电子元器件相变冷却效果的测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电子元器件相变冷却效果的测试系统，其包括：一蒸发室，盛装有对被测电子元器件进行相变冷却的冷剂；一冷剂温控系统，用于控制所述冷剂的温度；一电子元器件固定装置，用于将所述被测电子元器件固定在所述蒸发室的冷剂中；一冷凝和压力调节系统，用于冷凝回流所述蒸发室中产生的蒸气、并监控该蒸气的压力；一数据采集系统，用于测量、采集并监控所述冷剂和被测电子元器件的表面温度；一可视化观测系统，用于观测所述蒸发室内的被测电子元器件的表面的沸腾气泡行为，以得到气泡动力学参数。本发明专利技术的测试系统可用于不同电子元器件材料、表面形状、放置位置及倾斜角度下，不同冷剂及过冷度等条件下的相变冷却效果评价。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测试系统，特别是涉及一种针对高热流密度电子元器件热控制， 进行相变冷却时的冷却效果的测试系统。
技术介绍
电子元器件的应用遍及日常生活、生产乃至国家安全的各个层面。微细化和高密 度化是微电子元器件的发展方向。自1959年以来，随着硅集成度电路的问世，芯片的集成 度以每年40 % 50 %的速度增长，集成电路芯片中的热流密度已从20世纪70年代的10W/ cm2增长到现在的超过lOOW/cm2。某些微系统的热流密度高达lOOOW/cm2。根据著名的“摩 尔定律”推算芯片上的晶体管每18个月翻一番，那么到2010年，芯片上晶体管的数量将 超过10亿。微电子机械系统的飞速发展使得微电子芯片、超大规模集成电路的散热问题日 益凸显，促使换热系统进一步朝高效化、微型化迈进。电子元器件集成度提高，热量集中，微电子设备局部温度过高，导致微电子元器件 工作于高温环境下而失效。与此同时，微电子设备的使用范围日益广泛，使用环境变化很 大，往往处于环境温度高，温差变化大，条件十分苛刻，从而导致微电子元器件的工作性能 及稳定性大大降低。研究表明，单个半导体元器件的温度每升高10°c，系统可靠性将降低 50%，超过55%的电子设备失效是由于温度过高引起的。因此，芯片功率密度不断上升，导 致芯片的耗能和散热成为限制微电子技术发展的瓶颈，如何将极高的产热量有效的排散， 将芯片温度保持在较低水平已然成为一个迫在眉睫的问题。目前，降低电子元器件温度应用最广泛方法为风冷和液冷。风冷即利用风扇产生 的循环气流对芯片冷却，但该方法由于散热冷却效果差，噪声严重，仅适用于集成度和运算 速度低的芯片散热，现有以强制空气冷却为主的微处理器散热技术最多只能处理60%微处 理器所产生的废热，故该散热技术已达瓶颈，需要依赖新一代体积更小且效率极高的液体 冷却技术来解决。将芯片直接浸没在惰性不导电液体(冷剂)中进行沸腾相变换热的浸没式相变 冷却方法是一种高效的散热方式，也是目前国内外的一个研究热点。为了进一步提高此高 效散热方式的可靠性，有必要进行其冷却效果的评价，从而进一步优化冷却系统，推动该相 变散热技术的推广应用。因此开发出能有效评价此种散热方式散热效果的测试系统意义重 大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有的对电子元器件缺乏浸没式相变冷却 效果的测试系统的缺陷，提供一种能对电子元器件的相变冷却效果进行有效测试的电子元 器件相变冷却效果的测试系统。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种电子元器件相变冷却效 果的测试系统，其特点在于，其包括一蒸发室，盛装有对被测电子元器件进行相变冷却的冷剂；一冷剂温控系统，用于控制所述冷剂的温度；一电子元器件固定装置，用于将所述被测电子元器件固定在所述蒸发室的冷剂 中；一冷凝和压力调节系统，用于冷凝回流所述蒸发室中产生的蒸气、并监控该蒸气 的压力；一数据采集系统，用于测量、采集并监控所述冷剂和被测电子元器件的表面温度； 及一可视化观测系统，用于观测所述蒸发室内的被测电子元器件的表面的沸腾气泡 行为，用以得到气泡动力学参数。较佳地，当采用液体介质如水浴或油浴进行温控时，所述蒸发室置于所述冷剂温 控系统内；这样通过控制冷剂温控系统的温度，从而控制测试时所需的蒸发室内的冷剂的 温度。在本专利技术另一较佳实施例中，还可以采用气体，比如蒸气，作为温控手段。更佳地，所述的冷剂温控系统包括一盛装有液体水的水浴槽；一置于所述液体水中的加热器；及一与所述加热器相连接的水浴温控器。在上述情况下，所述的蒸发室可放置于恒温水浴槽内，实现冷剂的温度控制。较佳地，所述水浴槽的内底壁上方设一用于支撑所述蒸发室的垫块。更佳地，所述蒸发室的内底部置一磁力搅拌子，所述冷剂温控系统的外底壁设有 一与所述磁力搅拌子相应的磁力搅拌器，以更好地保证冷剂温度的均勻性。较佳地，所述冷凝和压力调节系统包括一冷凝器，所述冷凝器通过数根管路与所 述蒸发室相通，至少一根所述管路上还设有一压力传感器；更佳地，所述冷凝器的顶端设有 一与大气连通、用于排出不凝性气体的阀门。较佳地，所述的电子元器件固定装置为一旋转杆，所述旋转杆包括一内部端，该内部端伸入所述的蒸发室的冷剂内，与所述被测电子元器件固接；及一固设在所述蒸发室的侧壁的外部端。较佳地，所述旋转杆的外部端还带有一用于精确地度量所述被测电子元器件的旋 转角度的全圆量角器。较佳地，所述数据采集系统包括若干与所述蒸发室内的被测电子元器件连接的热 电偶，用于测试采集所述被测电子元器件表面的温度信号。热电偶是利用温差电动势的测 温原理，采集温度信号，并将信号输出到数据采集器。较佳地，所述数据采集系统还包括一数据采集器。较佳地所述数据采集器还电相连一 PC机。这只是作为一种优选的实施方式，数据 采集器也可以不用连接PC机，而采用其它可以提取采集温度信号进行数据分析的电子终端。较佳地，所述蒸发室为一透明的密封容器，所述可视化观测系统置于所述蒸发室 外，用于对所述被测电子元器件进行观测。较佳地，所述可视化观测系统包括一高速摄像仪和一放大镜头，用于从蒸发室的侧面和上面实现气泡立体效果的观测；所述测试系统还包括一观测时照亮用的光源，比如 可采用平行光束冷光LED灯。较佳地，所述被测电子元器件为一电子元器件模拟块，所述电子元器件模拟块包 括一电连接一直流稳压电源的加热元件，所述加热元件能提供高达200-350W/cm2的 热流密度；及一与所述加热元件相连接的测试表面，所述测试表面通过一导热胶设于所述加热 元件的上表面，所述加热元件的其它表面均进行绝热处理，不与所述冷剂换热。在本专利技术一较佳实施例中，所述加热元件能提供的热流密度可达200-350W/cm2， 较佳地为300W/cm2，采用这种加热元件就能模拟热流密度最高为350W/cm2的电子元器件的 散热；所述测试表面优选为一上表面具有多孔涂层的铜基。将由加热元件和测试表面通过 导热胶连接而成的模拟块浸没于冷剂中，加热元件可提供上述的热流密度，其热功率由直 流稳压电源提供。所述旋转杆一端连接电子元器件模拟块，一端固定在蒸发室壁面。固定 在蒸发室壁面外部的旋转杆的一端连接有一全圆量角器，通过全圆量角器可精确度量电子 元器件模拟块的倾斜角度。通过旋转杆的外部端的旋转，调节被测电子元器件的倾斜角度， 以模拟电子元器件在不同空间位置的散热状况。本专利技术中的相变是指由液相到气相的变化。其中的浸没式，是相对液一气相变冷 却系统而言的一种，指的是将电子功率器件直接浸没于冷剂，利用冷剂汽化吸收汽化潜热 冷却器件(组件)。上述的冷剂，指的是对电子元器件进行浸没式相变冷却时，用于与电 子元器件相容的介电液体。比如，可以是无色透明、无味的惰性全氟液体FC-72，还可以是 HFE-7100等其他电子氟化液、R113等制冷剂、酒精等有机物和水等。本专利技术的积极进步效果在于1、本专利技术的测试系统，首要解决的是提供一个用于测试电子元器件的相变冷却效 果的测试系统。其次，本专利技术还可以通过监测电子元器件模拟块表面的温度，得到表面的沸 腾传热系数、临界热流密度等参数，通过高速摄像仪和放大镜头可视化地观测气泡行为及 获得气泡动力学参数，实现浸没式相变散热系统冷却效果的评价。本专利技术中的临界热通量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子元器件相变冷却效果的测试系统，其特征在于，其包括：一蒸发室，盛装有对被测电子元器件进行相变冷却的冷剂；一冷剂温控系统，用于控制所述冷剂的温度；一电子元器件固定装置，用于将所述被测电子元器件固定在所述蒸发室的冷剂中；一冷凝和压力调节系统，用于冷凝回流所述蒸发室中产生的蒸气、并监控该蒸气的压力；一数据采集系统，用于测量、采集并监控所述冷剂和被测电子元器件的表面温度；及一可视化观测系统，用于观测所述蒸发室内的被测电子元器件的表面的沸腾气泡行为，用以得到气泡动力学参数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张莉，刘宇，徐宏，戴玉林，徐鹏，李建民，孙岩，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]