Nová technologie pro odvod tepla elektronických zařízení
Postupná miniaturizace a zpřesňování elektronických zařízení přineslo problém s odvodem tepla. Teplota má velký vliv na pracovní výkon elektronických zařízení. Pro stabilní a nepřetržitě fungující elektronický čip nesmí maximální teplota překročit 85 ℃, jak je požadováno. Pokaždé, když se teplota polovodičové součástky zvýší o 10 ℃, spolehlivost systému se sníží o 50 %. Podle statistik je více než 55 % poruch elektronických zařízení způsobeno nadměrnou teplotou. V tradičním elektronickém čipu tvoří objem použitý pro chlazení 98 % a pouze 2 % se používají pro výpočetní provoz, ale stále je obtížné vyřešit současný problém s odvodem tepla. Vysoká teplota bude mít škodlivý vliv na výkon elektronických zařízení a tyto tradiční metody rozptylu tepla mají určitá omezení. Proto, aby byla zajištěna životnost a efektivní výkon elektronických zařízení, je naléhavě nutné prozkoumat a vyvinout lepší metody rozptylu tepla pro elektronické zařízení.
01 Technologie chlazení Tradiční způsob odvodu tepla je často vidět v našem každodenním životě, protože současný vývoj je velmi vyspělý a princip je jednoduchý, takže jej zde nebudu opakovat.
1.1 Chlazení kapalinou
Kapalinové chlazení využívá kapalinu procházející zdrojem tepla k odebírání tepla generovaného čipem bez hluku a má vysokou kapacitu výměny tepla. Následuje několik metod kapalinového chlazení, které jsou novými technologiemi, které jsou založeny na tradičním rozšíření přímého kapalinového chlazení.
1.1.1 Mikrokanálové chlazení
Mikrokanálové chlazení má za úkol vyleptat více kanálků tekutiny na úrovni mikrometrů na substrátu pod čipem, takže teplo čipu je absorbováno, když tekutina proudí kanálem. Tato metoda zahrnuje jednofázovou výměnu tepla a dvoufázovou výměnu tepla. Mezi nimi je tepelná kapacita jednofázové výměny tepla malá, efekt výměny tepla je špatný a teplota po ochlazení je nerovnoměrná, což má za následek nadměrné namáhání. Naopak dvoufázová výměna tepla má velké latentní teplo, kapacita výměny tepla je vysoká, teplota po ochlazení je rovnoměrná, nevzniká velké pnutí a teplota pracovní tekutiny nestoupá příliš vysoko. Dvoufázový přenos tepla v mikrokanálovém chlazení je aktuálním výzkumným bodem. Při dvoufázovém přenosu tepla s použitím nízkotlakého chladiva jako pracovní tekutiny může kapacita odvodu tepla dosáhnout více než 300 W/cm2. Prostřednictvím experimentů Yu Zukang a spol. získané povrchové hydrofilní vlastnosti pro účinné zlepšení výkonu přenosu tepla mikrokanálů. Při nízkém tepelném toku a nízké vstupní suchosti je průměrný koeficient prostupu tepla superhydrofilních povrchů největší, který je o 64 % vyšší než u běžných hladkých povrchů. Průměrný koeficient prostupu tepla hydrofilního povrchu je až o 27 % vyšší než u běžného hladkého povrchu; za podmínek vysokého tepelného toku a vysoké vstupní suchosti je průměrná hodnota koeficientu přestupu tepla superhydrofilního povrchu až o 80 % vyšší než u běžného hladkého povrchu. Hydrofilní povrch je až o 50 % vyšší než běžný hladký povrch. Obrázek 1 ukazuje strukturu mikrokanálového chlazení.
Critical Heat Flux (CHF) je jedním z důležitých parametrů, které ovlivňují výkon mikrokanálů. Yuan Xudong a další podrobně představili pokrok ve výzkumu CHF a podrobně představili mechanismus jeho ovlivňování a metody zlepšování, stejně jako CHF existující na akademické půdě. Rozdíly v názorech. Vzhledem k malé velikosti mikrokanálu je odpor podél cesty velmi velký; jeho struktura má také velký vliv na chlazení a použití přímých a paralelních mikrokanálů způsobí velký pokles tlaku a teplotní gradient. Má to mnoho výhod. Protože jsou kanály leptané a nezabírají více místa, stává se mikrokanálové chlazení efektivnější a kompaktnější a je vhodnější pro malé elektronické čipy. Obecně se má za to, že dvouvrstvý mikrozářič může uspokojit zvyšující se tepelnou zátěž příští generace elektronických zařízení. Xiaogang Liu a kol. navrhl dvouvrstvou matricovou strukturu (DL-M) a dvouvrstvou propojovací matricovou strukturu (DL-IM) mikrokanálů. A prostřednictvím numerické simulace pro studium různého výkonu radiátoru bylo prokázáno, že mají lepší tepelný výkon.
Mikrokanálové chlazení má sice určité nedostatky, ale dokáže vzniklé problémy vyřešit a vývoj je vyzrálejší. Ačkoli má výzkum CHF různé názory, nebude to bránit rozvoji mikrokanálové technologie a budoucí vývoj bude více zaměřen. Jak zlepšit CHF pro dosažení účinnějšího mikrokanálového chlazení, tento způsob odvodu tepla se také stane populárnějším.
1.1.2 Chlazení rozprašováním Chlazení rozprašováním je atomizace kapaliny tryskou za vzniku dvoufázového rozstřiku plyn-kapalina do elektronického zařízení. Jedna jeho část absorbuje teplo a vypařuje se a část tepla je odebírána fázovou změnou; druhá část tvoří na povrchu zdroje tepla kapalný film a teplo následuje kapalinu. Tok membrány je odstraněn. Nekondenzovatelný plyn v kapalném filmu zesiluje narušení výměny tepla, což může výrazně zlepšit schopnost elektronického zařízení odvádět teplo. Hustota tepelného toku se změnou fáze při chlazení sprejem může dosáhnout více než 1000 W/cm2. Lin a kol. používal fluorovaný uhlovodík, metanol a vodu jako pracovní tekutiny pro teplo s fázovou změnou. Maximální hustota tepelného toku získaná pomocí experimentů byla 90, 90 a 90, v tomto pořadí. 490, 500 W/cm2 nebo více. Obrázek 2 je schematický diagram chlazení rozprašováním.
Tento způsob chlazení má určité nedostatky, které je třeba vyřešit. Metoda chlazení sprejem má složitý systém, vysoké nároky na prostor a je náročná na údržbu. Kvůli malému průtoku kapaliny, rovnoměrnému rozložení teploty čipu po ochlazení a nízkému namáhání je chlazení sprejem považováno za způsob rozptylu tepla pro elektronické čipy s dobrým vývojovým potenciálem. V současné době, protože stávající problémy nejsou vyřešeny, může být použit pouze ve vojenských a leteckých produktech. Wang Gaoyuan a kol. provedli experimenty s chlazením rozprašováním na R134a za podmínek nízkého tlaku a zjistili, že chlazení rozprašováním za podmínek nízkého tlaku postupně snižuje kapacitu přenosu tepla s poklesem tlaku a rychlé odpařování má velký vliv na kapacitu přenosu tepla, což je třeba vzít v úvahu při zařizování trysky. Přidání nanočástic, povrchově aktivních látek, rozpustných solí a plynů a alkoholových přísad do chladicí kapaliny rozprašováním může výrazně zlepšit vlastnosti přenosu tepla. Li Yiyi experimenty ověřil, že přidání povrchově aktivních látek může účinně zlepšit výkon přenosu tepla sprejového chlazení, zejména přidání SDS má nejlepší účinek. Současný způsob přidávání aditiv je však stále v plenkách a stávající problémy jsou složitější.
Chlazení sprejem je omezeno prostorem a nelze jej použít v malých elektronických zařízeních, ale při použití v superpočítačích je efekt velmi dobrý. V současné době je technologie sprejového chlazení aplikována na superpočítače CREY a ve velkém je využívána také v datových centrech. S rozvojem této metody chlazení se předpokládá, že aplikace bude vyspělejší.
Výše uvedené tři způsoby odvádění kapalného tepla mají své výhody a nevýhody. Chlazení rozprašováním a chlazení proudem jsou podobné. Jejich struktury jsou velmi složité a nejsou vhodné pro každodenní elektronická zařízení. Mají však silné schopnosti odvádět teplo. Sprejové chlazení je vhodné pro superpočítače, při odvodu tepla velkých dat; proudové chlazení je vhodné pro vojensko-průmyslové předměty, jako jsou stíhačky, letadla atd. Tyto dva způsoby odvodu tepla nelze v posledních letech nahradit. Mikrokanálové chlazení je obecným směrem budoucího vývoje, ať už jde o každodenní elektronická zařízení nebo jiné přesné elektronické přístroje, tato metoda bude přijata.
