図５ではまた、熱交換器１１−１〜１１−Ｎから流れ出る流体の温度は、ＴＯＵＴで表わされる曲線によって図示される。
【００７２】
図５の時間ｔ＝０秒からｔ＝１５０秒では、すべてのＩＣチップの全電力消費は０ワットである。次に、時間ｔ＝１５０秒では、すべてのＩＣチップの全電力消費は０キロワットから２６．２キロワットへとステップ増加を付与される。その後、すべてのＩＣチップの全電力消費は、時間ｔ＝５００秒までは２６．２キロワットにとどまり、この時間で、それは０ワットへとステップ減少を付与される。
【００７３】
図５の曲線ＴＩＮを観察すると、熱交換器１１−１〜１１−Ｎへと流れ込む流体の温度は、時間ｔ＝０秒からｔ＝７００秒ではわずかに±０．２℃だけ変化することが示される。これは驚くべき結果である。なぜならば、図５ではまた、温度ＴＯＵＴが、時間ｔ＝１５０秒で４℃を超える分だけ急速に上昇し、時間ｔ＝５００秒で４℃を超える分だけ急速に低下することが示されているためである。
【００７４】
次に、図６を参照して、温度コントローラ３０のある好ましい内部構造が説明される。このある特定の内部構造は、以下のように識別されるいくつかの構成要素５１ａ−５５を含む。
【００７５】
構成要素５１ａ−５１ｃはサンプルアンドホールド回路である。構成要素５２ａ−５２ｃはアナログ−デジタルコンバータである。構成要素５３ａ−５３ｃはデジタル低域フィルタである。構成要素５４ａ−５４ｃはデジタル減算器である。構成要素５５は、上で説明された図３の式４−６によって規定される算術演算を行なうデジタル回路である。
【００７６】
動作において、温度信号ＳＴＩＮ、ＳＴＯＵＴ、およびＳＴＣＲが、それぞれ構成要素５１ａ、５１ｂ、および５１ｃによってサンプリングされる。次に、これらのサンプルは、アナログサンプルからデジタルサンプルへと構成要素５２ａ、５２ｂ、および５２ｃによって変換される。その後、デジタルサンプルは、低域フィルタ５３ａ、５３ｂ、および５３ｃを通して送られて、サンプリングされ、かつフィルタリングされた温度信号ＴＩＮ（ｎ）、ＴＯＵＴ（ｎ）、およびＴＣＲ（ｎ）が生成される。
【００７７】
構成要素５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、それぞれ誤差信号ｅＩＮ（ｎ）、ｅＯＵＴ１（ｎ）、およびｅＯＵＴ２（ｎ）を生成する。これは、図３の式１、２、および３に従って行なわれる。次に、誤差信号はデジタル演算回路５５によって操作されて図３の式４−６に従ってヒータ制御信号ＳＨＯＴ（ｎ）およびアナログバルブ制御信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）が生成される。
【００７８】
次に、図７の式１０を参照して、低域フィルタ５３ａ−５３ｃの、ある実施例が説明される。式１０では、デジタル方式でサンプリングされるいずれかの信号“Ａ”を低域フィルタリングするために、ある数式が＝記号の右側に与えられている。式１０では、項Ａ（ｎ）、Ａ（ｎ−１）等が、信号“Ａ”の連続的なサンプルを表し、項ＡＦ（ｎ）がフィルタリングされた結果を表す。式１０ではまた、項“Δｔ”が連続的なサンプル間の時間間隔であり、項“τ”がフィルタの時間定数である。
【００７９】
図７はさらに式１１および式１２を示し、これらがそれぞれ用いられて図６のデジタル演算回路５５内の微分関数およびインターバル関数が実現される。式１１および式１２では、項ｅＩＮ（ｎ）、ｅＩＮ（ｎ−１）等は、信号“ｅＩＮ”であってその微分および積分が生成されるべき信号“ｅＩＮ”の連続的なサンプルを表す。式１１および式１２ではまた、項Δｔが連続的なサンプル間の時間であり、項“λ”が、長期の積分誤差を除去するために用いられる指数関数的減衰定数である。
【００８０】
この発明のある好ましい実施例が、図１から図７とともに詳細に説明されてきた。しかし、加えて、この好ましい実施例には種々の変更および変形が可能であり、これらの変更のうちのいくつかが図８に関連して説明される。
【００８１】
ある変形例として、図３の式３は、項ＴＩＮ（ｎ）が項ＴＳＰによって置き換えられるように、変更され得る。この変更は、図８でＭｏｄ♯１として識別される。
【００８２】
別の変形例として、図３の式６が変更されて、信号ＳＨＯＴ（ｎ）のための数式が誤差ｅＯＵＴ１（ｎ）の微分および／または積分である項を含むようにされてもよい。この変更は、図８でＭｏｄ♯２として示される。
【００８３】
同様に、図３の式６に対する別の変更として、信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）のための数式は、誤差ｅＯＵＴ２（ｎ）の微分および／または積分である項を含むように変更され得る。この変更は、図８でＭｏｄ♯３として識別される。
【００８４】
また、別の変形例として、図３の式６が変更されて、信号ＳＣＯＬＤ（ｎ）のための数式で、分母項ＴＳＰ−ＴＣＲ（ｎ）がＴＳＰ−定数で置き換えられるようにされてもよい。図８では、この変更はＭｏｄ♯４として示される。
【００８５】
さらなる変形例として、図３の式３および式４は、−３℃および＋３℃の限界値が他のいかなる所望の限界値になるように、変更され得る。図８では、この変更はＭｏｄ♯５として示される。
【００８６】
別の変形例として、パージングメカニズムが、図１の高温側流体回路および／または低温側流体回路に加えられ得る。このようなパージングメカニズムは、（高温側流体回路または低温側流体回路によって空気の漏れができる場合に生じる）気泡を流体から除去するであろう。このようなパージングメカニズムの一例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，０４８，５９９号で説明されている。図８では、この変更はＭｏｄ♯６として示される。
【００８７】
別の変形例として、図１のシステムの高温側流体回路および／または低温側流体回路は、正の圧力でのみ実行され得る。これは、ポンプ１４の位置をホットリザーバ１０の出力に移動させることによって、および／またはポンプ２４の位置を低温側流体リザーバ２０の出力に移動させることによって、達成される。図８では、この変更はＭｏｄ♯７として示される。
【００８８】
さらなる別の変形例として、温度センサＴＳ１、ＴＳ２、およびＴＳ３のうちの１つ以上の位置を変更してもよい。たとえば、センサＴＳ１をバルブＶ１の出力に移動させてもよく、センサＴＳ２をバルブＶ２の入力に移動させてもよく、さらにはセンサＴＳ３をコールドリザーバ２０の入力に移動させてもよい。図８では、この変更はＭｏｄ♯８として示される。
【００８９】
さらなる別の変形例として、熱交換器１１−１〜１１−Ｎを用いて、ＩＣチップだけではなくいかなる種類の電気的構成要素の温度も調整することができる。さらに、熱交換器１１−１〜１１−ＮがＩＣチップの温度を実際に調整する場合には、これらのＩＣチップはいずれかの種類のＩＣパッケージに組込まれ得るか、またはそれらはパッケージ内に全く入っていなくてもよい。図８では、この変更はＭｏｄ♯９として示される。
【００９０】
同様に、図１のシステムでは、熱交換器２１−１〜２１−Ｎを用いて、電源だけではなくいかなる種類の電気的構成要素も冷却することができる。図８では、この変更はＭｏｄ♯１０として識別される。
【００９１】
さらに図１のシステムでは、ラジエータ２５は、熱を低温側流体から抽出するいかなるメカニズムで置換されてもよい。たとえば、ラジエータ２５は、液体から液体の（ｌｉｑｕｉｄ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ）熱交換器で置換され得る。図８では、この変更はＭｏｄ♯１１として示される。
【００９２】
さらなる別の変形例では、ＩＣチップに接触する熱交換器１１−１〜１１−Ｎは、所望のいかなる構造も有し得る。好ましくは、接触する各ＩＣチップに対して、熱交換器１１−１〜１１−Ｎは、ＩＣチップの配向が変わった場合でさえもＩＣチップ上の対応する面と噛み合うように動く面を有する別個のジャケットを含む。このような構造の一例は、米国特許第４，８０９，１３４号で示されており、ここでは、アイテム１２ａの各々は別個のＩＣチップのための可動ジャケットである。同様に、熱交換器２１−１〜２１−Ｎの各々も、所望のいかなる構造も有し得る。
【００９３】
さらなる別の変形例として、テストされているＩＣチップの電力消費におけるステップ変化は、図２で例示されるもの以外の多くのシーケンスにおいて起こり得る。たとえば、電力消費のステップ増加は、テストされているＩＣチップの数は一定のままで、テスト“Ｘ”からテスト“Ｙ”への変化によっても引起こされ得る。同様に、電力消費のステップ減少は、テストされているＩＣチップの数は一定のままで、テスト“Ｙ”からテスト“Ｚ”への変化によっても引起こされ得る。
【００９４】
さらに、別の変形例として、遅い応答時間を有するバルブＶＡと速い応答時間を有するヒータ１５とを用いて急速な冷却効果を得るという特徴は、単一の温度のみが図１の高温側流体回路内で検出される場合でさえも、達成され得る。たとえば、この急速な冷却効果は、図１内の温度センサＴＳ２を取除き、さらには図３の式２が式３と等しくなるようにそれを変化させることによって、達成され得る。この変形例では、バルブＶＡを通る低温側流体の流れがゆっくりと変化しながら、または一定のままで、ヒータ１５の加熱電力は依然として出力信号ＳＨＯＴ（ｎ）によって急速に減じられる。
【００９５】
上述の変形例のすべてに関して、この発明は、図１から図７の好ましい実施例の詳細に限定されず、添付の請求項によって規定されることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従った、流体を用いてＩＣチップの温度を調整するためのシステムの好ましい実施例を示す図である。
【図２】図１のシステムが動作する全時間シーケンスの例を示す図である。
【図３】図１のシステム内にある温度コントローラのある好ましい実施例の内部の詳細を特定する１組の式を示す図である。
【図４Ａ】図１のシステムがどのように動作するのかのコンピュータシミュレーションの結果を示す図である。
【図４Ｂ】図１のシステムがどのように動作するのかのコンピュータシミュレーションの結果を示す図である。
【図４Ｃ】図１のシステムがどのように動作するのかのコンピュータシミュレーションの結果を示す図である。
【図５】実際に構築された図１から図３のシステムから得られたある特定の温度測定値を例示する１組の曲線を示す図である。
【図６】図１のシステム内にある温度コントローラのある好ましい実施例の内部構造を示す図である。
【図７】どのようにして図６の温度コントローラが低域フィルタ関数、微分関数、および積分関数をデジタル方式で実行して図３の式を実現し得るのかを示す図である。
【図８】図１から図７で示されるＩＣチップの温度を調整するためのシステムの好ましい実施例に可能であり得る種々の変更および変形を識別する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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