一种微米级金属微通道换热器性能测试装置及评估方法

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种微米级金属微通道换热器性能测试装置及评估方法。

背景技术

金属微通道导热性能好，射频接地性能好，应用潜力大。目前研究，尤其是针对大功率芯片应用散热性能的评估，缺乏全面反映散热情况的测试方法，对于推动金属微通道应用开发是不利的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种微米级金属微通道换热器性能测试装置及评估方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种微米级金属微通道换热器性能测试装置，包括热源芯片、金属微通道换热器、测试盒体、电路板、泵、压力测量系统和温度采集系统，其中：所述测试盒体由下盖板、密封垫、上盖板自下而上堆叠设置，通过固定件固定；所述下盖板设有流道、第一入水口和第一出水口，所述密封垫设有与第一入水口、第一出水口一一相对应的第二入水口和第二出水口；所述金属微通道换热器装设于测试盒体的密封垫之上，并与第二入水口和第二出水口相连通，上盖板设置于金属微通道换热器之上并对应金属微通道换热器设有小于金属微通道换热器上表面的开口，热源芯片设于开口之内的金属微通道换热器上；所述电路板装配于上盖板之上并电连接热源芯片；所述泵与测试盒体和金属微通道换热器形成流体通路；所述压力测量系统设于第一入水口和第一出水口以获取流阻；所述温度采集系统包括若干热电偶，所述热电偶设于热源芯片表面、第一入水口和第一出水口以获取对应温度。

可选的，所述第一入水口还连通有恒温水浴槽。

可选的，所述第一出水口还连接有热交换器。

可选的，所述第一入水口还连通有过滤器和脱气装置。

可选的，所述上盖板和下盖板的材料为不锈钢或铝合金。

可选的，所述热源芯片为模拟热源芯片、GaN HEMT大功率射频器件或大功率SiC电力电子器件；所述热源芯片采用导电胶、焊料或纳米银浆粘结或共晶焊接至所述金属微通道换热器的上表面。

可选的，所述热源芯片与电路板之间通过金丝、铝丝或探针卡连接。

可选的，所述密封垫为隔热材料；或所述密封垫和上盖板之间设有隔热垫，所述隔热垫包裹所述金属微通道换热器的侧面。

可选的，所述温度采集系统还包括用于获取所述热源芯片的表面温度的红外实时热像仪。

一种微米级金属微通道换热器性能评估方法，采用上述微米级金属微通道换热器性能测试装置，由第一入水口通入冷却工质，获取输入电压，输入电流以及第一入水口、第一出水口和微通道换热器表面的温度，其中输入电压(Vn)与输入电流(In)之积为输入热流密度(Wn)，如下式所示，

Wn＝Vn In

热源芯片的发热面积为A，获得第一热流密度(Qn)，如下式所示，

Qn＝Wn/A

通过调节电压以调节第一热流密度，以热源芯片表面温度小于最大许可温度同时冷却工质温度小于冷却工质相变温度为基准；由第一入水口、第一出水口的温度换算出第二热流密度，第一热流密度和第二热流密度的差值为其他因素导致的散热。

本发明的有益效果为：测试盒体使用上下盖板结合密封密封垫，用固定件进行密封可有效增强气密性，防止冷却液泄露，避免压强过大，冷却液直接冲开金属微通道，破坏装配。可准确获取散热能力，评估各部分散热贡献，便于大功率芯片应用散热性能评估。

附图说明

图1是实施例的一种微米级金属微通道换热器性能测试装置的示意图；

图2是测试盒体的装配示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。

一种微米级金属微通道换热器性能测试装置，如图1和图2所示，主要包括热源芯片501、金属微通道换热器301、测试盒体000、电路板700、DC电源、泵910、压力测量系统920、温度采集系统930，其中：所述测试盒体000由下盖板100、密封垫200和密封垫400、隔热垫300、弹性垫片500、上盖板600自下而上堆叠设置，通过固定件800(例如螺钉或螺栓)固定，所述下盖板100带有流道102以及第一入水口101A和第一出水口101B，所述密封垫200带有与下盖板100第一入水口101A和第一出水口101B相对应的第二入水口201A和第二出水口201B。所述金属微通道换热器301装设于测试盒体的密封垫200之上，并与第二入水口201A和第二出水口201B相连通。上盖板600设置于金属微通道换热器301之上并对应金属微通道换热器301设有小于金属微通道换热器上表面的开口601，即上盖板600的开口601边缘与金属微通道换热器301上表面外周至少2边存在重叠。密封垫400具有同样的开口。热源芯片501设于开口之内的金属微通道换热器301上。

冷却工质由第一入水口101A流入，经过流道102的输入侧、第二入水口201A、金属微通道换热器301的输入口302A进入金属微通道换热器301的微通道302，然后经过金属微通道换热器301的输出口302B、第二出水口201B、流道102的输出侧由第一出水口101B流出。

电路板700装配在上盖板600之上，为设置于测试盒体000上的热源芯片501提供电气连接。DC电源可选用直流电源，用于热源芯片501、泵910、压力测量系统920等供电。泵910与测试盒体000、微金属微通道换热器301形成流体通路，可使用蠕动泵或齿轮泵等，驱动冷却工质进入测试盒体000，流经测试链路后进行工质收集。压力测量系统920(例如压力传感器)设置于测试盒体000第一入水口101A和第一出水口101B两端，以获取流阻。流速越大，散热效果越好，但所需泵送功率更高，需同时兼顾，以反映最佳散热效果。温度采集系统930主要包括热电偶(温度计)931、数据采集仪组成932，所述热电偶931直接放置于热源芯片501表面、以及第一入水口内、第一出水口内等各处至少1颗，以获取对应温度。温度采集系统930还可同时包括红外实时热像仪933，获取整个热源芯片501表面温度，与热电偶931测温结果进行校准。

在测试盒体000第一入水口101A之前加入恒温水浴槽950将冷却液温度恒定至所需温度，恒定测试盒体000入水口温度。在测试盒体000第一出水口101B之后加入热交换器960将流经热源后温度上升的冷却工质降低至室温。在测试盒体000第一入水口101A之前可加入过滤器或脱气装置940，去除杂质并防止气泡产生，进一步提高冷却液的散热效果。

测试盒体000的上盖板600和下盖板100的材料可使用不锈钢或铝合金等。隔热垫300包裹微金属微通道换热器301的侧面以便排出盒体及散热路径对散热的影响，真实反映所述金属微通道的散热能力。此外，也可密封垫200和密封垫400为隔热材料，省却隔热垫300。

热源芯片501可以为模拟热源芯片，也可为GaN HEMT等大功率射频器件，或大功率SiC电力电子器件。热源芯片501可使用导电胶、焊料、纳米银浆等粘结或共晶焊接至金属微通道换热器301上表面热源芯片501与电路板700(例如PCB)之间的电气连接可使用金丝或铝丝，也可使用探针卡连接。探针卡进行PCB与热源芯片之间的电气连接可有效解决金丝或铝丝易断，引线跨度要求的限制，便于实验操作，有效避免金丝或铝丝断开重新打线的风险和成本。

一种微米级金属微通道换热器性能评估方法，包括：

由第一入水口通入冷却工质，获取输入电压，输入电流以及第一入水口、第一出水口和微通道换热器表面的温度，其中输入电压(Vn)与输入电流(In)之积为输入热流密度(Wn)，如下式所示，

Wn＝Vn In

热源芯片的发热面积为A，获得第一热流密度(Qn)，如下式所示，

Qn＝Wn/A

通过调节电压以调节第一热流密度，以热源芯片表面温度小于最大许可温度(如GaN工作最大许可温度为200℃)同时冷却工质温度小于冷却工质相变温度为基准；由第一入水口、第一出水口的温度换算出金属微通道换热器的散热效果，即为第二热流密度，二者的差值为其他因素导致的散热。由此可准确获取散热能力，评估各部分散热贡献，便于散热性能评估。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种微米级金属微通道换热器性能测试装置及评估方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。