ความจุในการทำความเย็นที่จำเป็นสำหรับเครื่องทำความเย็นแบบเซมิคอนดักเตอร์สำหรับอุปกรณ์ทดสอบคือเท่าใด

ความจุในการทำความเย็นของเครื่องทำความเย็นแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กับอุปกรณ์ทดสอบควรเป็นเท่าใด

ไม่มีค่าจำนวนกิโลวัตต์เดียวที่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนสำหรับ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ที่ใช้ร่วมกับอุปกรณ์ทดสอบ ความจุในการทำความเย็นที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับปริมาณความร้อนที่เข้าสู่วงจรหล่อเย็นระหว่างลำดับการทดสอบจริง ไม่ใช่จากค่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้บนป้ายชื่อของเครื่องทดสอบเพียงอย่างเดียว จากมุมมองของการบูรณาการอุปกรณ์ คำถามแรกที่มีประโยชน์คือ วงจรหล่อเย็นจะต้องนำความร้อนออกได้มากน้อยเพียงใด ที่อุณหภูมิของสารหล่อเย็นที่จ่ายตามที่กำหนด ขณะที่อุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ (DUT) ชุดยึดจับ (fixture) หัวควบคุมอุณหภูมิ (thermal head) และสภาพแวดล้อมรอบข้างกำลังทำงานพร้อมกัน

เอ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ สำหรับระบบจัดการอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE handler) สถานีตรวจสอบด้วยหัววัด (probe station) ชุดทดสอบความร้อนสะสม (burn-in fixture) หรืออินเทอร์เฟซกระแสความร้อน (thermal-stream interface) ควรเลือกให้รองรับทั้งภาระงานคงที่และภาระงานชั่วคราวสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นได้จริง ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ เพราะอุปกรณ์หนึ่งๆ อาจดูทำงานได้ปกติในภาวะพัก แต่กลับเกินความสามารถในการทำความเย็นที่มีอยู่ เมื่ออุปกรณ์กำลังส่งกำลังสูงเริ่มสลับสถานะ (switching) เมื่อห้องควบคุมอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (ramps) หรือเมื่ออุณหภูมิของชุดยึดจับเปลี่ยนแปลง

เริ่มต้นด้วยภาระงานด้านความร้อนที่แท้จริงของอุปกรณ์ทดสอบ

ภาระความร้อนของชุดทดสอบมักประกอบด้วยการซ้อนทับของภาระต่าง ๆ ความร้อนที่อุปกรณ์ปล่อยออกมา (device dissipation) มักเป็นองค์ประกอบที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุด แต่ไม่ใช่องค์ประกอบเดียวที่ต้องพิจารณา อย่างไรก็ตาม เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ แผ่นข้อมูลสำหรับการเลือกขนาดอุปกรณ์อย่างเป็นรูปธรรมจะแยกแยะความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ (DUT) ความร้อนจากซ็อกเก็ตและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชื่อมต่อ ความสูญเสียความร้อนจากหัวควบคุมอุณหภูมิหรือแผ่นกด (thermal head หรือ platen) ความร้อนจากปั๊ม และความร้อนรั่วไหลผ่านท่อน้ำ ท่อรวม (manifolds) และห้องโดยรอบ

• ความร้อนจาก DUT แบบคงที่: ความร้อนเฉลี่ยที่ปล่อยออกในระหว่างรูปแบบการทดสอบที่ตั้งใจไว้
• ความร้อนจากอุปกรณ์ยึดจับและอินเทอร์เฟซ: แผ่นรองโหลด (load boards), ฮาร์ดแวร์ซ็อกเก็ต, คอนแทคเตอร์, โมดูลจ่ายไฟ หรือหัวควบคุมอุณหภูมิ (thermal head) ที่แลกเปลี่ยนความร้อนกับวงจรทำความเย็น
• ความร้อนชั่วคราว: คลื่นความร้อนที่เกิดจากการเปิด-ปิดแหล่งจ่ายไฟแบบเป็นจังหวะ การเพิ่มหรือลดกำลังไฟอย่างรวดเร็ว การทดสอบหลายตำแหน่งพร้อมกัน หรือการเปลี่ยนสถานะของอุปกรณ์จากโหมดหนึ่งไปยังอีกโหมดหนึ่ง
• ความร้อนจากสิ่งแวดล้อมที่เข้ามา: การสูญเสียความร้อนเนื่องจากการฉนวนไม่เพียงพอ โลหะที่เปิดเผยสู่อากาศ ท่อน้ำที่ยาวเกินไป และอากาศร้อนรอบอุปกรณ์
• หัวจ่ายไฮดรอลิก: ผลจากความร้อนของปั๊มและการลดลงของแรงดันที่อาจเปลี่ยนจุดการปฏิบัติงานจริง

พร้อมด้วย เครื่องทำความเย็นแบบแม่นยำ จึงน่าดึงดูดใจที่จะเริ่มต้นด้วยกำลังการผลิตที่ผู้ผลิตโฆษณาไว้ อย่างไรก็ตาม ลำดับที่ปลอดภัยกว่านั้นคือทำกลับกัน คือ กำหนดภาระงานก่อน จากนั้นจึงเปรียบเทียบกำลังการผลิตที่อุณหภูมิของของไหลที่ออกจากอุปกรณ์ ปริมาณการไหล และสภาวะแวดล้อมที่ต้องการ กำลังการผลิตที่ระบุไว้ที่จุดการให้ข้อมูลมาตรฐานอาจไม่สะท้อนกำลังการผลิตที่อุณหภูมิทดสอบต่ำ หรือภายใต้ส่วนผสมของสารหล่อเย็นที่ต่างออกไป

คำนวณภาระงานในการทำความเย็นจากค่าที่วัดได้ของสารหล่อเย็น

เมื่อระบบวงจรทำงานอยู่ การคำนวณเบื้องต้นที่มีประโยชน์ที่สุดจะใช้ปริมาณการไหลของสารหล่อเย็นและค่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่วัดได้ระหว่างทางเข้าและทางออกของอุปกรณ์

ภาระงานในการทำความเย็น Q = m-dot × Cp × ΔT

ที่นี่ m-dot คืออัตราการไหลของมวลสารหล่อเย็น Cp คือความจุความร้อนจำเพาะของสารหล่อเย็น และ ΔT คืออุณหภูมิขาเข้าลบด้วยอุณหภูมิขาออก ผลลัพธ์ที่ได้คือความร้อนที่ถ่ายโอนไปยังของไหล สำหรับน้ำที่อยู่ใกล้อุณหภูมิห้อง มักประมาณค่า Cp ไว้ที่ 4.18 กิโลจูลต่อกิโลกรัม·องศาเซลเซียส สำหรับการคำนวณเบื้องต้น ส่วนสารผสมไกลคอล จำเป็นต้องใช้คุณสมบัติที่ขึ้นกับความเข้มข้นและอุณหภูมิจริงของสารนั้น การคำนวณนี้เป็นเพียงการประเมินเบื้องต้น ไม่สามารถแทนการตรวจสอบเงื่อนไขการทดสอบทั้งหมดได้

ตัวอย่างเช่น สมมุติว่าระบบวงจรหนึ่งส่งผ่านน้ำด้วยอัตรา 12 ลิตรต่อนาที และอุณหภูมิขาเข้าสูงกว่าอุณหภูมิขาออก 3 องศาเซลเซียส อัตราการไหลจะอยู่ที่ประมาณ 0.2 กิโลกรัมต่อวินาที ดังนั้นโหลดโดยประมาณจึงเท่ากับ 0.2 × 4.18 × 3 = 2.5 กิโลวัตต์ หากค่าที่วัดได้นี้สะท้อนสถานะการทดสอบที่สูงสุดและคงที่ที่สุด กระบวนการเลือกความจุยังคงต้องพิจารณาความไม่แน่นอน ยอดสูงชั่วคราว การรั่วไหลของความร้อน และความจุของเครื่องทำความเย็นที่อุณหภูมิขาออกเป้าหมายด้วย จึงไม่ได้หมายความโดยอัตโนมัติว่าหน่วยขนาด 2.5 กิโลวัตต์ เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

ใช้ค่าเผื่ออย่างมีเหตุผล ไม่ใช่การเดาสุ่ม

เอ เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบทำน้ำเย็น จำเป็นต้องมีกำลังการผลิตสำรอง แต่ค่าเผื่อนั้นควรสอดคล้องกับความไม่แน่นอนที่ทราบแล้ว ไม่ใช่ร้อยละคงที่ทั่วไป หากความร้อนจากกระบวนการวัดได้แม่นยำและรอบการทำงานมีเสถียรภาพ ค่าเผื่อเชิงวิศวกรรมที่พอเหมาะอาจเพียงพอแล้ว แต่หากยังไม่ทราบข้อมูลเกี่ยวกับรูปแบบการใช้พลังงาน อุณหภูมิในการทดสอบ ความเข้มข้นของของเหลวรีฟริเจอร์ หรือสภาพแวดล้อมในห้องทดลอง ค่าเผื่อที่กว้างขึ้นจึงสมเหตุสมผลจนกว่าจะสามารถระบุคุณลักษณะของเครื่องมือได้อย่างชัดเจน

แทนที่จะขอ 'กำลังการผลิตเพิ่มเติม' ให้ถามว่าค่าเผื่อนั้นป้องกันอะไรบ้าง อาจครอบคลุมห้องปฏิบัติการที่ร้อนขึ้น ชุดอุปกรณ์สำหรับใช้งานหลายสถานที่ในอนาคต ช่วงเวลาที่ใช้พลังงานสูงต่อเนื่องนานขึ้น การสูญเสียความเย็นในท่อน้ำที่ประเมินต่ำเกินไป หรือการลดลงของกำลังการผลิตเมื่อตั้งค่าจุดควบคุมอุณหภูมิไว้ต่ำกว่าปกติ แนวทางนี้ทำให้การพิจารณาเรื่องกำลังการผลิตสามารถตรวจสอบได้โดยวิศวกรด้านการทดสอบ ทีมงานด้านสิ่งอำนวยความสะดวก และผู้ติดตั้งอุปกรณ์

ตรวจสอบเงื่อนไขสี่ประการนอกเหนือจากหน่วยกิโลวัตต์

1. อุณหภูมิของส่วนจ่ายและความเสถียร

ตลาด เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ต้องสามารถสร้างสภาวะการจ่ายที่ต้องการได้ภายใต้ภาระงานที่กำหนด ไม่ใช่เพียงแค่เข้าใกล้ค่าที่ตั้งไว้เมื่อไม่มีหรือมีภาระงานน้อยมาก ข้อกำหนดด้านความเสถียรควรระบุเป็นข้อกำหนดในการทดสอบ พร้อมระบุตำแหน่งที่วัด วิธีการใช้เซนเซอร์ และระยะเวลาที่ยอมให้ระบบปรับตัวจนคงที่ ค่าความผันผวนที่แคบมากที่ทางออกของชิลเลอร์อาจไม่เท่ากับความเสถียรที่จุดเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ

2. อัตราการไหลและแรงดันตกคร่อม

เอ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับกระบวนการผลิต แม้ระบบจะมีความสามารถในการทำความเย็นเพียงพอ ก็อาจไม่เหมาะสมกับระบบทดสอบโดยรวม หากอัตราการไหลต่ำเกินไป หรือปั๊มไม่สามารถเอาชนะแรงดันตกคร่อมจากอุปกรณ์ยึดจับ ท่อม้วน และตัวกรองได้ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องขอข้อมูลเกี่ยวกับช่วงอัตราการไหลที่ต้องการ แรงดันสูงสุดที่ยอมรับได้ ข้อจำกัดของเส้นทางการไหลของสารหล่อเย็น และรายละเอียดการต่อเชื่อม ก่อนอนุมัติการจัดวางระบบ

3. การตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงแบบฉับพลัน

เครื่องมือทดสอบมักเปลี่ยนกำลังงานเร็วกว่าที่วงจรทำความเย็นจะตอบสนองได้ ปริมาตรของถังกักเก็บ ตรรกะการควบคุม ปริมาตรของวงจร และมวลความร้อน ล้วนมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ สำหรับ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ , ใช้ลำดับกำลังสูงแบบตัวแทนเพื่อประเมินค่าโอเวอร์ชูต เวลาการฟื้นตัว และแนวโน้มของอุณหภูมิที่ไหลกลับ แทนที่จะพึ่งพาเฉพาะโหลดเฉลี่ย

4. ความเข้ากันได้ของสารหล่อเย็นและการควบคุมการควบแน่น

การเลือกของเหลวส่งผลต่อค่า Cp ความหนืด ความต้องการปั๊ม การควบคุมการกัดกร่อน และการคำนวณกำลังความสามารถ ที่อุณหภูมิขาเข้าต่ำ การฉนวนกันความร้อน การปิดผนึกไอน้ำ และการจัดการจุดน้ำค้างกลายเป็นข้อกำหนดของระบบ เครื่องทำความเย็นแบบแม่นยำ การเลือกจึงควรระบุให้ชัดเจนถึงชนิดของของเหลว ความเข้มข้น ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน และผู้รับผิดชอบในการควบคุมการควบแน่น

ขั้นตอนการคำนวณขนาดอย่างเป็นรูปธรรมสำหรับการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์

1. จัดทำรายการองค์ประกอบทั้งหมดที่ต้องระบายความร้อน และระบุว่าความร้อนจากแต่ละองค์ประกอบนั้นมีลักษณะคงที่ เป็นจังหวะ หรือเปลี่ยนแปลงชั่วคราว
2. บันทึกอุณหภูมิขาเข้าเป้าหมาย อุณหภูมิขาออกที่ยอมรับได้ อัตราการไหลที่ต้องการ ประเภทของสารหล่อเย็น และสภาพห้องที่คาดไว้
3. วัดหรือประมาณค่า Q จากอัตราการไหล คุณสมบัติของของเหลว และค่าความต่างของอุณหภูมิระหว่างขาเข้ากับขาออกในช่วงสถานะการทดสอบแบบตัวแทน
4. เพิ่มค่าเผื่อที่สามารถติดตามแหล่งที่มาได้สำหรับความไม่แน่นอนและเงื่อนไขการใช้งานในอนาคต
5. เปรียบเทียบความจุที่ต้องการกับ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ประสิทธิภาพที่จุดตั้งค่าจริงและสภาวะแวดล้อมจริง
6. ยืนยันประสิทธิภาพของระบบไฮดรอลิก ความเสถียรของอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ สัญญาณเตือน และการฟื้นตัวผ่านการทดสอบเดินเครื่อง

ผลลัพธ์ควรอยู่ในรูปข้อกำหนด เช่น “กำจัดภาระความร้อนสูงสุดที่ยืนยันแล้ว ที่อุณหภูมิของสารหล่อเย็นขาเข้าและอัตราการไหลที่ระบุ พร้อมเกณฑ์ความเสถียรและการฟื้นตัวที่ชัดเจน” แทนที่จะเป็นเพียงคำขอความจุแบบไม่มีบริบท ถ้อยคำเช่นนี้จะช่วยให้ผู้จัดจำหน่ายสามารถประเมิน เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบทำน้ำเย็น ได้ตามวงจรภาระทั้งหมด

คำถามที่ต้องคลี่คลายก่อนเลือกขั้นสุดท้าย

• ความร้อนสะสมสูงสุดที่คงที่จากอุปกรณ์ทดสอบ (DUT) และอุปกรณ์ยึดจับ (fixture) ตลอดระยะเวลาโปรแกรมที่ตั้งใจใช้งานคือเท่าใด
• ช่วงเวลาเปลี่ยนแปลงแบบชั่วคราวที่สั้นที่สุดแต่มีกำลังสูงสุดคือเท่าใด และยอมรับการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิได้มากน้อยเพียงใด
• อุณหภูมิของสารหล่อเย็นขาเข้าและขาออกวัดที่ตำแหน่งใด
• สารหล่อเย็นชนิดใด ความเข้มข้น อัตราการไหล และขีดจำกัดการลดแรงดันที่ใช้ได้
• แผนการทดสอบในอนาคตนี้มีการเพิ่มสถานที่ ช่องทาง หรืออุณหภูมิในการทำงานที่ต่ำลงหรือไม่

ตาข่ายที่มีขนาดเหมาะสม เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ไม่ใช่เพียงแค่หน่วยที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่มีอยู่เท่านั้น การเลือกหน่วยที่มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็นอาจทำให้พฤติกรรมการควบคุมซับซ้อนขึ้นและเพิ่มต้นทุนในการดำเนินงาน ในขณะที่การเลือกหน่วยที่มีขนาดเล็กเกินไปอาจทำให้อุณหภูมิผันแปร ฟื้นตัวช้า และเกิดการหยุดชะงักของการทดสอบ ทางเลือกที่ดีกว่าคือการจัดทำสมดุลความร้อนอย่างเป็นเอกสาร ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วภายใต้ลำดับการทดสอบที่เป็นตัวแทน จากนั้นจึงเลือกให้สอดคล้องกับ เครื่องทำน้ำเย็นสำหรับกระบวนการผลิต การตั้งค่าที่มีความสามารถตามที่ต้องการ อัตราการไหล ประสิทธิภาพการควบคุม และมาตรการป้องกันในการติดตั้ง