TWI878761B - 使用多相熱介面構件之電子元件測試方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，該多相熱介面構件主要包括熱介面固體元件及熱介面流體材料；熱介面固體元件之導熱表面上具備容納空間，熱介面流體材料充填於該容納空間中。據此，本發明結合了固體相態和流體相態的熱介面材料，由於流體具有可以任意改變型態、任意流動和任意分裂等特性，故熱介面流體材料可以完全填補熱介面固體元件與溫控件或被溫控件間接觸介面的空氣隙，從而實現熱傳導介面之全表面熱傳，可有效提高熱傳遞效率。

Description

使用多相熱介面構件之電子元件測試方法

本發明係關於一種使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，尤指一種結合至少二種相態熱介面材料之熱傳導構件，其可運用於電子元件之散熱領域或其他溫度控制領域。

熱界面材料(Thermal Interface Material，TIM)是配置在溫控件和被溫控件之間，以降低二者之間的接觸熱阻。配置熱界面材料主要原因在於，凡是固體表面都會有粗糙度，且對於薄型物件(如晶片)而言也有可能會產生翹曲，所以當溫控件和被溫控件以表面接觸時，不可能完全密貼，難免會有一些空氣隙夾雜在其中，而空氣的導熱係數非常小，僅有0.026W/(m·K)，因此該空氣隙處將產生相當大的接觸熱阻。

然而，以晶片測試領域而言，當晶片與溫控件間形成有空氣隙，晶片的該處位置將會形成高溫，可能影響測試結果，嚴重時甚至導致晶片燒毀。因此，業界常見會使用熱界面材料夾設於溫控件和被溫控件之間，用來填充空氣隙，這樣就可以降低接觸熱阻，提高溫控性能。

再者，目前業界常見使用的熱介面材料為固體形式，例如銦(Indium)合金片，其導熱性和延展性極佳，且表面設有特定紋路，例如凸點或菱格紋；故當銦合金片受力擠壓時，可彈性變形以填補溫控件和被溫控件間的空氣隙。另一方面，為了更有效吸收各種表面粗造度或元件翹曲所造成較大的空氣隙，銦合金片表面的特定紋路之高低位差會被設計的較大，目的是增加可壓縮量來確保銦合金片與溫控件或被溫控件表面更充分接觸；然而，特定紋路的高低位差越大，將更容易形成更多或更大的空氣隙。

另外，在現有技術中亦有使用液態的熱介面材料，例如美國專利公開第US 2017027084 A1號「連續流體熱界面材料施配(CONTINUOUS FLUIDIC THERMAL INTERFACE MATERIAL DISPENSING)」，其揭露了利用一施配器(dispenser)將流體的熱介面材料施加到熱控頭(thermal head)和電子元件間的接觸面。然而，此種方式很難確保溫控件和被控件間的所有空氣隙都被填滿液態熱介面材料；特別是被控件變形而呈局部區域凸起的翹曲狀態時，液態熱介面材料很難停留在溫控件和被控件之間。再且，不管採用何種配方的液態的熱介面材料，其熱傳導係數都無法與如銦合金片的固態熱介面材料比擬，且液態熱介面材料也容易造成電子設備的汙染或短路。

本發明之主要目的係在提供一種使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，俾能確保溫控件和被控件間的接觸面能夠完整地進行熱傳導，有效提高熱傳導效率。

為達成上述目的，本發明一種形成多相熱介面構件之方法，其主要包括以下步驟：提供熱介面固體元件，其包括第一導熱表面、及第二導熱表面，第一導熱表面與第二導熱表面中至少一者具備至少一容納空間；第一導熱表面係用於接觸溫控件，第二導熱表面係用於接觸被溫控件；以及，施加熱介面流體材料於熱介面固體元件、溫控件與第一導熱表面之間、以及第二導熱表面與被溫控件之間中至少一者，並充填於至少一容納空間中；熱介面流體材料於常溫環境係呈液態、氣態、膠態或其任二者或三者之混合。

據此，在本發明所提供形成多相熱介面構件方法中，主要係將熱介面流體材料施加到熱介面固體元件上、熱介面固體元件與溫控件之間、以及熱介面固體元件與被溫控件之間中至少一者處，而藉由流體可任意變形和流動之特性，故可填補原本熱介面固體元件與溫控器或被溫控器間之接觸介面的空氣隙，進而排除因空氣隙所造成熱傳遞不均之影響，藉以顯著降低接觸熱阻。

為達成前述目的，本發明一種多相熱介面構件，其主要包括熱介面固體元件及熱介面流體材料；熱介面固體元件包括第一導熱表面、及第二導熱表面，而第一導熱表面與第二導熱表面中至少一者具備至少一容納空間；另外，熱介面流體材料可充填於第一導熱表面與第二導熱表面中至少一者之至少一容納空間中。其中，熱介面固體元件於常溫環境且未受外力影響時呈固態；而熱介面流體材料於常溫環境係呈液態、氣態、膠態或其任二者或三者之混合。

承上，本發明提供了一種多相(multiphase)熱介面構件，其結合了固體相態和流體相態的熱介面材料(thermal interface material，TIM)，而流體相態的熱介面材料可以是液態、氣態、或膠態，或者三者中任二者之混合、抑或三者之混合。由於流體具有可以任意改變外型、任意流動和任意分裂等特性，故熱介面流體材料可以完全填補熱介面固體元件與溫控件或被溫控件間接觸介面的空氣隙，從而實現接觸介面之全表面溫控，可有效提高熱傳遞效率。

為達成前述目的，本發明一種具備多相熱介面構件之電子元件測試設備，其主要包括溫控件、多相熱介面構件以及測試座；多相熱介面構件包括熱介面固體元件及熱介面流體材料；而熱介面固體元件包括第一導熱表面、及第二導熱表面，且第一導熱表面與第二導熱表面中至少一者具備至少一容納空間；熱介面流體材料充填於第一導熱表面與第二導熱表面中至少一者之至少一容納空間中；測試座用於容置待測電子元件。其中，熱介面固體元件的第一導熱表面用於抵接於溫控件，熱介面固體元件的第二導熱表面係用於接觸測試座上的待測電子元件。

換言之，根據本發明所提供的具備多相熱介面構件之電子元件測試設備中，其利用了多相熱介面構件作為溫控件和待測電子元件(被溫控件)間的熱傳遞構件，而多相熱介面構件中的熱介面流體材料可以用來填補熱介面固體元件本身的空氣隙、熱介面固體元件與溫控件之間的空氣隙、及/或熱介面固體元件與待測電子元件表面之間的空氣隙，故可完全排除因空氣隙所形成局部區域溫控效果不佳的問題，從而實現所有熱接觸表面之全表面溫控，大幅提升溫控效果和效率。

本發明使用多相熱介面構件之電子元件測試方法在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請同時參閱圖1A及圖1B，圖1A係本發明多相熱介面構件一較佳實施例之熱介面固體元件的立體圖，圖1B係本發明多相熱介面構件一較佳實施例之剖視圖。如圖中所示，本實施例之多相熱介面構件T主要包括一熱介面固體元件2及一熱介面流體材料3；熱介面固體元件2包括一第一導熱表面21、及一第二導熱表面22；第一導熱表面21係用於接觸一溫控件Mt，例如散熱器、冷卻器或加熱器；第二導熱表面22係用於接觸一被溫控件Oc，例如中央處理器(CPU)或圖形處理器(GPU)。

本實施例之熱介面固體元件2採用銦基合金片，其屬相變化金屬片，有極佳的熱傳導特性和延展性，導熱係數介於50至80W/m.K，熱介面固體元件2於常溫環境且未受外力影響時呈固態。再者，熱介面固體元件2之第一導熱表面21和第二導熱表面22均設有複數凸點25，其係用於增加熱介面固體元件2的可壓縮量，以確保熱介面固體元件2與溫控件Mt或被溫控件Oc表面更充分接觸。另一方面，第一導熱表面21和第二導熱表面22的複數凸點25同時也在該等表面分別形成了一容納空間S，而熱介面流體材料3容納於該等容納空間S內。

再者，熱介面流體材料3於常溫環境下係呈液態、氣態、膠態或其任二者或三者之混合，具備流動性且可任意變形，故可充填於任意形狀的容納空間S內。液態的熱介面流體材料3可以是水、乙二醇溶液、去離子水、電子冷卻液(3M™ Fluorinert™)、或奈米流體等；其中，奈米流體可由奈米顆粒和基液兩種成分組成，奈米顆粒可為金屬、金屬氧化物、碳化物、奈米碳管、石墨烯，其中奈米金屬顆粒優選為鎂；而基液可為水、乙二醇或油，其中油又以合成導熱油(Therminol™)為佳。另外，氣態的熱介面流體材料3可以是氦氣、氫氣、氖氣、其他熱傳導係數優於空氣之氣體或由液態的熱介面流體材料3所蒸發之氣體；膠態的熱介面流體材料3可為常見之導熱膠或導熱膏。

又，在本實施例中，熱介面固體元件2的第一導熱表面21和第二導熱表面22均設有熱介面流體材料3；不過，在其他的實施態樣中，熱介面流體材料3也可只設於第一導熱表面21或第二導熱表面22。另外，熱介面固體元件2本身也可以是多孔隙材質，如奈米碳管片材或石墨薄片，而熱介面流體材料3可完全填滿於熱介面固體元件2的所有孔隙中。

請參閱圖1C，其係本發明多相熱介面構件另一較佳實施例之熱介面固體元件的剖視圖；本實施例之熱介面固體元件2設有複數貫通孔24，其係貫穿第一導熱表面21與第二導熱表面22。據此，可藉由在熱介面固體元件2之單側施加熱介面流體材料3，而熱介面流體材料3即可利用貫通孔24流通於第一導熱表面21與第二導熱表面22，藉此可使第一導熱表面21與第二導熱表面22的容納空間S均填滿熱介面流體材料3，故可實現熱介面固體元件2之全接觸表面無空氣隙的目的。

請同時參閱圖2A及圖2B，圖2A係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中施加熱介面流體材料時之剖視圖，圖2B係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中多相熱介面構件接觸待測試電子元件時之剖視圖。本實施例所提供之電子元件測試設備主要包括溫控件Mt、多相熱介面構件T、測試座Sc、以及流體施加裝置4。溫控件Mt可為一般具備加熱器、冷卻器或散熱器之壓測頭，而多相熱介面構件T即如前段所述之實施態樣，其第一導熱表面21連接於溫控件Mt的下表面；測試座Sc則用於容置一待測電子元件C(被溫控件Oc)。

另外，本實施例之流體施加裝置4為一噴塗裝置；在進行測試之前，當待測電子元件C被置入測試座Sc後，流體施加裝置4移至待測電子元件C上方並開始施加熱介面流體材料3；而當施加達到一特定量後，流體施加裝置4從待測電子元件C上方移出。接著，溫控件Mt下移，使多相熱介面構件T的第二導熱表面22接觸測試座Sc上的待測電子元件C，而熱介面流體材料3便充填於第二導熱表面22上的容納空間S，即如圖2B所示。

請一併參閱圖2C，其係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中測試待測試電子元件時之剖視圖；如圖中所示，為了確保溫控件Mt、多相熱介面構件T與待測電子元件C三者之間能夠完全密貼，溫控件Mt會施加下壓力於多相熱介面構件T與待測電子元件C；此時，多相熱介面構件T受到擠壓就會產生變形。需要特別說明的是，為了凸顯本發明的優勢，特別在圖中將待測電子元件C設定為明顯翹曲狀，故而在該翹曲部位W，多相熱介面構件T和待測電子元件C的上表面之間仍會產生明顯空隙G，而此等空隙G則將由熱介面流體材料3所填滿。由此可知，本發明確實可消除所有的空氣隙，進而提高熱傳導效果。

再且，根據上述實施例的架構，而分別以水和電子冷卻液(3M™ Fluorinert™ 電子氟化液FC-3283)作為熱介面流體材料3，提供下列模擬數據，以佐證本發明確實具有相當明顯的功效。其中，熱介面固體元件2採用銦(Indium)合金片，其熱傳導係數為67 W/(m·K)；而水的熱傳導係數為0.613 W/(m·K)，電子冷卻液的熱傳導係數為0.066 W/(m·K)。根據電腦模擬分析結果顯示，於待測電子元件C形成有0.01 mm翹曲的情況下；單純使用傳統固態熱介面材料(TIM)時，即有明顯空氣隙存在於傳統固態熱介面材料與待測電子元件C之間，待測電子元件的溫度為119.76℃；然而，於上述實施例的架構並使用電子冷卻液作為熱介面流體材料3時，待測電子元件的溫度為98.9℃；同樣地，而上述實施例的架構但使用水作為熱介面流體材料3時，待測電子元件的溫度則會降到73.76℃。由此可知，當作為冷卻用途時，本發明確實可以顯著地提升散熱效率，而大幅降低被溫控件(待測電子元件)的溫度，效果卓越。

請參閱圖3，其係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第二實施例之剖視圖；本實施例主要透過流體通道Mc將熱介面流體材料3供給到熱介面固體元件2上。如圖中所示，本實施例之溫控件Mt包括一流體通道Mc、及一流體供應模組Mf，流體通道Mc之一端係連通至流體供應模組Mf，而另一端係導通至溫控件Mt的下端面，也就是溫控件Mt與多相熱介面構件T間的接合面處。流體供應模組Mf係用於供給該熱介面流體材料3，並透過流體通道Mc而施加至熱介面固體元件2的第一導熱表面21上。

除此之外，本實施例之測試座Sc亦可包括一流體輸送道Mcs，其一端連通至流體供應模組Mf，而另一端係導通至熱介面固體元件2之第二導熱表面22，也就是第二導熱表面22與待測電子元件C間的接合面處。據此，第一導熱表面21和第二導熱表面22上可始終維持有熱介面流體材料3，即便熱介面流體材料3受熱蒸發或溢出，流體供應模組Mf仍可即時補充熱介面流體材料3。不過，本實施例之熱介面流體材料3並不以雙面供給形式為限，也可視實際情況單獨配置流體通道Mc或流體輸送道Mcs而構成單面供給的形式。另一方面，流體通道Mc和流體輸送道Mcs不以中空管道為限，也可採用毛細材質，即可藉由毛細現象來供應熱介面流體材料3，進而施加至熱介面固體元件2的第一導熱表面21和第二導熱表面22上。

請參閱圖4，其係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第三實施例之剖視圖；本實施例與前述第二實施例之主要差異在於，本實施例上溫控件Mt設置了一流體進入通道Mc1、及一流體排出通道Mc2；其中，流體進入通道Mc1係用於供給熱介面流體材料3至熱介面固體元件2，流體排出通道Mc2則是用於自熱介面固體元件2排出熱介面流體材料3。因此，本實施例透過此一機制可適時更替熱介面流體材料3，例如過熱時，抑或可使熱介面流體材料3循環流動，以適時冷卻或加熱熱介面固體元件2，從而實現絕佳的熱傳導功效。

請一併參閱圖5A、及圖5B，圖5A係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第四實施例之立體圖，圖5B係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第四實施例中多相熱介面構件的剖視圖。在本實施例中，熱介面固體元件2更包括一外環框23，其係自該第一導熱表面21朝背離該表面的方向一體延伸；換言之，外環框23是沿著熱介面固體元件2的外框緣向上凸起，藉此熱介面固體元件2將形成一框罩，其內部形成容納空間S，故可容納熱介面流體材料3，藉此形成多相熱介面構件T。

再且，框罩形的熱介面固體元件2直接套接於溫控件Mt的下方，並藉由外環框23而和溫控件Mt形成緊配合，使多相熱介面構件T不會脫落。因此，本實施例所提供的多相熱介面構件T，其固定方式相當簡單且牢靠，不易鬆脫，而熱介面流體材料3也不會散溢四處。

請參閱圖6，其係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第五實施例之剖視圖；本實施例與前述實施例主要差異在於溫控件Mt的配置。進言之，為了讓本發明之設備可適用於不同規格或尺寸的待測電子元件C(被溫控件Oc)，本實施例之溫控件Mt下表面配置一轉接板5，其兩端面的尺寸分別適配於溫控件Mt下表面和待測電子元件C的上表面，故可作為接觸面積(熱傳導面積)的轉換。再者，在轉接板5的兩端面上也各配置一熱介面固體元件2，且每一熱介面固體元件2的二導熱表面也都充填有熱介面流體材料3。此外，本實施例之溫控件Mt可配置蒸發器和加熱棒，以同時具備加熱和冷卻之溫控效果。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

2:熱介面固體元件 3:熱介面流體材料 4:流體施加裝置 5:轉接板 21:第一導熱表面 22:第二導熱表面 23:外環框 24:貫通孔 25:凸點 C:待測電子元件 G:空隙 Mt:溫控件 Mc:流體通道 Mc1:流體進入通道 Mc2:流體排出通道 Mf:流體供應模組 Mcs:流體輸送道 Oc:被溫控件 S:容納空間 T:多相熱介面構件 W:翹曲部位

圖1A係本發明多相熱介面構件一較佳實施例之熱介面固體元件的立體圖。 圖1B係本發明多相熱介面構件一較佳實施例之剖視圖。 圖1C係本發明多相熱介面構件另一較佳實施例之熱介面固體元件的剖視圖。 圖2A係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中施加熱介面流體材料時之剖視圖。 圖2B係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中多相熱介面構件接觸待測試電子元件時之剖視圖。 圖2C係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第一實施例中測試待測試電子元件時之剖視圖。 圖3係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第二實施例之剖視圖。 圖4係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第三實施例之剖視圖。 圖5A係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第四實施例之立體圖。 圖5B係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第四實施例中多相熱介面構件的剖視圖。 圖6係本發明具備多相熱介面構件之電子元件測試設備第五實施例之剖視圖。

2:熱介面固體元件 3:熱介面流體材料 21:第一導熱表面 22:第二導熱表面 Mt:溫控件 Oc:被溫控件 S:容納空間 T:多相熱介面構件

Claims (5)

1. 一種使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，其包括以下步驟： 提供一熱介面固體元件，其包括一第一導熱表面、及一第二導熱表面，該第一導熱表面與該第二導熱表面中至少一者具備至少一容納空間；該第一導熱表面係用於接觸一溫控件，該第二導熱表面係用於接觸一測試座所容置之一待測電子元件； 施加一熱介面流體材料於該熱介面固體元件、該溫控件與該第一導熱表面之間、以及該第二導熱表面與該待測電子元件之間中至少一者，並充填於該至少一容納空間中以形成該多相熱介面構件；該熱介面流體材料於常溫環境係呈液態、氣態、膠態或其任二者或三者之混合；以及 該溫控件施加下壓力於該多相熱介面構件與該待測電子元件。
2. 如請求項1所述使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，其中，該溫控件包括一流體供應模組，其係用於施加該熱介面流體材料至該第一導熱表面，該熱介面流體材料並充填於該第一導熱表面之該至少一容納空間中。
3. 如請求項1所述之使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，其中，該熱介面固體元件更包括一外環框，其係自該第一導熱表面與該第二導熱表面中至少一者朝背離該等表面的方向一體延伸。
4. 如請求項1所述之使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，其中，該熱介面固體元件更包括至少一貫通孔，其係貫穿該第一導熱表面與該第二導熱表面。
5. 如請求項1所述之使用多相熱介面構件之電子元件測試方法，其中，該溫控件包括一流體施加裝置，其係用於施加該熱介面流體材料至該待測電子元件、該熱介面固體元件、以及該溫控件中至少一者上。