一种芯片压紧换热装置及冷热冲击芯片测试系统的制作方法

1.本发明涉及芯片制造技术领域，特别是涉及一种芯片压紧换热装置及冷热冲击芯片测试系统。


背景技术：

2.半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它具有结构简单、无制冷剂、调控方便、无噪音、通电制冷迅速等特点，受到大批工业应用的青睐。热电效应比较显著、半导体制冷效率比较高的半导体材料，在通过直流电时具有制冷功能，因此又称为半导体制冷，用于某些特殊的小型空间非常方便，而几十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷系统在激光、雷达、cpu/gpu散热、微纳测试系统的高精度温度控制、高端智能等领域的应用成为可能。半导体制冷片/发电片理论寿命很长，约30万小时；实际寿命受由使用状况不同差别很大，在不过流、不过压、冷热端(特别是热端)散热良好、不违规操作(重压、摔打、工作过程中突然转换制冷制热模式等)的情况下，使用5万个小时是很容易达成的。而上述相关应用领域对半导体制冷器件的可靠性要求及其残酷，其失效率一般不能超过万分之一，因此，半导体芯片的冷热冲击测试是该产品出厂前的一个必须且重要的工艺步骤，也是衡量半导体芯片耐久性的一个特征指标。
3.对此，例如中国专利(cn214122392u)公开了一种半导体热电芯片冷热冲击测试装置，包括散热平台、plc控制器、温度传感器和触控模块，散热平台具有承托面，承托面上设置有石墨片，温度传感器用于检测待测芯片的温度，plc控制器具有一对或多对输出电极以及一路或多路温度传感器输入接口，输出电极用于与待测芯片连接，plc控制器用于控制输出电极的极性，散热平台为表面阳极化的高纯铝腔体，其腔体内有纯净水作为散热介质。本实用新型提供的半导体热电芯片冷热冲击测试装置能够同时检测多个对象，控制精度、检测精度高，测试条件稳定。又如中国专利(cn111610423a)公开了一种led冷热冲击机自动换芯片装置，至少包括平台基座、固定板、转轴、旋转盘、大同步带轮、通光筒、步进电机、小同步带轮和同步带，平台基座通过螺杆连接柱与固定板连接，转轴上方与旋转盘连接，旋转盘上方装有大同步带轮，大同步带轮与转轴固定；固定板与通光筒焊接在一起，固定板上安装有步进电机，步进电机上安装有小同步带轮，小同步带轮与大同步带轮通过同步带连接；旋转盘设有5组沿圆周方向均匀分布的led芯片槽，每个led芯片槽设有2个触点和2个弹簧压片；弹簧片块固定在固定板上，当旋转盘旋转时触点接触到弹簧片块上，弹簧片块两端接通，旋转盘停止转动，当测试完一组数据后旋转盘旋转到下一个led芯片槽。
4.通过上述现有技术不难看出，虽然目前已经存在不少芯片冷热冲击测试的装置，但是对于芯片冷热冲击测试装置中压紧换热装置的研究却少之又少，而压紧换热装置作为对芯片固定和换热的重要设备，其直接影响着测试的成功与否。因此，有必要对芯片冷热冲击测试装置中的压紧换热装置展开研究，进行设计，提供一种对芯片保护性强的压紧换热装置，由此提高芯片冷热冲击测试的质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种芯片压紧换热装置及冷热冲击芯片测试系统，通过芯片压紧换热装置进行设计，以提高其对芯片的保护性，从而提高芯片冷热冲击测试的质量。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：提供一种芯片压紧换热装置，包括与芯片直接接触的压头和用于连接压头和下压装置的压板；其中，压头与压板之间连接有用于缓冲下压装置对芯片所施加的下压力的第一缓冲机构；第一缓冲机构的上方，压板的内部还设置有第二缓冲机构，用于对下压装置对芯片所施加的下压力进行二级缓冲；压板内开设有换热介质通道。
7.作为优选地，压板包括由下到上依次连接的压头固定板、隔温板、隔温板固定板和安装板；换热介质通道位于压头固定板内，压头固定板上开设有若干个安装槽，压头安装在安装槽内；隔温板固定板与安装板之间设置有第二缓冲机构；安装板与下压装置连接。
8.作为优选地，压头包括压头本体和连接杆；压头本体的正面为与芯片的接触面，背面与第一缓冲机构连接，侧面开设有贯穿的槽孔，槽孔的孔径大于连接杆的直径；连接杆穿过槽孔连接固定在安装槽的槽壁上。
9.作为优选地，第一缓冲机构为弹簧，连接压头本体的背面和安装槽的槽底。
10.作为优选地，第二缓冲机构为轴肩螺钉和压缩弹簧；隔温板固定板和安装板通过轴肩螺钉连接，压缩弹簧设置在隔温板固定板和安装板之间。
11.作为优选地，压头本体的正面开设有凹槽。
12.作为优选地，压头本体的正面中心位置设置有弹簧探针或温度传感器。
13.作为优选地，压头固定板上的换热介质通道进、出口处分别设置有攻牙。
14.作为优选地，换热介质通道与压头之间的压板上还设置有电加热丝。
15.作为优选地，压头固定板采用黄铜制成。
16.还提供一种冷热冲击芯片测试系统，包括测试模块、循环介质储罐、循环泵、加热模块和制冷模块；其中，测试模块、循环介质储罐和循环泵通过管路依次连接，构成串联流路；在循环介质储罐与循环泵之间并联设置加热模块和制冷模块；并联的加热模块和制冷模块与串联流路间分别设置有可开闭的阀门；测试模块包括芯片放置装置和上述芯片压紧换热装置，换热介质通道设置在串联流路上。
17.作为优选地，测试模块的外围设置有隔温罩。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.(1)本发明通过在芯片压紧换热装置中采用的第一缓冲机构和第二缓冲机构的结构设计，使其自身实现两级缓冲，当下压装置通过芯片压紧换热装置向芯片施加下压力使其压紧时，第一缓冲机构先对下压力进行缓冲，当第一缓冲机构达到缓冲极限时，第二缓冲机构开始工作，由此使整个下压过程相对平缓进行，对芯片进行了有效保护，避免了因下压过快、冲击力过强导致芯片受损。
20.(2)本发明通过通过在芯片压紧换热装置中设置隔温板和隔温板固定板，将具有换热功能的压头固定板与安装板隔绝开来，一方面隔绝了压头固定板换热时对上层安装板和下压装置的影响，另一方面使其压头固定板在换热时，冷量和热量能够被有效集中，保证换热的有效性，避免了因压头固定板与其他结构接触导致冷量和热量被传导散失。
21.(3)本发明在压头本体的正面开设有凹槽，通过凹槽避免在释放压头时，压头与芯片之间产生负压而导致芯片粘连；同时，压头本体、的正面中心位置还设置有弹簧探针，压头本体中间位置设置的弹簧探针在释放压头时，即使芯片因其他原因产生粘连也会被弹簧探针顶住，配合凹槽实现双保险。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明芯片压紧换热装置整体结构示意图；
24.图2为本发明压头结构示意图(带弹簧探针)；
25.图3为本发明压头结构示意图(带温度传感器)；
26.图4为本发明压板结构示意图；
27.图5为图4中a-a处截面图；
28.图6为图4中b-b处截面图；
29.图7为本发明冷热冲击芯片测试系统流程图；
30.图8为本发明实施例三压头结构仰视图；
31.图9为本发明实施例三压头结构侧视图。
32.其中，1-压头，11-压头本体，12-连接杆，13-弹簧探针，14-温度传感器，15-槽孔，16-凹槽，17-出气孔，18-密封圈安装槽，19-密封圈；2-压板，21-压头固定板，22-隔温板，23-隔温板固定板，24-安装板；3-第一缓冲机构；4-第二缓冲机构；5-换热介质通道；6-循环介质储罐；7-加热模块；8-制冷模块；9-循环泵；10-测试模块。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种芯片压紧换热装置及冷热冲击芯片测试系统，通过芯片压紧换热装置进行设计，以提高其对芯片的保护性，从而提高芯片冷热冲击测试的质量。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.实施例一：
37.如图1至图6所示，本实施例提供一种芯片压紧换热装置，包括与芯片直接接触的压头1和用于连接压头1和下压装置的压板2；其中，压头1与压板2之间连接有第一缓冲机构3，第一缓冲机构3用于缓冲下压装置对芯片所施加的下压力；在第一缓冲机构3冲机构的上方、压板2的内部还设置有第二缓冲机构4，用于对下压装置对芯片所施加的下压力进行二级缓冲；压板2内开设有换热介质通道5。
38.通过芯片压紧换热装置中采用的第一缓冲机构3和第二缓冲机构4，使其自身实现两级缓冲，当下压装置通过芯片压紧换热装置向芯片施加下压力使其压紧时，第一缓冲机构3先对下压力进行缓冲，当第一缓冲机构3达到缓冲极限时，第二缓冲机构4开始工作，由此使整个下压过程相对平缓进行，对芯片进行了有效保护，避免了因下压过快、冲击力过强导致芯片受损。
39.进一步的，压板2包括由下到上依次连接的压头固定板21、隔温板22、隔温板固定板23和安装板24；其中，换热介质通道5位于压头固定板21内，压头固定板21上开设有若干个安装槽，压头1安装在安装槽内；隔温板固定板23与安装板24之间设置有第二缓冲机构4；安装板24与下压装置连接。通过设置隔温板22和隔温板固定板23，将具有换热功能的压头固定板21与安装板24隔绝开来，一方面隔绝了压头固定板21换热时对上层安装板24和下压装置的影响，另一方面使其压头固定板21在换热时，冷量和热量能够被有效集中，保证换热的有效性，避免了因压头固定板21与其他结构接触导致冷量和热量被传导散失。
40.进一步的，压头1包括压头本体11和连接杆12；其中，压头本体11的正面为与芯片的接触面，背面与第一缓冲机构3连接，侧面开设有贯穿的槽孔15，槽孔15的孔径大于连接杆12的直径，连接杆12穿过槽孔15连接固定在压头固定板21安装槽的槽壁上。由此设计，使连接杆12在槽孔15内能够进行上、下预设幅度的活动，进而使压头1能够在压头固定板21的安装槽内进行上、下预设幅度的活动，从而配合第一缓冲机构3实现缓冲。
41.进一步的，第一缓冲机构3为弹簧，弹簧的两端分别连接压头本体11的背面和安装槽的槽底；第二缓冲机构4为轴肩螺钉和压缩弹簧，隔温板固定板23和安装板24通过轴肩螺钉连接，压缩弹簧设置在隔温板固定板23和安装板24之间；在本实施例中，第一缓冲机构3弹簧的数量为四个，且均匀排布，第二缓冲机构4的轴肩螺钉和压缩弹簧的数量为四个也为四个，并均匀排布，由此设计，用以保证压头1与芯片的接触时，压力相对均匀。
42.进一步的，压头本体11的正面开设有凹槽16，通过凹槽16避免在释放压头1时，压头1与芯片之间产生负压而导致芯片粘连。
43.进一步的，压头本体11的正面中心位置设置有弹簧探针13或温度传感器14，压头本体11中间位置设置的弹簧探针13在释放压头时，即使芯片因其他原因产生粘连也会被弹簧探针13顶住，配合凹槽16实现双保险；而压头本体11中间设置有温度传感器14可用以检测芯片表面的温度，从而使温控器能够实时进行温度调节；在本实施例中，压头1设置有四个，且四个压头1中一个压头1设置的是温度传感器14，其余均为弹簧探针13。
44.进一步的，压头固定板21上的换热介质通道16的进、出口处分别设置有攻牙，以此方便管件的安装连接。
45.进一步的，换热介质通道5与压头1之间的压板2上还设置有电加热丝；由于当低温测试完成后，压头1与芯片脱离接触后会直接接触到空气，与空气接触发生使其低温的压头1表面出现结霜的情况，而通过设置的电加热丝，在压头1与芯片脱离的过程中为压头1增加了一个回温的过程，由此减小了压头1结霜的可能。
46.进一步的，压头固定板21采用黄铜制成，具有良好的导热性。
47.工作时，测试系统发出预测试信号，下压装置下压，带动芯片压紧换热装置整体下压，弹簧探针13先顶住芯片，接着压头1部分的弹簧被压缩，之后压板2部分的压缩弹簧被压缩，压紧芯片；压头固定板21上的换热介质通道16持续有循环液流入流出，通过压头固定板
21向压头1传热持续对芯片进行加温或降温，压头1部分中的温度传感器14检测到芯片温度到达预定值，反馈开始测试的信号；测试完成后，测试系统发出结束测试信号，下压装置上移，安装板24和隔温板固定板23处的压缩弹簧先被释放，接着压头1部分的弹簧再被释放，最后弹簧探针13的被释放脱离芯片。
48.实施例二：
49.如图7所示，本实施例提供一种冷热冲击芯片测试系统，包括、循环介质储罐6、加热模块7、制冷模块8、循环泵9和测试模块10；其中，测试模块10、循环介质储罐6和循环泵8通过管路依次连接，构成串联流路；在循环介质储罐6与循环泵9之间并联设置加热模块7和制冷模块8；并联的加热模块7和制冷模块8与串联流路间分别设置有可开闭的阀门；测试模块10包括芯片放置装置和实施例一种的芯片压紧换热装置，换热介质通道5设置在串联流路上。
50.进一步的，制冷模块8和加热模块7分别充当芯片冷热冲击地冷源和热源，制冷模块8选用压缩机，加热模块7选用电热器；选择循环液充当冷热交换介质，循环介质制冷时选用乙醇(熔点-114.1℃，沸点78.3℃)，加热时选用乙二醇(熔点-12.9℃，沸点197.3℃)；需要注意的是，并不局限于上述材料，可以选用液体或气体。
51.进一步的，在循环泵9与制冷模块8和加热模块7之间还可以设置有过滤器，以过滤管路内的冷热交换介质，以保证冷热交换介质的换热效果。
52.进一步的，冷热冲击试验温度范围：-50℃-100℃。
53.进一步的，为保证温度不流失，管路、测试模块、制冷模块和加热模块均使用保温棉覆盖；更一步的，测试模块的外围设置有隔温罩，通过隔温罩使测试模块处于相对密闭的环境，隔温罩上覆盖有保温棉，以此防止测试模块在进行低温测试时结露或结霜。
54.工作时，当进行低温冲击时：制冷模块8的阀门开启，加热模块7的阀门关闭，从循环介质储藏罐6的加液口加入乙醇直至循环介质储藏罐加满；启动制冷模块8，预制冷直至温度表显示温度为-50℃；启动循环泵9；乙醇在管路中开始循环流动，此过程中，乙醇不断给测试模块10降温，然后回到制冷模块8继续降温；乙醇将会让测试模块10快速降温，直至测试模块10中的温度传感器14温度为-50℃，保持温度开始测试，直至测试完成；测试完成后，关闭制冷模块8，打开管路排液口，将乙醇排空，关闭循环泵9，关闭制冷模块8的阀门。
55.当进行高温冲击时：加热模块7的阀门开启，制冷模块8的阀门关闭，从循环介质储藏罐6的加液口加入乙二醇直至循环介质储藏罐加满；启动加热模块7，预加热直至温度表显示温度为100℃；启动循环泵9；乙二醇在管路中开始循环流动，此过程中，乙二醇不断给测试模块10加热，然后回到加热模块7继续加热；乙二醇将会让测试模块10快速升温，直至测试模块10中的温度传感器14温度为100℃，保持温度开始测试，直至测试完成；测试完成后，关闭加热模块7，打开管路排液口，将乙二醇排空，关闭循环泵9，关闭加热模块7的阀门。
56.实施例三：
57.本实施例提供一种冷热冲击芯片测试系统，相较于实施例二，本实施例的区别在于选择空气充当冷热交换介质，将循环介质储藏罐6替换为气泵，并取消循环泵9。
58.工作时，当进行低温冲击时：制冷模块8的阀门开启，加热模块7的阀门关闭；启动制冷模块8，预制冷直至温度表显示温度为-50℃；启动气泵，空气源源不断的涌入管路中，此过程中，受制冷模块8降温的冷空气不断给测试模块10降温，直至测试模块10中的温度传
感器14温度为-50℃，保持温度开始测试，直至测试完成；测试完成后，关闭制冷模块8，打开泄压阀，将剩余冷空气排空，关闭气泵，关闭制冷模块8的阀门。
59.当进行高温冲击时：加热模块7的阀门开启，制冷模块8的阀门关闭；启动加热模块7，预加热直至温度表显示温度为100℃；启动气泵，空气源源不断的涌入管路中，此过程中，受加热模块7加热的热空气不断给测试模块10加热，直至测试模块10中的温度传感器14温度为100℃，保持温度开始测试，直至测试完成；测试完成后，关闭加热模块7，打开泄压阀，将剩余热空气排空，关闭气泵，关闭加热模块7的阀门。
60.进一步的，在测试模块10的进气管路上设置气压调节阀，用以控制冷/热空气进入测试模块10的速率。
61.进一步的，为适应以空气作为冷热交换介质的方案，如图8和图9所示，对压头1的结构进行了改进。在压头本体11的正面开设有凹槽16上开设与换热介质通道5相连通的出气孔17，更进一步的，出气孔17绕弹簧探针13或温度传感器14等间距布置，且气孔17布置在凹槽16的纵横交汇处。
62.进一步的，在压头1与第一缓冲机构3的连接面上，沿边缘开设有密封圈安装槽18，在密封圈安装槽18内安装有密封圈19；通过密封圈19使其压头1在被压缩时，利用密封圈19使压头1与压头固定板21上的安装槽密封贴合，以保证气路的密封性。
63.进一步的，在气泵的进气口处设置有过滤器，用以过滤和干燥空气，以免引起堵塞和管道内凝露。
64.进一步的，当测试模块10使用隔温罩时，因为压头1通过气孔17一直在对外喷气，经过过滤干燥的气体会很快充满整个隔温罩，这样也有助于保持测试环境的湿度相对较低。
65.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。