Nieuwe technologie voor warmteafvoer van elektronische apparatuur
De geleidelijke miniaturisering en precisie van elektronische apparatuur heeft geleid tot het probleem van warmteafvoer. Temperatuur heeft een grote invloed op de werking van elektronische apparatuur. Voor een stabiele en continu werkende elektronische chip mag de maximale temperatuur niet hoger zijn dan 85 ℃ zoals vereist. Elke keer dat de temperatuur van een halfgeleidercomponent met 10 stijgt, neemt de betrouwbaarheid van het systeem met 50% af. Volgens statistieken wordt meer dan 55% van de storingen van elektronische apparatuur veroorzaakt door te hoge temperaturen. In de traditionele elektronische chip is het volume dat voor koeling wordt gebruikt goed voor 98% en wordt slechts 2% gebruikt voor computergebruik, maar het is nog steeds moeilijk om het huidige warmteafvoerprobleem op te lossen. Hoge temperaturen hebben een schadelijk effect op de prestaties van elektronische apparatuur en die traditionele methoden voor warmteafvoer hebben bepaalde beperkingen. Om de levensduur en efficiënte prestaties van elektronische apparatuur te garanderen, is het daarom dringend nodig om betere methoden voor warmteafvoer voor elektronische apparatuur te onderzoeken en te ontwikkelen.
01 Koeltechniek De traditionele methode van warmteafvoer zien we vaak terug in ons dagelijks leven, omdat de huidige ontwikkeling erg volwassen is en het principe simpel is, dus ik zal het hier niet herhalen.
1.1 Vloeistofkoeling
Vloeistofkoeling gebruikt de vloeistof die door de warmtebron gaat om de warmte die door de chip wordt gegenereerd, geluidloos af te voeren en heeft een hoge warmtewisselingscapaciteit. Hieronder volgen verschillende methoden voor vloeistofkoeling die nieuwe technologieën zijn die zijn gebaseerd op de traditionele uitbreiding van directe vloeistofkoeling.
1.1.1 Microkanaalkoeling
Microkanaalkoeling is het etsen van meerdere vloeistofkanalen op micrometerniveau op het substraat onder de chip, zodat de warmte van de chip wordt geabsorbeerd wanneer de vloeistof door het kanaal stroomt. Deze methode omvat eenfasige warmtewisseling en tweefasige warmtewisseling. Onder hen is de warmtecapaciteit van eenfasige warmtewisseling klein, het warmtewisselingseffect is slecht en de temperatuur na afkoeling is ongelijk, wat resulteert in overmatige stress. Integendeel, de tweefasige warmtewisseling heeft een grote latente warmte, de warmtewisselingscapaciteit is hoog, de temperatuur na afkoeling is uniform, er wordt geen grote spanning gegenereerd en de werkvloeistoftemperatuur stijgt niet erg hoog. Tweefasige warmteoverdracht in microkanaalkoeling is een actueel onderzoekshotspot. Bij tweefasige warmteoverdracht waarbij lagedrukkoelmiddel als werkvloeistof wordt gebruikt, kan de warmteafvoercapaciteit meer dan 300 W/cm2 bereiken. Door middel van experimenten, Yu Zukang et al. verkregen hydrofiele oppervlakte-eigenschappen om de warmteoverdrachtsprestaties van microkanalen effectief te verbeteren. Bij een lage warmtestroom en een lage inlaatdroogte is de gemiddelde warmteoverdrachtscoëfficiënt van superhydrofiele oppervlakken de grootste, die 64% hoger is dan die van gewone gladde oppervlakken. De gemiddelde warmteoverdrachtscoëfficiënt van het hydrofiele oppervlak is tot 27% hoger dan die van het gewone gladde oppervlak; onder de omstandigheden van hoge warmtestroom en hoge inlaatdroogte, is de gemiddelde warmteoverdrachtscoëfficiënt van het superhydrofiele oppervlak tot ongeveer 80% hoger dan die van het gewone gladde oppervlak. Het hydrofiele oppervlak is tot ongeveer 50% hoger dan het normale gladde oppervlak. Figuur 1 toont de structuur van microkanaalkoeling.
Kritische warmteflux (CHF) is een van de belangrijke parameters die de prestaties van microkanalen beïnvloeden. Yuan Xudong en anderen introduceerden de onderzoeksvoortgang van CHF in detail en introduceerden het beïnvloedingsmechanisme en de verbeteringsmethoden in detail, evenals de CHF die in de academische wereld bestaat. Verschillen in meningen. Door de kleine omvang van het microkanaal is de weerstand onderweg erg groot; de structuur heeft ook een grote invloed op de koeling en het gebruik van rechte en parallelle microkanalen zal een grote drukval en temperatuurgradiënt veroorzaken. Het heeft veel voordelen. Omdat de kanalen zijn geëtst en niet meer ruimte innemen, wordt de microkanaalkoeling efficiënter en compacter en is deze meer geschikt voor kleine elektronische chips. Algemeen wordt aangenomen dat de dubbellaagse microradiator kan voldoen aan de toenemende warmtebelasting van de volgende generatie elektronische apparatuur. Xiaogang Liu et al. stelde de dubbellaagse matrixstructuur (DL-M) en de dubbellaagse interconnectmatrixstructuur (DL-IM) structuur van microkanalen voor. En door numerieke simulatie om de verschillende prestaties van de radiator te bestuderen, is bewezen dat ze betere thermische prestaties hebben.
Hoewel er bepaalde tekortkomingen zijn in microkanaalkoeling, kan het de ontstane problemen oplossen en is de ontwikkeling volwassener. Hoewel het onderzoek naar CHF verschillende opvattingen heeft, zal dit de ontwikkeling van microkanaaltechnologie niet belemmeren en zal de toekomstige ontwikkelingsrichting meer gericht zijn. Hoe CHF te verbeteren om efficiëntere microkanaalkoeling te bereiken, dit soort warmteafvoermethode zal ook populairder worden.
1.1.2 Sproeikoeling Sproeikoeling is het verstuiven van de vloeistof door een mondstuk om een gas-vloeistof tweefasennevel naar het elektronische apparaat te vormen. Een deel ervan absorbeert warmte en verdampt, en een deel van de warmte wordt afgevoerd door faseverandering; het andere deel vormt een vloeistoffilm op het oppervlak van de warmtebron en de warmte volgt de vloeistof. De stroom van het membraan wordt weggenomen. Het niet-condenseerbare gas in de vloeibare film versterkt de verstoring van de warmte-uitwisseling, wat de warmteafvoercapaciteit van elektronische apparatuur aanzienlijk kan verbeteren. De faseverandering warmte-warmtestroomdichtheid van sproeikoeling kan meer dan 1000 W/cm2 bereiken. Lin et al. gebruikte fluorkoolstof, methanol en water als werkvloeistoffen voor faseovergangswarmte. De maximale warmtefluxdichtheid verkregen door experimenten was respectievelijk 90, 90 en 90. 490, 500 W/cm2 of meer. Figuur 2 is een schematisch diagram van sproeikoeling.
Deze koelmethode heeft bepaalde tekortkomingen die moeten worden opgelost. De sproeikoelmethode heeft een complex systeem, hoge ruimtevereisten en is moeilijk te onderhouden. Vanwege het kleine vloeistofdebiet, de uniforme temperatuurverdeling van de chip na afkoeling en de lage spanning, wordt sproeikoeling beschouwd als een warmteafvoermethode voor elektronische chips met een goed ontwikkelingspotentieel. Omdat de bestaande problemen niet zijn opgelost, kan het momenteel alleen worden gebruikt in militaire en luchtvaartproducten. Wang Gaoyuan et al. voerde sproeikoelingsexperimenten uit op R134a onder lage druk, en ontdekte dat sproeikoeling onder lage druk geleidelijk de warmteoverdrachtscapaciteit vermindert met de afname van de druk, en flitsverdamping heeft een grote invloed op de warmteoverdrachtscapaciteit, waarmee rekening moet worden gehouden bij het regelen sproeiers. Het toevoegen van nanodeeltjes, oppervlakteactieve stoffen, oplosbare zouten en gassen en alcoholadditieven aan de sproeikoelvloeistof kan de warmteoverdrachtseigenschappen aanzienlijk verbeteren. Li Yiyi heeft door experimenten geverifieerd dat de toevoeging van oppervlakteactieve stoffen de warmteoverdrachtsprestaties van sproeikoeling effectief kan verbeteren, met name de toevoeging van SDS heeft het beste effect. De huidige methode om additieven toe te voegen staat echter nog in de kinderschoenen en de bestaande problemen zijn gecompliceerder.
Sproeikoeling wordt beperkt door de ruimte en kan niet worden gebruikt in kleine elektronische apparaten, maar het effect is zeer goed bij gebruik in supercomputers. Op dit moment wordt spray-cooling technologie toegepast op CREY supercomputers en ook op grote schaal in datacenters. Met de ontwikkeling van deze koelmethode wordt aangenomen dat de toepassing volwassener zal zijn.
De bovenstaande drie methoden voor het afvoeren van vloeibare warmte hebben hun eigen voor- en nadelen. Sproeikoeling en straalkoeling zijn vergelijkbaar. Hun structuren zijn zeer complex en niet geschikt voor dagelijkse elektronische apparatuur. Ze hebben echter sterke warmteafvoermogelijkheden. Sproeikoeling is geschikt voor supercomputers, in big data warmteafvoer; straalkoeling is geschikt voor militair-industriële artikelen, zoals straaljagers, vliegtuigen, etc. Deze twee warmteafvoermethoden zijn de laatste jaren niet te vervangen. Microkanaalkoeling is de algemene richting van toekomstige ontwikkeling, of het nu gaat om dagelijkse elektronische apparatuur of andere elektronische precisie-instrumenten, deze methode zal worden toegepast.
