冷热冲击试验箱测试电脑散热器芯片

一、实验目的

1. 评估电脑散热器芯片测试设备在冷热冲击环境下的电气性能稳定性，包括但不限于电阻、电容、电感等参数的变化，以及芯片与电路板之间的电气连接可靠性，确保在不同温度条件下设备的电气性能符合标准要求，无短路、断路等故障发生。

2. 检测设备在冷热交替过程中的散热效能变化，观察散热器芯片对温度变化的响应速度和散热能力，测量在不同温度冲击阶段芯片的温度分布情况，以验证散热器在温度条件下能否有效维持芯片的正常工作温度，防止芯片因过热而性能下降或损坏。

3. 考察设备的机械结构完整性，检查在冷热冲击试验后，芯片测试设备的外壳、散热器组件、焊接点等部位是否出现变形、开裂、松动等问题，评估设备在温度变化应力作用下的机械可靠性，确保其在实际使用中能够经受住各种环境条件的考验。

4. 验证电脑散热器芯片测试设备在冷热冲击环境下的功能可靠性，包括但不限于温度传感器的准确性、风扇转速控制的稳定性、芯片测试功能的正常执行等，确保设备在不同温度条件下仍能准确地对芯片进行性能测试，各项功能不受温度变化的影响而出现异常或失效。

二、实验设备与样品准备

（一）实验设备

1. 冷热冲击试验箱

• 温度范围：能够满足实验所需的低温和高温极限要求，例如 -55℃至 +125℃，可根据电脑散热器芯片测试设备的实际工作环境和行业标准进行适当调整。温度控制精度应在 ±2℃以内，以确保在实验过程中能够准确地模拟各种温度条件，并且温度的波动范围不会对实验结果产生显著影响。

• 温度转换速率：具备较快的温度转换能力，可在短时间内实现从低温到高温或从高温到低温的快速切换，例如在 5℃/min 至 15℃/min 之间可调节。合适的温度转换速率能够更真实地模拟电脑散热器芯片测试设备在实际使用中可能遇到的快速温度变化情况，从而更有效地检测出设备在温度冲击下的性能和可靠性问题。

• 工作室尺寸：根据电脑散热器芯片测试设备的尺寸和数量，选择合适的工作室容积，确保设备能够在试验箱内合理放置，并留有足够的空间进行温湿度均匀分布和空气循环，以保证整个测试过程中设备各部分都能均匀地受到温度冲击。同时，试验箱应配备先进的温湿度传感器和控制系统，能够实时监测和精确控制箱内的温湿度环境。

2. 数字万用表

• 用于测量电脑散热器芯片测试设备在冷热冲击试验前后的电气参数，如电阻、电容、电感等。数字万用表应具有较高的测量精度和稳定性，电阻测量精度应在 ±0.1Ω 以内，电容测量精度应在 ±0.1pF 以内，电感测量精度应在 ±0.1μH 以内，以确保能够准确地检测出电气参数的微小变化。同时，万用表应具备多种测量功能和量程选择，能够适应不同类型和规格的电子元器件的测量需求。

3. 红外测温仪

• 用于非接触式测量电脑散热器芯片在不同温度冲击阶段的表面温度分布情况。红外测温仪应具有较高的温度测量精度和分辨率，测量精度应在 ±1℃以内，分辨率应达到 0.1℃，以便能够准确地捕捉到芯片表面温度的细微变化。同时，测温仪应具备快速响应的特点，能够实时跟踪温度的变化趋势，并且具有较远的测量距离和较大的测量范围，以满足在试验箱内对芯片进行远程温度测量的要求。

4. 示波器

• 用于观察和分析电脑散热器芯片测试设备在冷热冲击过程中的电信号变化情况，如芯片的工作电压、电流波形等。示波器应具备足够的带宽和采样率，以准确地捕捉和显示快速变化的电信号。带宽应在 100MHz 以上，采样率应在 1GSa/s 以上，以确保能够清晰地观察到信号的细节和变化特征。同时，示波器应具备多种触发模式和测量功能，能够对信号的频率、幅度、上升时间、下降时间等参数进行准确测量和分析。

5. 风速仪

• 用于测量电脑散热器风扇在不同工作状态下的风速和风量，以评估散热器的散热性能。风速仪应具有较高的测量精度和稳定性，风速测量精度应在 ±0.5m/s 以内，风量测量精度应在 ±5% 以内。同时，风速仪应具备多种测量模式和单位选择，能够适应不同类型的风扇和散热系统的测量需求。并且，风速仪应能够在不同的环境温度和压力下进行准确测量，以确保在冷热冲击试验过程中对散热器风扇性能的评估不受外界因素的干扰。

（二）样品准备

1. 选择具有代表性的电脑散热器芯片测试设备样品若干，确保样品来自同一批次或生产工艺相近，以减少样品之间的个体差异对实验结果的影响。样品应包括完整的电脑散热器芯片测试设备，包括散热器主体、芯片安装座、风扇、温度传感器、控制电路板等主要部件。

2. 在进行实验前，对电脑散热器芯片测试设备样品进行详细的外观检查和功能预检，记录设备的初始状态。外观检查应包括检查设备的外壳是否有划痕、磕碰、变形、掉漆等缺陷，散热器组件的 fins（散热鳍片）是否整齐、无损坏，风扇叶片是否完好、无变形，焊接点是否均匀、无虚焊等情况。功能预检应包括接通电源，检查设备的各项指示灯是否正常亮起，风扇是否能够正常转动，温度传感器是否能够准确测量温度，芯片测试功能是否能够正常启动和运行等。同时，使用数字万用表对设备的一些关键电气参数进行初始测量和记录，如芯片的供电电压、电阻值等，作为后续对比分析的基准数据。

3. 对电脑散热器芯片测试设备样品进行编号，以便在实验过程中对每个样品进行独立的数据记录和跟踪分析。编号应清晰、可采用标记笔或标签等方式在设备的外壳上不易影响测试和观察的位置进行标记。同时，为每个样品建立详细的实验档案，记录其型号、规格、生产日期、批次号以及实验过程中的所有数据和观察结果。

三、测试条件设定

（一）温湿度组合

1. 低温阶段：温度设定为 -40℃，相对湿度设定为 30% RH。此低温环境模拟了电脑散热器芯片测试设备在极寒条件下的工作情况，常用于评估设备在低温下的电气性能、机械性能和散热性能。在低温环境下，电子元器件的电气参数可能会发生变化，材料的物理性质也可能会受到影响，如收缩、变硬等，从而对设备的整体性能产生影响。同时，较低的相对湿度可以减少水汽在设备表面凝结的可能性，降低因潮湿导致的电气故障风险。

2. 高温阶段：温度设定为 +85℃，相对湿度设定为 60% RH。该高温环境模拟了设备在炎热环境或长时间高负荷运行时可能面临的温度条件，主要用于考察设备在高温下的散热效能、电气稳定性以及材料的耐热性能。在高温高湿环境下，电子元器件的发热加剧，散热难度增加，同时湿度的升高可能会导致金属部件生锈腐蚀、电子元器件受潮失效等问题，对设备的可靠性提出了更高的挑战。

3. 温度冲击循环次数：设定为 100 次循环。通过多次的冷热温度冲击循环，可以更全面地模拟电脑散热器芯片测试设备在实际使用过程中可能经历的温度变化情况，加速设备的老化和潜在问题的暴露。较少的循环次数可能无法充分检测出设备在长期温度变化应力作用下的可靠性问题，而过多的循环次数则会增加实验时间和成本。综合考虑，100 次循环既能在一定程度上反映设备的实际使用情况，又能在合理的时间内完成实验并获取有价值的数据。

（二）测试时间

1. 每个温度冲击循环周期包括在低温 -40℃下保持 30 分钟，然后在高温 +85℃下保持 30 分钟，温度转换时间设定为 5 分钟（从低温到高温或从高温到低温的切换时间）。这样的时间设置是为了确保电脑散热器芯片测试设备在每个温度阶段都有足够的时间达到温度平衡，使设备的各个部件充分受到温度的影响，从而更准确地评估温度变化对设备性能的影响。同时，合理的温度转换时间可以模拟实际使用中较为快速的温度变化情况，而又不会对设备造成过大的热冲击损伤。

2. 在整个测试过程中，持续时间总计为 100 次循环 ×（30 分钟（低温）+ 30 分钟（高温）+ 5 分钟（转换时间））≈120 小时。在测试过程中，需要对设备进行实时监测和定期的数据采集，以记录设备在不同温度阶段和循环次数下的性能变化情况。

四、实验步骤

（一）初始性能测试

1. 在将电脑散热器芯片测试设备样品放入冷热冲击试验箱之前，在常温常湿环境下（实验室环境温度约为 25℃，湿度约为 50% RH）对设备进行全面的初始性能测试。

• 启动电脑散热器芯片测试设备的芯片测试功能，对标准芯片样品进行测试。检查设备是否能够准确地识别芯片型号、读取芯片参数，并按照预定的测试程序进行各项性能测试。记录测试结果，包括测试的准确性、测试时间等信息，以验证设备在常温下的功能完整性和可靠性。

• 测试设备的温度传感器功能，将设备置于不同的温度环境中（可使用温度调节设备，如恒温箱等），观察温度传感器显示的温度值是否与实际温度相符。测量温度传感器的误差范围，确保其在正常工作温度范围内的测量精度满足要求。同时，检查设备在温度变化时，是否能够根据温度传感器的信号自动调整风扇转速等散热措施，以维持芯片的正常工作温度。

• 对电脑散热器芯片测试设备的外壳、散热器组件、风扇等进行外观检查，观察是否有变形、开裂、松动等缺陷。用手轻轻摇晃设备，检查各部件之间的连接是否牢固，有无异常响声。

• 检查散热器芯片与安装座之间的接触是否紧密，有无缝隙或不均匀接触的情况。可以使用塞尺等工具进行测量，确保芯片与安装座之间的接触良好，以保证热量能够有效地从芯片传递到散热器上。

• 将红外测温仪对准电脑散热器芯片的表面，测量芯片在未加载工作负荷时的初始温度。然后，启动芯片测试设备，使其处于正常工作状态，加载一定的工作负荷（模拟实际使用中的芯片工作负载情况），持续运行一段时间后，再次使用红外测温仪测量芯片表面的温度。计算芯片在工作负荷下的温度升高值，并记录此时散热器风扇的转速和风量（使用风速仪测量）。

• 根据测量得到的芯片温度升高值、风扇转速和风量等数据，评估电脑散热器芯片测试设备在常温下的散热效能是否满足设计要求。例如，可以通过计算散热器的热阻（根据芯片温度升高值和工作负荷功率计算）来评估散热器的散热性能优劣，热阻越小，说明散热器的散热效果越好。

• 使用数字万用表测量电脑散热器芯片测试设备中关键电子元器件（如芯片、电阻、电容等）的电阻、电容、电感等电气参数，并记录测量值。同时，检查芯片与电路板之间的电气连接是否良好，有无虚焊、短路等问题。

• 接通设备电源，使用示波器观察芯片的工作电压和电流波形，测量其电压幅值、电流大小以及波形的稳定性。记录芯片在正常工作状态下的电信号特征，作为后续对比分析的依据。

• 电气性能测试

• 散热性能测试

• 机械结构检查

• 功能测试

（二）冷热冲击试验

1. 将准备好的电脑散热器芯片测试设备样品放入冷热冲击试验箱的工作室中，确保设备放置平稳，且与试验箱内的温度传感器和空气循环系统保持适当的距离，以保证设备能够均匀地受到温度冲击。连接好设备的电源和测试线路，使设备在试验过程中能够处于通电工作状态，但应注意线路的布置要合理，避免因温度变化导致线路损坏或影响实验结果。

2. 设置冷热冲击试验箱的温度和湿度参数，按照预定的温湿度组合（低温 -40℃，相对湿度 30% RH；高温 +85℃，相对湿度 60% RH）和温度冲击循环次数（100 次）进行试验。启动试验箱，开始进行冷热冲击试验。

3. 在试验过程中，按照以下时间节点和操作步骤进行监测和数据采集：

• 在完成一次低温 - 高温温度冲击循环后，记录循环次数。然后按照上述步骤重复进行下一次循环，直到达到预定的 100 次循环次数为止。在整个试验过程中，要确保试验箱的温湿度控制精度和温度转换速率始终符合设定要求，如有偏差应及时调整或检查设备故障原因。同时，要定期对测试设备和数据采集仪器进行校准和检查，以保证实验数据的准确性和可靠性。

• 当试验箱温度达到 +85℃并稳定后，继续保持设备在高温环境下运行 30 分钟。在这期间，按照低温阶段的监测频率和方法，对设备的电气性能、芯片温度、散热风扇运行情况以及设备外观等进行再次监测和数据采集。重点关注电气参数在高温下的变化情况，如电阻值是否增大、电容值是否减小等；芯片温度是否超过允许的最高工作温度；风扇转速是否随着温度升高而自动增加，以保证散热效果；以及设备在高温高湿环境下是否出现外壳变形、生锈，散热器 fins 氧化等问题。

• 在低温保持 30 分钟结束后，设定试验箱以 5 分钟的时间从 -40℃快速升温到 +85℃。在温度转换过程中，密切观察设备的状态变化，注意是否有因温度快速变化而导致的部件损坏或异常现象发生。例如，观察电路板上是否有焊点开裂、电子元器件脱落等情况，以及散热器组件是否因热胀冷缩而产生变形或松动。

• 当试验箱温度达到 -40℃并稳定后，开始计时，保持设备在低温环境下运行 30 分钟。在这期间，每隔 5 分钟使用数字万用表测量一次关键电子元器件的电气参数（电阻、电容、电感等），观察其在低温下的变化情况。同时，使用示波器监测芯片的工作电压和电流波形，记录波形的变化特征（如幅值、频率等是否发生改变）。

• 使用红外测温仪测量电脑散热器芯片的表面温度，每隔 10 分钟记录一次温度值，观察芯片在低温环境下的温度变化趋势。注意测量时应避免红外测温仪受到其他物体的反射干扰，确保测量结果的准确性。

• 观察设备在低温下的运行状态，包括风扇是否正常转动（可通过听声音、观察风扇叶片转动情况等方式判断）、有无异常噪音或振动产生。同时，检查设备的外壳、散热器组件等是否出现结霜、结冰等现象，如有异常应及时记录并分析原因。

• 低温阶段

• 温度转换阶段

• 高温阶段

• 循环次数记录

（三）最终性能测试

1. 在完成 100 次冷热冲击循环试验后，将电脑散热器芯片测试设备从冷热冲击试验箱中取出，放置在常温常湿环境下（实验室环境温度约为 25℃，湿度约为 50% RH）恢复一段时间（通常为 2 小时以上），使其温度和性能状态稳定到接近初始测试条件。

2. 对设备进行全面的最终性能测试，测试项目和方法与初始性能测试相同。

• 对设备的外壳、散热器组件、风扇等进行再次外观检查，重点观察是否在冷热冲击试验后出现了新的变形、开裂、松动等缺陷。与初始测试时的外观状态进行对比，记录任何结构上的变化情况。例如，检查外壳是否有因热胀冷缩而产生的裂缝

• 按照初始性能测试中的散热性能测试方法，再次测量电脑散热器芯片在未加载工作负荷和加载工作负荷时的温度。计算芯片在经过冷热冲击试验后的温度升高值，并与初始测试数据进行对比，评估散热器的散热效能是否受到影响。同时，测量此时散热器风扇的转速和风量，分析风扇性能在试验后的变化情况。

• 根据最终的芯片温度、风扇转速和风量等数据，重新计算散热器的热阻，并与初始热阻进行比较。如果热阻明显增大，说明散热器的散热性能下降，可能是由于散热器组件在冷热冲击过程中出现了变形、氧化等问题，影响了热量的传递效率。

• 使用数字万用表再次测量关键电子元器件的电阻、电容、电感等电气参数，并与初始测试数据进行对比分析，计算参数变化率。观察是否有电子元器件出现损坏或性能严重退化的情况，如电阻值超出正常范围、电容短路或漏电等。

• 接通设备电源，使用示波器重新观察芯片的工作电压和电流波形，与初始波形进行对比，分析波形的变化情况，判断芯片的工作状态是否正常。检查在冷热冲击试验后，设备的电气连接是否依然牢固，有无出现断路、接触不良等问题。