应用瞬态热测试技术测试散热器的结构热阻
00 需求背景及研究现状
当前AI芯片功耗持续攀升，风冷已接近极限，液冷+高性能界面材料成为主流路线。尽管金刚石铜等复合材料开始用于芯片热点区域，而铜冷板凭借优异的扩散热阻和设计自由度，仍是高性能液冷的主力选择。通过对铜冷板结构的优化，提升散热能力，是行业的一个重要研究方向。
前天收到一篇这方面论文，仔细研读后，有几点想法，也想和大家探讨一下。
论文题目《Ultra-low thermal resistance and pressure drop copper and copper-tungsten diamond-shaped pin fin cold plates for liquid cooling of electronics》，如上，论文来自美国伊利诺伊大学机械科学与工程系，还有些国家实验室。研究团队开发了带菱形的冷板，错列Pin—Fin（兼顾制造难度）。通过仿真寻找高性能设计，然后用不同的材料做出样品做实验，或者实际的测试数据来评价冷板的散热性能。
实验装置如上图所示，设计了一个75 mm × 75 mm的铜块，以模拟下一代GPU的占地面积进行热集成测试。该铜块高度为104 mm，以确保嵌入式筒式加热器向顶部表面实现均匀的单向热传递。底面插入了八个圆柱形筒式加热器（每个250 W），使总热输出从低于Q = 1000 W到约Q = 1400 W，考虑到通过铜结构向环境的预期热损失。为了尽量减少向环境的热散失，铜块的五个面被1/4英寸陶瓷层和氯丁橡胶泡沫进行绝缘。四个电阻温度传感器（RTD）沿铜块中心线垂直嵌入，以测量内部温度分布。通过数学方式（RTD的读数外推），得到顶部表面的中心温度，代表芯片外壳温度。热阻使用中心温度计算，R_th = (T_center - T_f)/Q（T_f表示水温，实验中是用进水口和出水口的温度加权获得），用该热阻值对散热器的设计方案做评价。
01 热阻测试方案及风险分析
1.1 测试方案原理分析
热阻测试以稳态热测试技术为核心，测试台架主要由恒定热源、测温模块（包含RTD）、冷却系统组成。测试过程中对热源持续输入固定功率，使热源、TIM导热材料、被测散热器形成的散热路径达到温度稳态平衡，通过采集热源稳态温度分布算出上表面中心温度、结合冷却液温度、输入加热功率，依据热阻计算公式R=ΔT/P，计算散热器整体等效热阻（论文用的公式是R_th = (T_center - T_f)/Q，热阻的量纲为K·cm2/W，上述公式热阻的量纲是K/W，略有区别），以此评判散热器散热性能。该方案仅能获取散热路径的总热阻值，无法拆分各层级结构的热阻贡献。
1.2 方案核心风险与缺陷
一是测试精度低、误差来源多。稳态测试易受冷却液温度波动、温度采集误差，计算误差，热源模块和液冷板的接触热阻等因素的影响，还有稳态判定存在人为偏差，导致热阻数据重复性差。
二是无法分层分析散热路径。散热路径包含热源接触面、TIM材料层、散热器本体等多个层级，传统方案仅能得到总热阻，无法定位热阻异常点位，难以排查产品结构缺陷、TIM贴合不良等问题。
三是测试效率低下。为了减小误差，通常需要批量测试，耗时久，无法适配产品快速迭代、质检量产测试需求。
四是适配性差，针对小型精密散热器、薄型TIM材料的细微热阻差异无法精准识别，测试容错性不足。
02 应用瞬态热测试技术去评价散热器的结构热阻
采用瞬态热测试技术搭建散热器热阻测试台架，可实现散热路径分层热阻精准检测，有效规避传统方案缺陷。台架核心结构由可控精密热源、TIM导热结合部、被测散热器样品、数据解析系统组成。测试核心逻辑为：样品装配完成后，通过恒定功率加热热源至全域热平衡，随即瞬时关闭加热功率，以微秒级精度采集热源温度衰减变化曲线，通过解析热结构函数，完成对整条散热路径各层级热阻、热容的量化评价与性能判定。
2.1 瞬态热测试核心原理
瞬态热测试核心是利用热源功率突变后的温度瞬态响应特性，表征散热系统热特性。当热源持续恒定加热时，测试系统达到热平衡，内部温度梯度、热传导速率趋于稳定。突然切断加热功率后，热源热量会沿TIM材料、散热器、环境逐级快速耗散，热源温度随时间持续衰减。由于散热路径中不同结构层（热源内部传导路径、TIM界面、散热器基体）的热阻、热容参数不同，温度衰减的速率、趋势存在差异化特征。通过高速采集系统捕捉微秒级温度时序变化数据，可完整记录热量泄放全过程，为分层热特性解析提供原始数据支撑。相较于稳态测试，该技术精度高，可定量评价散热路径每一部分的热阻贡献，且可捕捉细微热传导差异。（参考文章，瞬态热测试及结构函数）
2.2 结构函数原理
结构函数是瞬态热测试的核心数据解析模型，用于量化拆分散热路径各层级热参数。结构函数以热阻为横坐标、热容为纵坐标，直观反映散热路径从热源端到散热末端，热阻与热容的累积变化规律，每一段连续曲线对应一个独立散热结构层。
相比于稳态方案不同，结构函数相当于对整个散热路径做了一次CT（参考文章：结温与结构函数），在分离出散热器上游的散热路径的热阻贡献后，可以精确得到设计优化方案对散热能力的提升，从而可以精确评价。
通过结构函数的漂移评价流速的优化
通过结构函数的漂移，评价流道的优化
无论是流速的优化，还是流道的优化，或者是冷板材质，Pin-Fin的形状，分布，以及其他各种因素的综合影响，结构函数都可以实现精确的量化评价（参考文章：液冷技术与方案评价）。
2.3 测试台架搭建注意事项
第一，热源选型与安装。选用温控精度高、发热均匀、响应速度快的精密电阻热源（如果经费允许，可选择晶体管热源），保证加热功率稳定无波动，热源工作面平整度≤0.01mm，避免局部发热不均影响测试精度。
第二，TIM材料贴合控制。严格管控TIM材料厚度、涂覆面积与贴合均匀度，杜绝气泡、褶皱、偏移问题，测试前统一TIM材料施工工艺，保证每组样品结合状态一致，消除装配误差。
第三，采样系统校准。高速温度采样模块需提前完成精度校准，确保微秒级采样时序精准，温度采集分辨率≤±0.01℃。
第四，环境干扰屏蔽。台架放置于恒温无风环境，规避气流、温度、振动干扰，测试区域环境温度恒定在25℃±0.5℃（或者跟进样品实际使用工况做实验室设计）。
第五，装配一致性管控。被测散热器固定压力、安装位置统一，避免装配松紧差异导致接触热阻波动，保证测试变量唯一。
2.4 具体测试方式
第一步，样品装配。将标准热源、指定规格TIM材料、被测散热器依次贴合装配，固定工装锁紧定位，确认无偏移、无松动、无间隙气泡。
第二步，热平衡建立。开启加热系统，输入预设恒定测试功率，持续加热直至热源温度、散热器温度稳定无波动，系统达到全域热平衡。
第三步，瞬态数据采集。瞬时切断加热功率，同步启动高速采样系统（同步时间小于等于1us），以微秒级采样频率连续采集热源温度随时间的衰减数据，全程记录温度-时间曲线，直至热源温度回落至环境温度。
第四步，重复测试。每组样品重复测试3-5次，剔除异常数据，保证测试数据可靠性。
2.5 测试数据分析方法
首先，对原始温度时序数据进行预处理，剔除环境干扰、设备波动导致的异常噪点，平滑优化曲线。
其次，将预处理后的瞬态温度数据导入专用解析软件，生成结构函数曲线。随后，通过结构函数分别计算热源、TIM材料层、散热器本体层的热阻与热容参数。
最后，汇总各层级参数得到散热路径总热阻，在其他层级热阻尽可能一致的前提下，对比不同样品的热阻变化，精准识样品结构优化导致的热阻变化，完成数据量化分析。
2.6 样品性能判定方式
结合产品设计标准与行业规范，对散热器本体热阻量化判定，但要保证单一层级热阻温定，如TIM贴合不良、界面接触失效等因素影响，数据需要剔除。同时要进行一致性判定：对比三到5次次重复测试数据，数据偏差≤0.5%则测试有效，样品性能稳定；偏差超标则判定样品装配或本体性能存在波动，判定为不合格。通过该判定方式，可实现散热器性能精准筛查与缺陷溯源。
03 方案优势总结
本瞬态热测试台架方案摒弃了传统稳态测试的弊端，通过微秒级瞬态采样与结构函数解析技术，实现了散热路径分层热阻检测，具备测试精度高、效率快、缺陷可溯源、数据重复性好等优势。可精准识别散热器本体热性能，满足产品质检、新品研发、工艺优化等多场景测试需求，有效降低测试风险，提升散热器产品质量管控精度。
