一种芯片散热系统的测试方法及测试系统

技术领域

本发明总的来说涉及芯片散热技术领域。具体而言，本发明涉及一种芯片散热系统的测试方法及测试系统。

背景技术

随着芯片的集成规模越来越大，芯片的单位面积上需求的功率也越来越大。芯片的单位面积上的功率增加将导致芯片上的热流密度(热通量)的增加，使得芯片发热量增大，进而导致芯片的散热问题目益严重。尤其是对于多芯片互联的晶圆级芯片而言，由于多个芯片相互连接，因此当芯片发热严重并且温度分布不均匀时，很容易造成器件和设备的损坏。

针对上述问题，中国专利“CN202310363104.8”提出了一种用于多芯片互联结构的散热系统，包括：芯片互联层，其包括多个晶粒；以及散热层，其布置在所述芯片互联层上，所述散热层包括多个散热元件，其中所述多个散热元件的至少之一布置在所述多个晶粒之一之上。发明可以有效提高散热系统的散热能力，满足整体功率达到25kW、单晶粒功率达到500W的多芯片互联的晶圆级芯片的散热需求，更好的解决了芯片高热源区域的散热问题。并且散热元件可以被构造为不同的结构以具有不同的散热能力，根据散热能力的梯度排序排列散热元件可以解决芯片的均温性问题。而传统的散热系统测试方法难以直接应用于该系统，因此需要提出一种用于多芯片互联结构的散热系统的测试方法。

发明内容

为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种芯片散热系统的测试方法，包括下列步骤：

将多个模拟热源片布置在散热冷板上，其中将多个所述模拟热源片相互连接；

使冷却液流经散热冷板并且与所述模拟热源片进行换热，其中冷却液从散热冷板的冷却液入口流入，从冷却液出口流出；

测量所述冷却液入口处的测试参数，所述测试参数包括冷却液温度、冷却液压力以及冷却液流速；以及

生成多个所述模拟热源片的温度云图，根据所述温度云图确定所述测试参数对散热冷板的散热效果的影响。

在本发明一个实施例中规定，所述模拟热源片包括陶瓷加热片。

在本发明一个实施例中规定，使冷却液流经散热冷板并且与所述模拟热源片进行换热包括：

将冷却液存储在所述储液罐中；

使冷却液通过泵流入压力计，并且流入冷却液入口；

冷却液在散热冷板中与所述模拟热源片换热并且从冷却液出口流出；以及

使冷却液流入储液罐中形成循环。

在本发明一个实施例中规定，所述冷却液包括去离子水。

在本发明一个实施例中规定，所述泵包括蠕动泵。

在本发明一个实施例中规定，所述芯片散热系统的测试方法还包括：

将制冷机与所述储液罐以降低冷却液入口处的冷却液温度。

在本发明一个实施例中规定，所述芯片散热系统的测试方法还包括：

将供电电路与多个所述模拟热源片连接以对所述模拟热源片供电，其中所述供电电路的供电功率大于等于多个所述模拟热源片的总功率，并且所述供电电路上设有控温电路以防止所述模拟热源片烧毁。

在本发明一个实施例中规定，生成多个所述模拟热源片的温度云图包括：

在所述散热冷板与模拟热源片之间布置导热层，并且在所述模拟热源片的上方布置热成像仪以扫描模拟热源片的表面以生成实验温度云图；和或

通过仿真实验仿真所述模拟热源片与散热冷板之间的接触面上的温度以生成仿真温度云图。

在本发明一个实施例中规定，所述芯片散热系统的测试方法还包括计算实验温度云图与仿真温度云图之间的偏差，表示为下式：

ΔT＝T

其中，ΔＴ表示实验温度与仿真温度之间的差值、T

本发明还提出一种芯片散热系统的测试系统，其包括：

散热冷板，其上布置多个模拟热源片，其中多个所述模拟热源片相互连接；

水路管道，其被配置为使冷却液流经散热冷板并且与所述模拟热源片进行换热：

测量系统，其被配置为测量所述冷却液入口处的测试参数；以及

分析系统，其被配置为生成多个所述模拟热源片的温度云图，根据所述温度云图确定所述测试参数对散热冷板的散热效果的影响。

本发明至少具有如下有益效果：本发明提出一种芯片散热系统的测试方法及测试系统，其中使用模拟热源片代替实际的芯片进行测试，可以避免测试过程对芯片造成损害。测量所述冷却液入口处的冷却液温度、冷却液压力以及冷却液流速等参数以确定这些参数对芯片散热系统的散热效果的影响，并且可以对确定实验温度云图与仿真温度云图之间的偏差以消除仿真实验中的误差。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了本发明一个实施例中一个待测试的用于多芯片互联结构的散热系统的结构示意图。

图2示出了本发明一个实施例中一个芯片散热系统的测试方法的流程示意图。

图3示出了本发明一个实施例中一个芯片散热系统的测试系统的示意图

图4示出了本发明一个实施例中一个模拟热源片的布置示意图。

图5A-B示出了本发明一个实施例中不同冷却液入口温度下模拟热源片表面上的仿真温度云图的示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了本发明一个实施例中一个用于多芯片互联结构的散热系统的分层结构示意图。如图1所示，其中所述散热系统包括盖板层101、散热层102以及芯片互联层103。

所述散热层102布置在所述芯片互联层103上，所述盖板层101布置在所述散热层102上，其中所述散热层102将所述芯片互联层103产生的热量传导至所述盖板层101，并且在所述盖板层101进行换热。所述芯片互联层103包括多个晶粒108，其中多个所述晶粒108相互连接。

所述盖板层101以及所述散热层102可以通过焊接工艺一体成型，形成一个完整的散热冷板301。在所述盖板层101的第一侧上设置有冷却液入口104，在所述盖板层101的与第一侧相对的第二侧上设置有冷却液出口105，所述冷却液入口104可以与进水管连接，所述冷却液出口104可以与出水管连接，其中冷却液可以从所述盖板层101的第一侧流向第二侧并且带走传导至所述盖板层101的热量。

图2示出了本发明一个实施例中一个芯片散热系统的测试方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括下列步骤：

步骤201、将多个模拟热源片307布置在散热冷板301上，其中将多个所述模拟热源片307相互连接。

步骤202、使冷却液流经散热冷板301并且与所述模拟热源片307进行换热，其中冷却液从散热冷板301的冷却液入口104流入，从冷却液出口105流出。

步骤203、测量冷却液入口104处的测试参数，所述测试参数包括冷却液温度、冷却液压力以及冷却液流速。

步骤204、生成多个所述模拟热源片307的温度云图，根据所述温度云图确定所述测试参数对散热冷板301的散热效果的影响。

本发明使用模拟热源片代替实际的芯片进行测试，可以避免测试过程对芯片造成损害。

本发明还提出一种执行上述方法的系统，包括：

散热冷板301，其上布置多个模拟热源片307，其中多个所述模拟热源片307相互连接；

水路管道，其被配置为使冷却液流经散热冷板301并且与所述模拟热源片307进行换热：

测量系统，其被配置为测量冷却液入口104处的测试参数；以及

分析系统，其被配置为生成多个所述模拟热源片307的温度云图，根据所述温度云图确定所述测试参数对散热冷板301的散热效果的影响。

图3示出了本发明一个实施例中一个芯片散热系统的测试系统的示意图。如图3所示，所述测试系统包括储液罐302、制冷机303、泵304、压力计305、热成像仪306以及供电电路(图中未示出)。

冷却液存储在所述储液罐302中。所述冷却液可以是去离子水或者其它冷却液。冷却液从储液罐302中通过所述泵304流入压力计305中，并且流入散热冷板301的冷却液入口104，从散热冷板301的冷却液出口105流出后再流入储液罐302形成循环。所述泵304可以是蠕动泵。所述散热冷板301上布置有模拟热源片307，在所述散热冷板301与所述模拟热源片307之间布置有导热层308。所述模拟热源片307与供电电路连接，所述模拟热源片307可以是陶瓷加热片。

在测试过程中，所述压力计305可以测量所述散热冷板301的冷却液入口104处的压力，冷却液在所述散热冷板301中与模拟热源片307进行换热，并且从冷却液出口105流出后再流入储液罐302形成散热循环。由于冷却液入口104处的冷却液温度对散热冷板301的冷却效果有整体平移的效果(也就是说如果冷却液入口104处的冷却液温度降低，整个散热系统的温度都会降低)，因此可以将制冷机303与储液罐302连接，所述制冷机303可以降低储液罐302中的冷却液的温度，进而降低散热冷板301的冷却液入口104处的冷却液温度。

在所述散热冷板301布置有多个模拟热源片307，所述模拟热源片307相互连接，所述供电电路对所述模拟热源片307进行供电。可以在所述散热冷板301上布置7×7共49颗模拟热源片307，其中每颗模拟热源片307的最高功率可达到550w，总功率可以达到27kw，所述供电电路需要满足所述模拟热源片307的总功率需求。由于单颗模拟热源片307的功率过高，因此供电电路中需要设置控温电路以防止所述模拟热源片307烧毁。例如可以在供电电路中设置温控开关，当温度高于阈值时(例如高于85℃)时，可以将供电电路自动切断。所述模拟热源片307可以在宽电压上进行工作(也就是说可以在不同的电压下进行工作)，因此可以测试不同的电压工况下的来散热效果。此外，所述模拟热源片307也可以连接固定电压的电源(例如220V)以便操作。

热成像仪306布置在所述散热冷板301的上方，所述热成像仪306在测试过程中可以对模拟热源片307的表面进行扫描以生成温度云图。

在测试过程中，可以对冷却液入口104处的压力、温度以及流速进行测量，以确定冷却液入口104处的压力、温度以及流速对散热冷板301的散热效果的影响。此外通过热成像仪306可以扫描生成模拟热源片307的表面的实验温度云图，并且可以将实验温度云图与仿真生成的仿真温度云图进行比较以确定散热冷板301的散热效果。

图4示出了本发明一个实施例中一个模拟热源片的布置示意图。每颗所述模拟热源片307的尺寸可以是28×28mm，在仿真条件下模拟热源片307的功率密度是50W/cm

通过将制冷机303与储液罐302连接可以降低储液罐302中的冷却液的温度，在本发明的一个实施例中，通过设置制冷机303将储液罐302中的冷却液的温度由300K降低至273K。图5A-B示出了本发明一个实施例中不同冷却液入口温度下模拟热源片表面上的仿真温度云图的示意图，其中图5A示出了冷却液入口104处温度为273K的模拟热源片表面上的仿真温度云图，图5B示出了冷却液入口104处温度为300K的模拟热源片表面上的仿真温度云图，如图5A和图5B所示，图5A中模拟热源片表面上的整体温度下降了20多度，因此降低冷却液入口104处的冷却液温度可以有效提升散热冷板301的散热效果。

在本发明的一个实施例中，可以通过例如ANSYS软件进行仿真测试。在仿真过程中简化了模拟热源片307与散热冷板301之间的关系，仿真测试得到的温度是模拟热源片307与散热冷板301之间的接触面上的温度。但在实际的传热过程中，如前所述，在散热冷板301与所述模拟热源片307之间布置有导热层308以降低接触热阻，因此实验值与仿真值之间会存在差值。

导热层308的热阻R

其中，L

模拟热源片307的热阻R

其中，L

根据傅里叶导热定律

T

其中，Q表示传热量，P表示发热功率。T

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。