[發明專利]一種抽吸式電子芯片冷卻沸騰強化換熱實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201810644662.0
• 申請日: 2018-06-21
• 公開（公告）號: CN108844992B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 張永海;余昕桐;劉斌;魏進家
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 齊書田

本發明公開了一種抽吸式電子芯片冷卻沸騰強化換熱實驗裝置及方法，包括抽吸實驗沸騰池，抽吸實驗沸騰池通過下方開口的隔板分為抽吸腔和排液腔，抽吸實驗沸騰池的底板上安裝有載物凸臺，載物凸臺的上部伸入至抽吸腔中，且載物凸臺的上部設置測試芯片，測試芯片的兩端通過導線連接至直流電源，測試芯片的正上方設置有抽吸管束，抽吸管束通過連接在抽吸實驗沸騰池上的輸液管道連接至冷凝器，冷凝器的出口端通過直流泵連接至回液管道，所述回液管道連接在抽吸實驗沸騰池上，且回液管道與排液腔連通。本發明通過抽吸作用產生低壓，加快芯片表面氣泡脫離和周圍冷流體快速補充，具有操作靈活，控制簡單，占地面積小，芯片替換方便等優點。

技術領域

本發明涉及電子芯片冷卻強化沸騰換熱技術領域，具體涉及一種抽吸式電子芯片冷卻沸騰強化換熱實驗裝置及方法。

背景技術

隨著微電子技術的迅猛發展，芯片上的大規模集成電路的集成度和工作頻率不斷提高，電子器件的特征尺寸越來越小，因此芯片的冷卻問題已越來越突出。傳統的風冷等冷卻技術很難將大量的熱量及時帶走，利用沸騰相變換熱對芯片進行直接液體冷卻是一種有效的冷卻方式，通常的做法是將芯片直接浸在不導電液體中進行沸騰換熱，但存在沸騰起始溫度偏高等問題，不利于電子器件的啟動，因此需要采用強化措施來有效降低沸騰起始壁面過熱度，提高臨界熱流密度，保證芯片在高熱流密度下的臨界壁面溫度低于85℃，保障電子設備安全可靠運行。

對于池沸騰換熱而言，芯片浸沒在靜止的工質中進行換熱，臨界熱流密度值偏低，增大過冷度可以提高臨界熱流密度，然而這意味著需要提供較大的過冷度，制冷單元成本增加。而除了過冷度之外，工質流速對換熱也有積極的影響。依靠流體對芯片表面的沖刷作用可以實現強化換熱的目的，但通過高速攝像拍攝的照片發現，臨界狀態時，流體沿流動方向上對汽膜的破壞作用小，芯片表面被一層汽膜所覆蓋，阻礙了冷流體的補充。射流沖擊冷卻具有較高的沖擊力度，流體可以沖擊換熱表面，擊碎或破壞汽膜，將換熱表面的熱量迅速帶走，從而保證冷流體的補充，維持芯片在高熱流密度下的正常換熱，進一步提高臨界熱流密度值，但射流沖擊冷卻范圍小，更適用于局部冷卻。目前，大多數文獻中，都是針對池沸騰、流動沸騰、射流沖擊沸騰的實驗研究，然而上述沸騰方式在帶走氣泡的同時都或多或少抑制了氣泡的產生，因而降低了沸騰換熱臨界熱流密度。同時對芯片表面氣泡快速脫離、冷流體迅速補充和合適的表面冷卻范圍等強化特點不能很好地結合在一起。

發明內容

本發明的目的在于提供一種抽吸式電子芯片冷卻沸騰強化換熱實驗裝置及方法，以克服現有技術存在的問題，本發明通過抽吸作用在芯片加熱壁面產生低壓區，從而降低該區域的液體沸點，有效降低核態沸騰的起始壁面過熱度。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種抽吸式電子芯片冷卻沸騰強化換熱實驗裝置，包括用于容納實驗工質的抽吸實驗沸騰池，所述抽吸實驗沸騰池通過下方開口的隔板分為抽吸腔和排液腔，且抽吸腔和排液腔通過隔板下方的開口連通，抽吸實驗沸騰池的底板上嵌入式安裝有載物凸臺，載物凸臺的上部伸入至抽吸腔中，且載物凸臺的上部設置測試芯片，測試芯片的兩端通過導線連接至設置在抽吸實驗沸騰池外側的直流電源，測試芯片的正上方設置有抽吸管束，且抽吸管束的內壁采用親氣疏水表面，抽吸管束通過連接在抽吸實驗沸騰池上的輸液管道連接至冷凝器，冷凝器的出口端通過直流泵連接至回液管道，所述回液管道連接在抽吸實驗沸騰池上，且回液管道與排液腔連通。

進一步地，測試芯片上連接有用于測試其溫度的第一熱電偶，抽吸實驗沸騰池上連接有用于測試實驗工質溫度的第二熱電偶。

進一步地，抽吸實驗沸騰池上連接有用于控制池內溫度的加熱棒。

進一步地，抽吸實驗沸騰池上通過通氣管道連接有用于保持池內壓力穩定的補壓裝置。

進一步地，隔板上垂直連接有用于防止回液時擾動過大的受液盤。

進一步地，載物凸臺的頂部設有凹槽，測試芯片通過隔熱硅膠粘貼在凹槽中。