一种基于可视化平面热管的导热性测试平台及其测试方法与流程

本发明涉及一种基于可视化平面热管的导热性测试平台及其测试方法，属于平面热管技术领域。

背景技术：

目前，随着集成电路不断发展，大功率器件的散热问题不可忽视，平面热管是适用于小型电子系统散热的最有效和最紧凑的无源两相冷却系统之一，相对于其它散热系统，平面热管在制造上具有更大的优势。现有技术中，为了提高平面热管散热能力，提出了各种内部结构提高散热，其中主要包括微柱结构及热接触端的材料选用，但由于实验条件限制，很难观测到表面温度、内部温度、气泡产生及流动情况、核膜沸腾区域形貌等，只进行仿真和外表面数据测算对于平面热管的导热性测试是远远不够的。

针对上述已有技术状况，本发明申请人做了大量反复而有益的探索，最终产品取得了有效成果，并且形成了下面将要介绍的技术方案。

技术实现要素：

针对上述的不足，本发明提供了一种基于可视化平面热管的导热性测试平台及其测试方法，用以解决现有平面热管在不可视化条件下导热性测试的不准确问题；用以测试在采用了可视化上端面时，选用不同微柱结构及底端材料对于平面热管整体导热性的影响；采取在微柱结构加工后，用玻璃板进行键合的方式，使平面热管密封且内部结构可视，能更直观地分析汽液相变与热流输入之间的关系，对平面热管的设计具有非常实际的意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于可视化平面热管的导热性测试平台，包括分体设置的工作模块和测算模块，所述的工作模块包括铝制散热器、与铝制散热器相连通的冷却水塔、搭载于铝制散热器上的平面热管、设置在平面热管底部的肖特基二极管以及与肖特基二极管相电连接的恒流电压源，所述的测算模块包括数据采集模块、与数据采集模块电连接的数据转换模块以及与数据转换模块电连接的数据处理模块，所述的数据采集模块对应设于平面热管正上方。

进一步地，所述的平面热管包括设置在底部的0.35mm厚sic晶片、均匀刻蚀在sic晶片上的多个六边形微柱、位于六边形微柱外侧的换热工质以及顶部的0.5mm厚玻璃晶片，所述的玻璃晶片采用金涂层为2μm的金-金键合工艺与sic晶片相结合，所述的六边形微柱采用蜂窝状均匀布置。

进一步地，所述的铝制散热器采用中间设有矩形通道的口字型结构，且顶部中心设有横截面积大于矩形通道的矩形凹槽，用以在较小接触面积的情况下安置平面热管，所述的平面热管与铝制散热器接触部分之间设有导热硅脂，用以小部分散热，起到匀热作用。

所述的冷却水塔出入口分别与铝制散热器入出口相连通，且位于冷却水塔和铝制散热器的连通管路上依次设有用以加压调整水流流速，使得平面热管四周的工作温度梯度尽可能小的压力泵、用以检测显示水压的压力计、控制水流通断的冷却阀门以及分别对应铝制散热器冷却出口和冷却入口检测水流温度的出口温度计和入口温度计，所述的冷却水塔内水位高于铝制散热器，用以保证铝制散热器中的冷却水始终处于充满状态。

进一步地，所述的肖特基二极管设有五个，且均匀布置在平面热管上对应矩形通道部分的sic晶片上作为热源，肖特基二极管采用银涂层为5μm的银烧结工艺结合在sic晶片底部。

所述的恒流电压源包括电源以及与电源相电连接的恒流稳压器，所述的恒流稳压器与肖特基二极管之间设有可编程继电器，所述的恒流电压源输出端分别设有12v恒压端口和热源电压端口，所述的12v恒压端口与可编程继电器的工作供电端电连接，所述的热源电压端口与可编程继电器的输入电压端电连接，所述可编程继电器的输出电压端与肖特基二极管相电连接，用以方便控制电源的连通、连通时间以及热源数量条件。

进一步地，所述的数据采集模块包括红外测温仪、拉曼光谱显微镜、高速摄影仪以及摄影机，所述拉曼光谱显微镜的前端镜头采用50倍镜。

所述的高速摄影仪前端配置有光学显微镜以及辅助led光源灯，高速摄影仪所采用型号为motionxtran4，光学显微镜所采用的型号为xsp-8ca。

所述的摄影机采用2000w像素。

所述的数据处理模块采用计算机设备。

一种基于可视化平面热管的导热性测试平台的测试方法，包括以下步骤：

1)配置工作模块；

2)开启红外测温仪进行平面热管的表面温度检测；

3)开启拉曼光谱显微镜，记录平板热管内部的水温波动；

4)开启高速摄影仪，记录平面热管内产生的气泡及流动情况；

5)开启摄影机持续记录核膜沸腾传热现象。

进一步地，所述步骤1)的具体过程为：

a.将平面热管安置在铝制散热器中间的矩形凹槽内，sic晶片及底部肖特基二极管端置于下方，对应矩形通道，玻璃晶片置于上方；

b.依次连接电源、恒流稳压器、可编程继电器以及肖特基二极管，并启动电源，调节恒流电压源上的热源电压端口输出电压为2v，透过玻璃晶片清楚地查看在底部肖特基二极管作为热源条件时，sic晶片上的换热工质快速吸热汽化上升至玻璃晶片，并在六边形微柱上凝结液化回流至sic晶片，直至达到核膜沸腾；

c.依次启动冷却水塔与铝制散热器连通管路上的冷却阀门和压力泵，静置20s后，分别观察出口温度计和入口温度计的读数以记录铝制散热器的出入口水流温度，并根据二者的温度差进一步调节压力泵，直至铝制散热器的出入口水流温度差处于最低值时，记录此时压力计读数p，关闭冷却阀门、压力泵和恒流电压源，静置到初始状态。

进一步地，所述步骤2)的具体过程为：

a.将平面热管置于距离红外测温仪下方5cm的位置，启动计算机设备上的红外测温软件进行录制，随后开启冷却阀门和恒流电压源并将恒流电压源上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵使压力值为p，静置观察直至当红外测温仪测定的温度上下浮动不超过1℃保持30s时，认为其达稳态温度，结束录制并保存，将恒流电压源和压力泵关闭，记录当前电路电压值下的稳态温度数据以及达到稳态温度所需要的工作时长t；

b.关闭恒流电压源和冷却阀门后，将铝制散热器及平面热管静置时长t，使得计算机设备上的红外温度软件中的显示温度与室温相同，进而将恒流电压源上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并记录所有数据，取回红外测温仪。

进一步地，所述步骤3)的具体过程为：

a.将平面热管置于距离拉曼光谱显微镜下方5mm的位置，调节50倍前端镜头对焦，使计算机设备中的拉曼光谱软件wer2.0能清晰显示观测的液体变化；

b.随后开启冷却阀门和恒流电压源并将恒流电压源上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵使压力值为p，打开计算机设备上的计时器，按照红外测温仪记录的达到稳态所需工作时长t，由于计算机设备中的拉曼光谱软件需30s计算光谱时间，因此当计时器达到(t-30)s时，启动拉曼光谱软件开始计算，直至计时器时间达到t时关闭，拉曼光谱软件写出时长30s的光谱图；

c.随后关闭恒流电压源及冷却阀门，静置时长t，使平面热管降温至室温，进而将恒流电压源上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并记录保存所有光谱图，取回拉曼光谱显微镜。

进一步地，所述步骤4)的具体过程为：

将高速摄影仪前端配置的光学显微镜调至6.5倍变焦放大镜头，辅助led光源灯采用1000w白色led灯进行补光，将平面热管置于距离高速摄影仪下方5cm的位置，开启冷却阀门和恒流电压源并将恒流电压源上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵使压力值为p，其中，高速摄影仪一次拍摄的时长为10s，整个工作过程中每20s启动一次气泡拍摄；

记录并保存平面热管内达到稳态的过程以及处于稳态时的所有图片，随后关闭恒流电压源及冷却阀门，静置时长t，使平面热管降温至室温，将恒流电压源上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并记录所有数据，取回高速摄影仪。

进一步地，所述步骤5)的具体过程为：

将平面热管置于距离摄影机下方5cm的位置，开启冷却阀门和恒流电压源并将恒流电压源上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵使压力值为p，采用2000w像素摄影机对换热工质从开始汽化至核膜沸腾的现象进行拍摄，并保存摄影机视频；

关闭恒流电压源及冷却阀门，静置时长t，使平面热管降温至室温，将恒流电压源上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并记录所有数据，取回摄影机。

本发明的有益效果：

1.在制造热管前进行可视化测试能够了解热源的辐射范围以及工质进入核沸腾状态的热流密度，能够大大减少平面热管的设计测试成本，能够更加准确的对热管的工作状态进行控制；

2.保持冷却水塔中的水位高于铝制散热器，有利于保证散热器中水是充满的状态；对进入铝制散热器中的水进行加压处理，保证水流具有较高的流动速度，使铝制散热器的入水口温度与出水口温度之间保持较小的温度差，尽量使平面热管四周的工作温度存在很小的温度梯度，减少因为温度梯度对核膜沸腾造成的影响，提高了可用性；

3.采用不同电压，即不同热流密度情况下对散热情况的影响，有效提高了实验的准确性；

4.采取在六边形微柱结构加工后，用玻璃晶片和sic晶片键合的方式，使平面热管密封且内部结构可视，能更直观地分析汽液相变与热流输入之间的关系，对平面热管的设计具有非常实际的意义。

附图说明

图1为本发明平台的整体结构示意图；

图2为本发明中铝制散热器的结构示意图；

图3为本发明中平面热管的结构示意图；

图4为本发明中六边形微柱的布置方式示意图。

图中，平面热管1、玻璃晶片11、sic晶片12、金涂层13、六边形微柱14、换热工质15、铝制散热器2、矩形通道21、矩形凹槽22、冷却入口23、冷却出口24、冷却水塔3、压力泵31、冷却阀门32、压力计33、入口温度计34、出口温度计35、恒流电压源4、电源41、恒流稳压器42、可编程继电器5、数据处理模块6、数据转换模块61、数据采集模块7、肖特基二极管8、银涂层81。

具体实施方式

为了更好地理解，结合附图来详细解释本发明的实施方式。

如图1至4所示，一种基于可视化平面热管的导热性测试平台，包括工作模块和测算模块，所述的工作模块与测算模块采用分体设置，工作模块包括平面热管1、铝制散热器2、肖特基二极管8、恒流电压源4、可编程继电器5以及冷却水塔3；

所述的平面热管1包括设置在底部的0.35mm厚sic晶片12、均匀刻蚀在sic晶片12上的多个六边形微柱14、位于六边形微柱14外侧的换热工质15以及顶部的0.5mm厚玻璃晶片11，所述的玻璃晶片11采用金涂层13为2μm的金-金键合工艺与sic晶片12相结合，所述的六边形微柱14采用蜂窝状均匀布置；

所述的铝制散热器2采用中间设有矩形通道21的口字型结构，且顶部中心设有横截面积大于矩形通道21的矩形凹槽22，用以在较小接触面积的情况下安置平面热管1，为使平面热管1与铝制散热器2更加贴合且增加两者之间的传热效率，所述的平面热管1与铝制散热器2接触部分之间设有导热硅脂，用以在平面热管1工作时小部分散热，起到匀热作用；

所述的肖特基二极管8设有五个，且均匀布置在平面热管1上对应矩形通道21部分的sic晶片12上作为热源，肖特基二极管8采用银涂层81为5μm的银烧结工艺结合在sic晶片12底部；

所述的恒流电压源4包括电源41以及与电源41相电连接的恒流稳压器42，所述的恒流稳压器42与肖特基二极管8之间设有可编程继电器5，所述的恒流电压源4输出端分别设有12v恒压端口和热源电压端口，所述的12v恒压端口与可编程继电器5的工作供电端电连接，所述的热源电压端口与可编程继电器5的输入电压端电连接，所述可编程继电器5的输出电压端与肖特基二极管8相电连接，用以方便控制电源的连通、连通时间以及热源数量条件；

所述的可编程继电器5电连接在恒流电压源4与肖特基二极管8之间，用以方便控制电源41的连通、连通时间以及热源数量等条件；

所述的冷却水塔3出入口分别与铝制散热器2入出口相连通，且位于冷却水塔3和铝制散热器2的连通管路上依次设有用以加压调整水流流速，使得平面热管1四周的工作温度梯度尽可能小的压力泵31、用以检测显示水压的压力计33、控制水流通断的冷却阀门32以及分别对应铝制散热器2冷却出口24和冷却入口23检测水流温度的出口温度计35和入口温度计34，所述的冷却水塔3内水位高于铝制散热器2，用以保证铝制散热器2中的冷却水始终处于充满状态；

所述的测算模块包括数据采集模块7、与数据采集模块7电连接的数据转换模块61以及与数据转换模块61电连接的数据处理模块6，所述的数据采集模块7包括红外测温仪、拉曼光谱显微镜、高速摄影仪以及摄影机；

所述拉曼光谱显微镜的前端镜头采用50倍镜；

所述的高速摄影仪前端配置有光学显微镜以及辅助led光源灯，高速摄影仪所采用型号为motionxtran4，光学显微镜所采用的型号为xsp-8ca；

所述的摄影机采用2000w像素；

所述的数据处理模块6采用计算机设备。

一种基于可视化平面热管的导热性测试平台的测试方法，包括以下步骤：

1)配置工作模块；

将平面热管1安置在铝制散热器2中间的矩形凹槽22内，sic晶片12及底部肖特基二极管8端置于下方，对应矩形通道21，玻璃晶片11置于上方；

依次连接电源41、恒流稳压器42、可编程继电器5以及肖特基二极管8，并启动电源41，调节恒流电压源4上的热源电压端口输出电压为2v，透过玻璃晶片11可清楚地查看在底部肖特基二极管8作为热源条件时，sic晶片12上的换热工质15快速吸热汽化上升至玻璃晶片11，并在六边形微柱14上凝结液化回流至sic晶片12；

依次启动冷却水塔3与铝制散热器2连通管路上的冷却阀门32和压力泵31，静置20s后，分别观察出口温度计35和入口温度计34的读数以记录铝制散热器2的出入口水流温度，并根据二者的温度差进一步调节压力泵31，直至铝制散热器2的出入口水流温度差处于最低值时，记录此时压力计33的读数p，关闭冷却阀门32、压力泵31和恒流电压源4，静置到初始状态。

2)开启红外测温仪进行平面热管1的表面温度检测；

将平面热管1置于距离红外测温仪正下方5cm的位置，启动计算机设备上的红外测温软件进行录制，随后开启冷却阀门32和恒流电压源4并将恒流电压源4上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵31使压力值为p，静置观察直至当红外测温仪测定的温度上下浮动不超过1℃保持30s时，认为其达稳态温度，结束录制并保存，将恒流电压源4和压力泵31关闭，记录当前电路电压值下的稳态温度数据以及达到稳态温度所需要的工作时长t；

关闭恒流电压源4和冷却阀门32后，将铝制散热器2及平面热管1静置时长t，使得计算机设备上的红外温度软件中的显示温度与室温相同，进而将恒流电压源4上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并依次记录所有数据，取回红外测温仪。

3)开启拉曼光谱显微镜，记录平板热管内部的水温波动；

将平面热管1置于距离拉曼光谱显微镜正下方5mm的位置，调节50倍前端镜头对焦，使计算机设备中的拉曼光谱软件wer2.0能清晰显示液体变化；

开启冷却阀门32和恒流电压源4并将恒流电压源4上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵31使压力值为p，打开计算机设备上的计时器，按照红外测温仪记录的达到稳态所需工作时长t，由于计算机设备中的拉曼光谱软件需30s计算光谱时间，因此当计时器达到(t-30)s时，启动拉曼光谱软件开始计算，直至计时器时间达到t时关闭，拉曼光谱软件写出时长30s的光谱图；

随后关闭恒流电压源4及冷却阀门32，静置时长t，使平面热管1降温至室温，进而将恒流电压源4上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，并记录保存所有光谱图，取回拉曼光谱显微镜。

4)开启高速摄影仪，记录平面热管1内产生的气泡及流动情况；

将高速摄影仪前端配置的光学显微镜调至6.5倍变焦放大镜头，辅助led光源灯采用1000w白色led灯进行补光，将平面热管1置于距离高速摄影仪正下方5cm的位置，开启冷却阀门32和恒流电压源4并将恒流电压源4上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵31使压力值为p，其中，高速摄影仪一次拍摄的时长为10s，整个工作过程中每20s启动一次气泡拍摄；

记录并保存平面热管1内达到稳态的过程以及处于稳态时的所有图片，进而关闭恒流电压源4及冷却阀门32，静置时长t，使平面热管1降温至室温，将恒流电压源4上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v重复实验，记录数据并取回高速摄影仪。

5)开启摄影机持续记录核膜沸腾传热现象；

将平面热管1置于距离高速摄影仪正下方5cm的位置，开启冷却阀门32和恒流电压源4并将恒流电压源4上的热源电压端口调至设定电压1v，调节压力泵31使压力值为p，采用2000w像素摄影机对换热工质15从开始汽化至核膜沸腾的现象进行拍摄，并保存摄影机视频；

关闭恒流电压源4及冷却阀门32，静置时长t，使平面热管1降温至室温，将恒流电压源4上热源电压端口的输出电压依次调至1.5v、2v、2.5v、3v进行重复实验，记录所有数据并取回摄影机。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。