Тел.: +86-18025912990 |Электронная почта: wst01@winsharethermal.com
Блог
Pусский
Просмотры:20 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2023-03-31 Происхождение:Работает
Печатная плата является ядром электронного оборудования, включая резисторы, микросхемы, транзисторы и т. д. Чип имеет наибольшую мощность нагрева.Обычный ЦП 70~300 Вт, который является основным источником тепла.Из-за высокой интеграции печатных плат его тепловая мощность продолжает расти.Чрезмерно высокая температура серьезно снижает производительность, надежность и срок службы электронного оборудования.
Отказы компонентов, связанные с температурой, включают механические отказы и электрические отказы.Механический отказ — это изменение температуры, комбинированное тепловое расширение и сжатие различных материалов, что приводит к деформации материала, текучести, разрушению и т. д. Электрический отказ — это изменение характеристик компонентов, вызванное изменениями температуры, таких как транзисторы, микросхемы-резисторы и т. д., которые, в свою очередь, вызывают тепловой разгон и электрические перегрузки.В то же время большое количество электронов мигрирует, а колебания атомов ускоряются из-за чрезмерной температуры, что приводит к неконтролируемой миграции ионов и бомбардировке атомов электронами.Это вызывает ионное загрязнение и электромиграцию и серьезно влияет на безопасность, стабильность и срок службы компонентов.
Тепловыделение компонентов делится на уровень микросхемы, уровень корпуса и уровень системы.Рассеивание тепла на уровне микросхем и корпусов начинается с оптимизации материалов и производственных процессов для снижения теплового сопротивления.Рассеивание тепла на системном уровне заключается в использовании соответствующей структуры рассеивания тепла и технологии охлаждения для разработки системы рассеивания тепла, отвечающей требованиям, чтобы гарантировать, что компоненты могут работать безопасно и в течение длительного времени.Международная организация по развитию полупроводниковых технологий предполагает, что охлаждение на уровне системы является основной причиной ограничения роста потерь энергии чипа.Это демонстрирует важность высокопроизводительных методов охлаждения на системном уровне.
В зависимости от того, зависит ли это от фазового перехода рабочей жидкости, его можно разделить на однофазный отвод тепла и многофазный отвод тепла.Однофазный отвод тепла включает воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, струйное течение и термоэлектрическое охлаждение.Воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение более зрелые и широко используются, но эффект отвода тепла средний.Многофазное охлаждение включает в себя PCM, тепловые трубки, электросмачивание и распыление.Как правило, многофазное рассеивание тепла поглощает большое количество скрытого тепла из-за фазового перехода рабочей жидкости, и эффект рассеивания тепла лучше, что является ключевым направлением развития.
Метод теплопередачи компонентов можно описать как теплопроводность от чипа к оболочке корпуса.Нижняя часть корпуса соединена с медной фольгой печатной платы с помощью выводов, шариков припоя и т. д. Медная фольга проводит тепло в плоскости и толщине печатной платы.Перенос тепла в плоском направлении осуществляется теплопроводностью и конвекцией.Однако теплопроводность в направлении толщины должна проходить через полимерный материал подложки, а его теплопроводность очень низкая.Поэтому часто используются покрытые медью переходные отверстия.Соедините различные слои медной фольги на печатной плате, чтобы улучшить ее теплопроводность в направлении толщины.
Возьмите рисунок 1 в качестве примера.Верхняя поверхность чипа соединена с радиатором, и тепло отводится вниз к медной фольге на верхней поверхности печатной платы через шарики припоя и подложку.Часть тепла рассеивается за счет конвекции и теплопроводности в плоском направлении, а оставшееся тепло достигает нижней поверхности печатной платы через тепловое отверстие и рассеивается радиатором.
Воздушное охлаждение делится на естественную конвекцию и принудительное воздушное охлаждение.Предел теплового потока составляет около 5 Вт/см 2 .Естественное конвекционное охлаждение плохое, но дешевое.Он широко используется в устройствах с низким тепловым потоком, таких как телевизоры и т. д. Принудительное воздушное охлаждение имеет сильное рассеивание тепла, простую структуру, высокую надежность и широко используется в процессорах, центрах обработки данных и т. д. Его исследования сосредоточены на охлаждающих ребрах и оптимизации управления потоком. .
Жидкостное охлаждение работает лучше, чем воздушное, поскольку удельная теплоемкость жидкости намного больше, чем у воздуха.Тепловой поток традиционного жидкостного охлаждения до 24 Вт/см2.Тепловой поток микроканального жидкостного охлаждения может превышать Вт/см2.Жидкостное охлаждение включает иммерсионное охлаждение и жидкие холодные пластины.Иммерсионное охлаждение заключается в погружении оборудования в хладагент с высокой и слабой теплопроводностью.Он использовался для охлаждения центров обработки данных и базовых станций.Рабочие параметры иммерсионного охлаждения оказывают большое влияние на охлаждающий эффект.Более быстрая циркуляция системы и более низкая температура подачи жидкости способствуют охлаждению.
Жидкие холодные плиты предъявляют более низкие требования к упаковке.Он может напрямую контактировать с компонентами и имеет больше сценариев применения.Оптимизация структуры канала может улучшить теплопередачу.Как показано на рис. 2, оптимизированная модель снижает сопротивление потоку при одновременном улучшении рассеивания тепла.Максимальная температура TCP снизилась на 0,27% и 1,08% соответственно.Разница температур соответственно уменьшилась на 19,50% и 41,88%.
Микроканал представляет собой новый тип жидкостной охлаждающей пластины, обычно встраиваемой в металлическую пластину.Эквивалентный диаметр составляет от 10 до 1000 мкм.Благодаря небольшому размеру, сильному рассеиванию тепла и хорошей однородности температуры он часто используется в аэрокосмической области.Помимо структурной оптимизации, регулировка распределения потока более эффективна для снижения термического сопротивления и энергопотребления, чем простое увеличение скорости потока, как, например, алгоритм регулировки входа микроканала в соответствии с распределением температуры.Исследования новых рабочих жидкостей сосредоточены на наножидкостях и жидких металлах.Жидкий металл работает лучше, но он более энергоемкий и вызывает коррозию.Энергозатратность наножидкости аналогична потреблению воды, поэтому она является идеальным хладагентом.
Струйный поток является эффективным методом охлаждения.Первоначально он использовался в аэрокосмических двигателях, а затем и в мощных чипах.Тепловой поток превышает 500 Вт/см2.Направление струйного потока в области критической точки меняется, и эффективность теплообмена высока, но охлаждающий эффект быстро снижается по мере удаления от этой области.Структура с несколькими соплами может решить эту проблему.Исследования струйного охлаждения сосредоточены на структурных параметрах и рабочих жидкостях.Конструктивные параметры включают диаметр сопла, решетку и т.д. Кроме того, структура ударной поверхности также влияет на охлаждающий эффект, например, коническая поверхность может увеличить охлаждающий эффект на 11% по сравнению с плоской поверхностью.Что касается рабочих жидкостей, существует множество исследований наножидкостей и жидких металлов, которые обладают лучшими характеристиками, чем традиционные жидкости.
Как показано на рисунке 3, в термоэлектрическом охлаждении используется эффект Пельтье, а в качестве проводников обычно используются полупроводники.Термоэлектрическое охлаждение имеет преимущества миниатюризации и отсутствия шума.Тепловой поток до 15 Вт/см2, что очень подходит для печатных плат с небольшим пространством.Недостатком является низкая эффективность охлаждения.В ответ на эту проблему, помимо оптимизации теплообмена на горячем и холодном концах, наиболее важным является улучшение характеристик термоэлектрических материалов.Ключевые свойства термоэлектрических материалов включают теплопроводность κ, коэффициент Зеебека α и электропроводность σ, которые вместе составляют zT.
zT отражает термоэлектрические свойства материала.Как правило, необходимо увеличить zT, например, увеличив электропроводность или уменьшив теплопроводность.Легирование различных материалов может улучшить характеристики термоэлектрических материалов, например легирование сплавов в кристаллы кремния для формирования эвтектических материалов.Управление микроструктурой, такой как размер зерна и вторичные фазы, также может улучшить термоэлектрические свойства сплава.Также важно выбрать соответствующую конфигурацию физических свойств.Простое увеличение α или уменьшение κ может улучшить zT, но не обязательно улучшить охлаждающий эффект.
Тепловая трубка представляет собой высокоэффективный элемент теплопередачи с тепловым потоком более 200 Вт/см2.Благодаря своей компактной структуре и высокой надежности он широко используется в терминальном электронном оборудовании.Тепловая трубка использует рабочую среду для испарения на эндотермическом конце вакуумной трубки и сжижения на экзотермическом конце для передачи тепла.Пористый материал сердечника трубы создает капиллярную силу для поддержания циркуляции рабочей жидкости.
В электронном оборудовании обычно используются ультратонкие тепловые трубки, которые можно плотно прикрепить к поверхности компонентов, включая плоские тепловые трубки (UFHP) и петлевые тепловые трубки (ULHP).Они работают так же, как традиционные тепловые трубки, с небольшими изменениями в форме и структуре.UFHP представляет собой традиционную цилиндрическую тепловую трубку, впрессованную в ультратонкую плоскую пластину.ULHP, как показано на рисунке 4, разделяет жидкость и газ в соответствующих каналах, чтобы сделать циркуляцию более плавной.Он имеет преимущества большого расстояния и антигравитации.
Плоская пульсирующая тепловая трубка (FPPHP) представляет собой специальный ULHP, который не требует сердечника трубки и имеет характеристики простой конструкции и миниатюризации.FPPHP образует змеевидную петлю между источниками холода и тепла.Из-за действия источника тепла нестабильность давления на испарительном и конденсационном концах вызывает сложный двухфазный поток.Рабочая жидкость самопроизвольно колеблется в канале для осуществления теплообмена.
Испарительные камеры представляют собой особый тип UFHP.По сравнению с тепловыми трубками с одномерным теплообменом испарительные камеры имеют более высокую эффективность теплопередачи и лучшую равномерность температуры на двумерных поверхностях.Как показано на рис. 5, он имеет преимущества перед обычным UFHP.
Матрица является ядром для поддержания циркуляции рабочей жидкости, а также обеспечивает границу фазового перехода жидкость-пар.Следовательно, запуск и производительность тепловых труб в основном зависят от структуры сердечника, которую можно разделить на сердечник с микроканавками, спеченный сердечник и композитную структуру сердечника.Оптимизация сердечника в основном направлена на улучшение капиллярной силы, проницаемости и снижение веса для повышения эффективности доставки жидкости.Еще одним ключом к тепловой трубе является рабочая жидкость.Термическое сопротивление наименьшее, когда рабочая жидкость УТВД заполняет только активную зону, а слишком большое количество жидкости препятствует протеканию пара.Наножидкая рабочая среда обладает большей способностью к фазовому переходу, скоростью потока и движущей силой потока.
В качестве гибкого компонента тепловые трубки часто сочетаются с другими технологиями рассеивания тепла для достижения лучших результатов.Тепловая трубка – наиболее распространена ПКМ.Кроме того, есть испарительные камеры - спрей, тепловые трубки - термоэлектрическое охлаждение и т.д.
PCM имеет преимущества низкой стоимости, легкого веса и сильного рассеивания тепла.Он использует скрытую теплоту фазового перехода для стабилизации температуры компонентов.Например, PCM плавится и поглощает тепло в период пиковой мощности и затвердевает и выделяет тепло в период низкой мощности.PCM должен улучшать теплопроводность, например микрокапсульный PCM, который увеличивает удельную площадь поверхности PCM для повышения теплопроводности, и его можно дополнительно улучшить, добавив наноматериалы, металлическую пену или расширенный графит.PCM также часто используется для заполнения радиаторов, потому что ребра помогают отводить тепло от PCM, а PCM также помогает ребрам рассеивать тепло.
PCM обычно сочетается с другими методами охлаждения, такими как тепловая трубка - PCM, как показано на рисунке 6. Тепловая трубка может улучшить теплопроводность PCM, а PCM действует как вторичный конденсатор, поглощая часть тепла, рассеиваемого от тепловая труба.
Электросмачивание имеет низкое энергопотребление и быстрый отклик и подходит для всех видов чипов.Как показано на рисунке 7, движение и деформация диэлектрической капли контролируются электродами, а фазовый переход поглощает тепло в горячей точке, устраняя локальную горячую точку.Его тепловыделение может достигать микроканального уровня.Форма капли и фазовый переход в основном влияют на теплообмен, который связан с напряженностью электрического поля, частотой и температурой.Испарению можно способствовать, увеличивая напряженность электрического поля и температуру поверхности.
Чтобы способствовать образованию жидкой пленки и уменьшить трение, необходимо оптимизировать структуру и материал контактной поверхности капли.Например, супергидрофильное нанопористое покрытие может способствовать образованию пленки жидкости.Кроме того, наночастицы могут улучшать такие параметры, как угол контакта капель и диаметр контакта, а также увеличивать внутреннее возмущение капель, способствуя теплопередаче.
Спрей имеет высокую теплоотдачу и большую площадь охлаждения.Предел теплового потока достигает 1200 Вт/см2.Рабочая среда образует через сопло мельчайшие капли, которые ударяются о поверхность нагрева и претерпевают фазовый переход, поглощая тепло.Возмущение пленки жидкости при ударе и фазовый переход капли значительно усиливают теплообмен.Факторы, влияющие на распылительное охлаждение, делятся на рабочие параметры, характеристики охлаждающей жидкости и характеристики поверхности нагрева.
Рабочие параметры включают скорость потока, диаметр капель, направление распыления и т. д. Уменьшение диаметра капель способствует испарению в большей степени, чем увеличение скорости капель.На практике обычно используется распылитель с несколькими форсунками.Расположение форсунки также имеет значение.Чем больше форсунок, тем больше давление впрыска, тем выше скорость охлаждения.Применение электрического поля может разбить капли на мелкие капли с большей удельной площадью поверхности для улучшения теплопередачи.Под управлением электрического поля теплоотвод различных форм электрораспыления можно увеличить в 2,8 раза.
В дополнение к наножидкостям, водно-спиртовым смесям, поверхностно-активные вещества также могут улучшать рассеивание тепла.Спирто-вода может значительно уменьшить поверхностное натяжение капель и угол смачивания.Поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение капель и увеличивают их диаметр.Жидкая пленка может сгущаться быстрее, что способствует отводу тепла потоком жидкой пленки.Поверхность нагрева, то есть оптимизация структуры поверхности, такая как структура с прямыми канавками, может улучшить эффект теплопередачи на 64,2%.Увеличивая микрошероховатость поверхности, можно повысить теплопередачу примерно на 116 %.Теплопередачу можно дополнительно улучшить, добавив микрошероховатость на поверхность ребер.
Оптимизация таких конструкций, как ребра, может усилить турбулентность пограничного слоя для улучшения теплопередачи, но также и для увеличения сопротивления потоку.Чтобы решить эту многоцелевую проблему, в центре внимания исследований находится улучшение теплопередачи при одновременном снижении энергопотребления.Ортогональные эксперименты, генетические алгоритмы и топология обычно используются для оптимизации структуры радиатора и рабочих параметров.Микроструктура поверхности радиатора также существенно влияет на образование пузырьков при кипятильном охлаждении, на угол смачивания капель при распылении и т. д.
Наножидкости обладают высокой теплопроводностью и могут использоваться в большинстве технологий охлаждения.Поддержание стабильности наножидкостей является ключевым вопросом.Методы кратковременной стабилизации наножидкостей включают обработку ультразвуком, изменение pH и добавление диспергаторов.Методы поддержания стабильности наножидкостей в долгосрочной перспективе еще предстоит изучить.Концентрация, тип, размер и т. д. наночастиц будут влиять на характеристики теплопередачи и потребляемую мощность потока.Высокая концентрация частиц улучшит теплопередачу и создаст большее сопротивление потоку, поэтому для определения оптимальных параметров необходимо провести большое количество экспериментов.Использование наночастиц в терморегулирующих материалах может улучшить характеристики теплопередачи, что связано с концентрацией и формой частиц.В настоящее время включение наночастиц в ПКМ широко изучается.Использование наночастиц для материалов, таких как термоинтерфейсы, электронные упаковки и т. д., требует дополнительных исследований.
В сценариях приложений используются несколько технологий рассеивания тепла, которые помогают друг другу достичь оптимального эффекта, предлагая новые идеи для будущего развития электронного охлаждения.Традиционные, такие как тепловая трубка-PCM, тепловая трубка-воздушное охлаждение, PCM-жидкостное охлаждение и т. Д., Поскольку предлагается больше технологий рассеивания тепла, направлением развития является сочетание новых технологий.Тепловые трубки и PCM могут гибко помогать другим технологиям и заслуживают дальнейшего изучения.
Высокоинтегрированные печатные платы и компоненты имеют тенденцию генерировать большое количество тепла за короткий промежуток времени и образовывать локальные горячие точки, и система охлаждения должна реагировать быстро.Более экономично регулировать распределение и поток охлаждающей жидкости в зависимости от местоположения горячей точки.Для этого требуется точная технология управления, такая как микроканалы, которые регулируют размер входного отверстия для жидкости.Электрические поля могут точно и гибко управлять потоком диэлектрических жидкостей, таких как электросмачивание, распыление и другие сценарии.В будущем электрические поля могут использоваться для управления потоком в большем количестве приложений.
Современное электронное оборудование в основном охлаждается воздухом.Проектирование компоновки компонентов может оптимизировать отвод тепла, например, размещение тепловых отверстий для улучшения продольной теплопроводности печатной платы.По нагреву и термостойкости компонентов они располагаются по ходу воздушного потока, при этом высоконагреваемые и жаростойкие компоненты размещаются ниже по потоку, а низконагреваемые и жаростойкие компоненты располагаются выше по потоку.Или рассмотрим расположение обратного потока воздуха, вызванное высотой компонентов.
В большинстве случаев рабочая среда течет, а вибрации и шумы, создаваемые колебаниями давления жидкости, вихревыми токами и граничными турбулентными отрывами в силовой установке, не способствуют длительной работе электронной аппаратуры.Если вибрация вентилятора улучшилась, необходимо отрегулировать угол ветра в соответствии с полем потока, чтобы уменьшить скорость вращения лопастей.Разработка новых силовых устройств, таких как пьезоэлектрические лопасти с изгибом лопасти и резонансом, может не только снизить вибрацию и шум, но и удовлетворить потребности в малом весе и миниатюрности.
Из-за высокой интеграции и высокой мощности печатных плат и их электронных компонентов проблема теплового отказа электронного оборудования постепенно стала заметной и стала ключом к ограничению развития электронных технологий.Здесь мы вводим тепловыделение на системном уровне печатных плат и их электронных компонентов.технологии.Он разделен на однофазную технологию отвода тепла и многофазную технологию отвода тепла и обсуждает ход исследований в области воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, струйного потока, термоэлектрического охлаждения, тепловых трубок, PCM, электросмачивания и распыления.Существующие исследования в основном оптимизируют структуру рассеивания тепла, рабочие параметры, материалы и рабочие жидкости, а также сочетание технологии рассеивания тепла.Наконец, выдвинуто несколько приоритетов развития, в том числе конструкция радиатора, применение наночастиц, соединение технологии рассеивания тепла, технология точного управления, конструкция печатной платы, снижение вибрации и шумоподавления, а также представлены предложения для дальнейшего развития.
