Nova tehnologija za odvajanje toplote elektronske opreme
Postopna miniaturizacija in natančnost elektronske opreme je prinesla problem odvajanja toplote. Temperatura ima velik vpliv na delovanje elektronske opreme. Za stabilen in neprekinjeno delujoč elektronski čip najvišja temperatura ne sme preseči 85 ℃, kot je zahtevano. Vsakič, ko se temperatura polprevodniške komponente poveča za 10 ℃, se zanesljivost sistema zmanjša za 50%. Po statističnih podatkih je več kot 55% okvar elektronske opreme posledica previsoke temperature. V tradicionalnem elektronskem čipu je prostornina, ki se uporablja za hlajenje, 98 % in le 2 % se uporablja za računalniško delovanje, vendar je še vedno težko rešiti trenutni problem odvajanja toplote. Visoka temperatura bo škodljivo vplivala na delovanje elektronske opreme, te tradicionalne metode odvajanja toplote pa imajo določene omejitve. Zato je za zagotovitev življenjske dobe in učinkovitega delovanja elektronske opreme nujno raziskati in razviti boljše metode odvajanja toplote za elektronsko opremo.
01 Tehnologija hlajenja Tradicionalni način odvajanja toplote je pogosto viden v našem vsakdanjem življenju, saj je trenutni razvoj zelo zrel in je princip preprost, zato ga tukaj ne bom ponavljal.
1.1 Tekočinsko hlajenje
Tekočinsko hlajenje uporablja tekočino, ki prehaja skozi vir toplote, da odvzame toploto, ki jo ustvari čip, brez hrupa in ima visoko zmogljivost izmenjave toplote. Sledi več metod tekočega hlajenja, ki so nove tehnologije, ki temeljijo na tradicionalni razširitvi neposrednega tekočinskega hlajenja.
1.1.1 Mikrokanalno hlajenje
Mikrokanalno hlajenje je jedkanje več kanalov tekočine na mikrometrski ravni na substratu pod čipom, tako da se toplota čipa absorbira, ko tekočina teče skozi kanal. Ta metoda vključuje enofazno izmenjavo toplote in dvofazno izmenjavo toplote. Med njimi je toplotna zmogljivost enofazne izmenjave toplote majhna, učinek izmenjave toplote je slab, temperatura po ohlajanju pa je neenakomerna, kar ima za posledico prekomerno obremenitev. Nasprotno, dvofazna izmenjava toplote ima veliko latentno toploto, zmogljivost izmenjave toplote je visoka, temperatura po hlajenju je enakomerna, ne nastane velika napetost in temperatura delovne tekočine se ne dvigne zelo visoko. Dvofazni prenos toplote pri mikrokanalnem hlajenju je trenutna raziskovalna točka. Pri dvofaznem prenosu toplote z uporabo nizkotlačnega hladilnega sredstva kot delovne tekočine lahko zmogljivost odvajanja toplote doseže več kot 300 W/cm2. S poskusi so Yu Zukang et al. pridobljene površinske hidrofilne lastnosti za učinkovito izboljšanje zmogljivosti prenosa toplote mikrokanalov. Pri nizkem toplotnem toku in nizki vhodni suhosti je povprečni koeficient prenosa toplote superhidrofilnih površin največji, kar je 64 % višji kot pri navadnih gladkih površinah. Povprečni koeficient toplotne prehodnosti hidrofilne površine je do 27 % višji od koeficienta navadne gladke površine; v pogojih visokega toplotnega pretoka in visoke suhega vhoda je povprečna vrednost koeficienta toplotnega prehoda superhidrofilne površine do približno 80 % višja kot pri navadni gladki površini. Hidrofilna površina je do približno 50 % višja od normalne gladke površine. Slika 1 prikazuje strukturo mikrokanalnega hlajenja.
Kritični toplotni tok (CHF) je eden od pomembnih parametrov, ki vplivajo na delovanje mikrokanalov. Yuan Xudong in drugi so podrobno predstavili napredek raziskav CHF in podrobno predstavili njegov mehanizem vplivanja in metode izboljšav ter CHF, ki obstaja v akademskih krogih. Razlike v mnenjih. Zaradi majhne velikosti mikrokanala je upor na poti zelo velik; njegova struktura ima velik vpliv tudi na hlajenje, uporaba ravnih in vzporednih mikrokanalov pa bo povzročila velik padec tlaka in temperaturni gradient. Ima veliko prednosti. Ker so kanali jedkani in ne zasedajo več prostora, postane mikrokanalno hlajenje učinkovitejše in kompaktnejše ter je primernejše za majhne elektronske čipe. Na splošno velja, da lahko dvoslojni mikro radiator zadosti naraščajoči toplotni obremenitvi naslednje generacije elektronske opreme. Xiaogang Liu et al. predlagal dvoslojno matrično strukturo (DL-M) in dvoslojno strukturo matrične strukture medsebojnega povezovanja (DL-IM) mikrokanalov. In s pomočjo numerične simulacije za preučevanje različnih zmogljivosti radiatorja je dokazano, da imajo boljšo toplotno zmogljivost.
Čeprav so pri mikrokanalnem hlajenju določene pomanjkljivosti, lahko reši nastale težave, razvoj pa je zrelejši. Čeprav imajo raziskave o CHF različne poglede, to ne bo oviralo razvoja mikrokanalne tehnologije, prihodnja razvojna usmeritev pa bo bolj usmerjena. Kako izboljšati CHF za učinkovitejše mikrokanalno hlajenje, bo tudi tovrstna metoda odvajanja toplote postala bolj priljubljena.
1.1.2 Hlajenje z razpršilom Hlajenje s pršenjem je razprševanje tekočine skozi šobo, da se tvori dvofazni razpršilec plin-tekočina do elektronske naprave. En del absorbira toploto in izhlapi, del toplote pa se odvzame s fazno spremembo; drugi del tvori tekoči film na površini vira toplote, toplota pa sledi tekočini. Pretok membrane je odvzet. Plin, ki se ne kondenzira v tekočem filmu, poveča motnje v izmenjavi toplote, kar lahko močno izboljša zmogljivost odvajanja toplote elektronske opreme. Gostota toplotnega toka toplotnega toka pri hlajenju z razprševanjem lahko doseže več kot 1000 W/cm2. Lin et al. uporabljali fluoroogljik, metanol in vodo kot delovne tekočine za fazno spreminjanje toplote. Največja gostota toplotnega toka, pridobljena s poskusi, je bila 90, 90 oziroma 90. 490, 500 W/cm2 ali več. Slika 2 je shematski diagram hlajenja s pršenjem.
Ta način hlajenja ima določene pomanjkljivosti, ki jih je treba odpraviti. Metoda hlajenja s pršenjem ima zapleten sistem, velike prostorske zahteve in je težko vzdrževati. Zaradi majhnega pretoka tekočine, enakomerne porazdelitve temperature čipa po hlajenju in nizke napetosti se hlajenje s pršenjem šteje za metodo odvajanja toplote za elektronske čipe z dobrim razvojnim potencialom. Trenutno, ker obstoječi problemi niso rešeni, se lahko uporablja le v vojaških in letalskih izdelkih. Wang Gaoyuan idr. izvedli poskuse hlajenja z razprševanjem na R134a pod nizkim tlakom in ugotovili, da hlajenje z razprševanjem pod nizkim tlakom postopoma zmanjšuje zmogljivost prenosa toplote z zmanjšanjem tlaka, bliskovito izhlapevanje pa ima velik vpliv na zmogljivost prenosa toplote, kar je treba upoštevati pri urejanju šobe. Dodajanje nanodelcev, površinsko aktivnih snovi, topnih soli in plinov ter alkoholnih dodatkov v razpršeno hladilno tekočino lahko močno izboljša lastnosti prenosa toplote. Li Yiyi je s poskusi preveril, da lahko dodatek površinsko aktivnih snovi učinkovito izboljša učinkovitost prenosa toplote pri hlajenju z razprševanjem, zlasti ima dodatek SDS najboljši učinek. Sedanji način dodajanja aditivov pa je še v povojih, obstoječe težave pa so bolj zapletene.
Hlajenje z razpršilom je omejeno s prostorom in ga ni mogoče uporabiti v majhnih elektronskih napravah, vendar je učinek zelo dober pri uporabi v superračunalnikih. Trenutno se tehnologija hlajenja s pršenjem uporablja za superračunalnike CREY in se v velikem obsegu uporablja tudi v podatkovnih centrih. Z razvojem te metode hlajenja se domneva, da bo aplikacija bolj zrela.
Zgornje tri metode odvajanja toplote tekočine imajo svoje prednosti in slabosti. Hlajenje s pršenjem in hlajenje s curkom sta podobni. Njihove strukture so zelo zapletene in niso primerne za vsakodnevno elektronsko opremo. Vendar pa imajo močne zmogljivosti odvajanja toplote. Hlajenje s pršilom je primerno za superračunalnike, pri odvajanju toplote velikih podatkov; reaktivno hlajenje je primerno za vojaško-industrijske predmete, kot so lovska letala, letala itd. Teh dveh načinov odvajanja toplote v zadnjih letih ni mogoče zamenjati. Mikrokanalno hlajenje je splošna smer prihodnjega razvoja, ne glede na to, ali gre za vsakodnevno elektronsko opremo ali druge natančne elektronske instrumente, bo ta metoda sprejeta.
