Новая технология отвода тепла электронного оборудования

Постепенная миниатюризация и точность электронного оборудования привели к проблеме отвода тепла. Температура имеет большое влияние на рабочие характеристики электронного оборудования. Для стабильной и непрерывной работы электронного чипа максимальная температура не может превышать 85 ℃ в соответствии с требованиями. Каждый раз, когда температура полупроводникового компонента увеличивается на 10 ℃, надежность системы снижается на 50%. По статистике, более 55% отказов электронного оборудования вызваны перегревом. В традиционном электронном чипе объем, используемый для охлаждения, составляет 98%, и только 2% используется для вычислительных операций, но все еще сложно решить текущую проблему рассеивания тепла. Высокая температура отрицательно скажется на характеристиках электронного оборудования, и эти традиционные методы отвода тепла имеют определенные ограничения. Таким образом, чтобы обеспечить срок службы и эффективную работу электронного оборудования, необходимо срочно изучить и разработать более эффективные методы отвода тепла для электронного оборудования.

01 Технология охлаждения Традиционный метод отвода тепла часто встречается в нашей повседневной жизни, потому что текущая разработка является очень зрелой и принцип прост, поэтому я не буду повторять его здесь.

1.1 Жидкостное охлаждение

В жидкостном охлаждении жидкость, проходящая через источник тепла, бесшумно отводит тепло, выделяемое микросхемой, и обладает высокой теплообменной способностью. Ниже приведены несколько методов жидкостного охлаждения, которые представляют собой новые технологии, основанные на традиционном расширении прямого жидкостного охлаждения.

1.1.1 Микроканальное охлаждение

Охлаждение микроканалов предназначено для протравливания нескольких каналов жидкости на уровне микрометра на подложке под чипом, так что тепло чипа поглощается, когда жидкость течет через канал. Этот метод включает однофазный теплообмен и двухфазный теплообмен. Среди них теплоемкость однофазного теплообмена мала, эффект теплообмена плохой, а температура после охлаждения неравномерна, что приводит к чрезмерному напряжению. Напротив, двухфазный теплообмен имеет большую скрытую теплоту, способность теплообмена высока, температура после охлаждения является равномерной, не возникает большого напряжения и температура рабочей жидкости не повышается очень высоко. Двухфазная теплопередача в микроканальном охлаждении - это актуальная тема современных исследований. При двухфазной передаче тепла с использованием хладагента низкого давления в качестве рабочего тела мощность рассеивания тепла может достигать более 300 Вт / см2. В ходе экспериментов Yu Zukang et al. получили гидрофильные свойства поверхности для эффективного улучшения теплопередачи микроканалов. При низком тепловом потоке и низкой влажности на входе средний коэффициент теплопередачи супергидрофильных поверхностей является самым большим, что на 64% выше, чем у обычных гладких поверхностей. Средний коэффициент теплопередачи гидрофильной поверхности до 27% выше, чем у обычной гладкой поверхности; в условиях высокого теплового потока и высокой влажности на входе среднее значение коэффициента теплопередачи супергидрофильной поверхности примерно на 80% выше, чем у обычной гладкой поверхности. Гидрофильная поверхность примерно на 50% выше, чем у обычной гладкой поверхности. На рисунке 1 представлена ​​структура микроканального охлаждения.

Критический тепловой поток (CHF) - один из важных параметров, влияющих на производительность микроканалов. Юань Сюйдун и другие подробно рассказали о прогрессе исследования CHF, подробно рассказали о механизме его влияния и методах улучшения, а также о CHF, существующей в академических кругах. Разногласия во мнениях. Из-за небольшого размера микроканала сопротивление на пути очень велико; его структура также оказывает большое влияние на охлаждение, а использование прямых и параллельных микроканалов вызовет большой перепад давления и температурный градиент. У него много преимуществ. Поскольку каналы протравлены и не занимают больше места, микроканальное охлаждение становится более эффективным и компактным, и оно больше подходит для небольших электронных микросхем. Обычно считается, что двухслойный микрорадиатор может выдерживать возрастающую тепловую нагрузку электронного оборудования следующего поколения. Xiaogang Liu et al. предложили двухслойную матричную структуру (DL-M) и двухслойную матричную структуру межсоединений (DL-IM) микроканалов. А с помощью численного моделирования для изучения различных характеристик радиатора было доказано, что они обладают лучшими тепловыми характеристиками.

Хотя в микроканальном охлаждении есть определенные недостатки, он может решить возникшие проблемы, и разработка более зрелая. Хотя исследования CHF имеют разные взгляды, это не помешает развитию микроканальных технологий, и будущее направление развития будет более целенаправленным. Как улучшить CHF для достижения более эффективного микроканального охлаждения, этот метод рассеивания тепла также станет более популярным.

1.1.2 Охлаждение распылением Охлаждение распылением заключается в распылении жидкости через форсунку с образованием двухфазной струи газ-жидкость для электронного устройства. Одна его часть поглощает тепло и испаряется, а часть тепла отводится за счет фазового перехода; другая часть образует жидкую пленку на поверхности источника тепла, и тепло следует за жидкостью. Поток мембраны отводится. Неконденсирующийся газ в жидкой пленке усиливает нарушение теплообмена, что может значительно улучшить способность электронного оборудования рассеивать тепло. Плотность теплового потока с фазовым переходом при струйном охлаждении может достигать более 1000 Вт / см2. Lin et al. использовали фторуглерод, метанол и воду в качестве рабочих жидкостей для нагрева при фазовом превращении. Максимальная плотность теплового потока, полученная в ходе экспериментов, составила 90, 90 и 90 соответственно. 490, 500 Вт / см2 или более. Рисунок 2 представляет собой схематическую диаграмму распылительного охлаждения.

Этот метод охлаждения имеет определенные недостатки, которые необходимо устранить. Метод охлаждения распылением имеет сложную систему, занимает много места и сложен в обслуживании. Из-за небольшого расхода жидкости, равномерного распределения температуры чипа после охлаждения и низкого напряжения распылительное охлаждение считается методом рассеивания тепла для электронных чипов с хорошим потенциалом развития. В настоящее время, поскольку существующие проблемы не решены, его можно использовать только в военной и авиационной продукции. Ван Гаоюань и др. провели эксперименты по охлаждению распылением R134a в условиях низкого давления и обнаружили, что охлаждение распылением в условиях низкого давления постепенно снижает способность теплопередачи с понижением давления, а мгновенное испарение оказывает большое влияние на способность теплопередачи, что необходимо учитывать при установке насадки. Добавление наночастиц, поверхностно-активных веществ, растворимых солей и газов, а также спиртовых добавок к охлаждающей жидкости для распыления может значительно улучшить характеристики теплопередачи. Ли Ии подтвердил с помощью экспериментов, что добавление поверхностно-активных веществ может эффективно улучшить характеристики теплопередачи при охлаждении распылением, особенно добавление SDS дает лучший эффект. Однако текущий метод добавления добавок все еще находится в зачаточном состоянии, и существующие проблемы более сложны.

Охлаждение распылением ограничено пространством и не может использоваться в небольших электронных устройствах, но эффект очень хороший при использовании в суперкомпьютерах. В настоящее время технология распылительного охлаждения применяется в суперкомпьютерах CREY, а также широко используется в центрах обработки данных. Считается, что с развитием этого метода охлаждения приложение станет более зрелым.

Вышеупомянутые три метода отвода тепла жидкостью имеют свои преимущества и недостатки. Охлаждение распылением и струйное охлаждение аналогичны. Их конструкции очень сложны и не подходят для повседневного использования электронного оборудования. Однако они обладают высокой способностью рассеивать тепло. Распылительное охлаждение подходит для суперкомпьютеров, при рассеивании тепла больших данных; Струйное охлаждение подходит для военно-промышленных объектов, таких как истребители, самолеты и т. д. Эти два метода отвода тепла невозможно заменить в последние годы. Микроканальное охлаждение - это общее направление будущего развития, будь то повседневное электронное оборудование или другие прецизионные электронные инструменты, этот метод будет принят.