用于表征在非均匀热负荷下的热特性的方法和设备技术

一种用于实时表征满负荷工作的冷却装置（１００２）的热特性的方法和设备。将热源（１００４）施加到冷却装置（１００２）上的一个或多个区域，以对该冷却装置进行非均匀加热。红外（ＩＲ）温度成像仪（１００６）探测和测量热源（１００４）在该冷却装置（１００２）上的热分布，以便表征该冷却装置（１００２）的热特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及表征用于电子部件的冷却装置和冷却组件的特性，尤其涉及一种表征在非均匀热负荷下的冷却装置的热特性的设备和方法。
技术介绍
在过去的十多年中，微处理器的性能有了显著改进。为了实现器件性能中的这种改进，电路的密度增大。在更小尺寸的芯片上制造出越来越多的晶体管。这继而导致组件功率密度成指数级地增大，并且预计这种趋势会持续到可预知的将来。芯片组件所消耗的几乎所有的电能都被作为热量释放到周围环境中，这从而给冷却装置和冷却组件带来巨大的负担。现有的冷却技术通常利用空气或水将热量从芯片上带走。具有热管或蒸汽室的热沉通常用在气冷装置中，而小型或微型冷板在水冷中是最主流的。这些装置经由热界面连接到硅芯片上。在许多冷却组件中，可区分为三种部件i)冷却装置；ii)冷却组件和芯片之间的导热界面；以及iii)芯片或半导体器件本身。下面对每种部件进行进一步说明。在下文中，为了便于说明，冷却装置被称为热沉(heat sink)，它可以包括风扇、铜散热片、冷板、小型通道、小型导管、微型通道、微型导管以及其它类似结构。冷却组件包括冷却装置、电子器件如半导体芯片，以及芯片与冷却装置之间的热界面材料。图1和2分别示出现有技术的气冷式和液冷式芯片。参照图1，气冷片式热沉102连接到硅芯片104上。热沉102包括多个由高导热材料例如铜或铝制成的散热片106。该片式结构使表面积最大，将热量从芯片上吸走并传递到周围环境108中。热沉102还可包括具有吸液芯(wick)结构且位于散热片106和芯片104之间的内部热管110，以及位于热管110和芯片104之间的导热板112。最后，导热界面114——例如油脂、环氧树脂或焊料——将热沉102连接到芯片104上，并允许热量从芯片104传递到热沉102上。为了便于引用，整个结构100被称为冷却“组件”。参照图2，其中示出液冷式热沉202连接到硅芯片104上。液冷式热沉202是不必依赖外部环境进行散热的密封环境，但具有用于液体循环的路径。液体能够将部分热量带到冷却器或某种其它的吸热器(可以是环境)。液冷式热沉202通过导热界面114连接到芯片104上。与图1中所示的类似，图2的冷板202是实际的冷却装置，而整个结构200被称为冷却组件。冷却组件200包括界面114和芯片104。应该指出，冷板202包括小型通道、微型通道、小型导管和微型导管以及其它形式的大型/小型/微型冷板。除了由于上述的晶体管密度增加而导致的总体功耗增加外，微处理器和其它电路的性能得到优化，这导致器件上有高热区域或范围。这些区域显示出很高的功率密度，从而导致芯片上有“热点”。图3是示出现有技术芯片的功率分布的功率图。图4示出当使用现有技术的结构冷却器件104时，由图3的功率图得到的现有技术的冷却装置的表面上的温度分布。芯片功率分布的空间不均匀性导致通过导热界面114与芯片相接触的冷却装置的表面上的功率和温度相应地不均匀。这种现象对冷却装置的热性能产生不利影响，冷却装置通常被设计成在空间上更加均匀的热负荷下工作并对被进行试验。热管110或蒸汽室具有蒸发器部分(未示出)，该部分利用已知的通过使驻留的液体蒸发或沸腾的液相变化。这使得从芯片表面上吸走大量的热。蒸发和沸腾的速率均受到与发生相变的液体相接触的表面上的热通量大小和热通量分布的显著影响。尤其是，在该器件的高功率密度区域处，热管110的冷却能力下降。因此，当使用热管或蒸发室来冷却微处理器或电子器件时，如果芯片的功率密度很不均匀，则在芯片和界面上方的蒸发器区域内的沸腾和/或蒸发也将是不均匀的。所得到的冷却用传热系数是取决于蒸发器表面上的局部热通量分布的函数。为了示出该原理，图5示出现有技术的满负荷工作的硅芯片104。芯片104具有三个不同的功率密度区低功率密度区502、中功率密度区504和高功率密度区506。容纳液体508的热管110直接位于芯片104上方并连接到该芯片上。液体508沸腾的区域514位于该热管110内并直接位于芯片104的中功率密度区504上方。在此处，相变迅速发生，并且热管110的冷却效应最大。直接位于工作芯片104的低功率密度区502上方的区域512是冷却液体508(通常是水)内的相变很少的区域，因此对芯片104的冷却降低。最后，在直接位于芯片104的高功率密度区506上方的区域516，液体508内产生过量的蒸汽。过量的蒸汽的产生形成蒸汽覆盖层518，该蒸汽覆盖层阻止液体508与板112接触和有效地从板112驱散热量，从而导致冷却装置110的冷却系数迅速降低。图6是示出现有技术中的沸腾或蒸发冷却系数是如何随输入功率密度变化的曲线图。沿该曲线的三个点612、614和616对应于图5中的相同区域512、514和516。在图6内，可以看到冷却系数随功率密度增大，直到其达到最优值614，之后冷却系数迅速减小。因此，在这些情况下，了解冷却装置在非均匀芯片热负荷下的热行为并为此进行设计是有利的。为了能够了解和设计，希望表征和测量这些冷却装置在这种空间上非均匀的芯片功率条件下的性能。另外，芯片功率密度依赖于应用，即，其活动特性。因此，同一芯片在不同应用下会具有不同的功率密度。因此，还需要为灵活的或动态变化的功率图进行设计。
技术实现思路
简言之，根据本专利技术，公开了这样一种方法和设备，其用于向冷却装置施加非均匀热负荷，以及测量和表征(i)仅冷却装置；(ii)整个冷却装置组件(即冷却装置、导热界面和芯片)；和(iii)仅导热界面的热性能。本专利技术的方法和设备不需要使测量设备物理连接到试验器件上，从而在使用用于施加功率的电阻加热器、热电偶以及用于温度测量的IR热成像仪时可提供很多优点。文中所公开的方法和设备还可以迅速改变试验器件上的热点或高功率密度点。在一个实施例中，本专利技术包括一种用于表征用于处理器件的工作的冷却装置的热特性的装置，其中该装置包括工作的冷却装置、施加(应用)到该冷却装置上的至少一个区域的局部热源，以及用于测量温度分布的温度探测器。该冷却装置是通常用于冷却计算应用中的微处理器的类型，它被联接(耦合)到电子器件上以便带走该电子器件在工作过程中的热量。该冷却装置的示例性实施例是热管、蒸汽室、冷却叶片，或由一组大型通道、微型通道、小型通道、微型管道、小型管道和/或风扇组件冷却的冷板。该冷却装置还可以是可用于冷却计算机芯片或其它类似电子器件的其它结构。通过使用热发生器向该冷却装置施加局部热，该热发生器可以是激光器、聚光灯、定向对流热流发生器、发热元件、电磁辐射器或任何其它能够产生并传递聚焦热的器件。在一个实施例中，热发生器是激光器，并使用光束分裂用光学元件(Wollaston棱镜)将由激光器产生的激光束分为两路，以便冷却装置获得两个单独的聚焦加热区域。聚焦热源还可重新定位并施加于该装置上的多个位置，从而可以识别每个区域内的非均匀加热的效果。在本专利技术的另一实施例中，还使用偏热源(bias heat source)向冷却装置施加偏热。偏热源向该冷却装置的较大区域施加或多或少均匀的热量，并可用热气枪或能够向整个区域施加均匀热量的任何其它类似的装置实现。在其它情况下，可使用非常轻微地聚焦的紫外线灯或二极管激光阵列。与单个聚焦热源相比，增加偏热可与聚焦热源一起更接近地模拟电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表征用于电子器件的工作的冷却装置的热特性的设备，该设备包括：工作的冷却装置；施加到该冷却装置上的至少一个区域的局部热源；以及用于测量该冷却装置上的温度分布的温度探测器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：HF哈曼，MK利延加，JA莱西，RR施密特，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]