Nová technológia na odvod tepla elektronických zariadení
Postupná miniaturizácia a spresňovanie elektronických zariadení prinieslo problém rozptylu tepla. Teplota má veľký vplyv na pracovný výkon elektronických zariadení. Pre stabilný a nepretržite fungujúci elektronický čip nesmie maximálna teplota podľa potreby prekročiť 85 ℃. Zakaždým, keď sa teplota polovodičového komponentu zvýši o 10 ℃, spoľahlivosť systému sa zníži o 50 %. Podľa štatistík je viac ako 55 % porúch elektronických zariadení spôsobených nadmernou teplotou. V tradičnom elektronickom čipe predstavuje objem používaný na chladenie 98 % a iba 2 % sa využívajú na výpočtovú prevádzku, no aj tak je ťažké vyriešiť súčasný problém s odvodom tepla. Vysoká teplota bude mať škodlivý vplyv na výkon elektronických zariadení a tieto tradičné metódy rozptylu tepla majú určité obmedzenia. Preto, aby sa zabezpečila životnosť a efektívny výkon elektronických zariadení, je naliehavé preskúmať a vyvinúť lepšie metódy rozptylu tepla pre elektronické zariadenia.
01 Technológia chladenia Tradičný spôsob odvádzania tepla sa často objavuje v našom každodennom živote, pretože súčasný vývoj je veľmi vyspelý a princíp je jednoduchý, takže ho tu nebudem opakovať.
1.1 Chladenie kvapalinou
Kvapalinové chladenie využíva kvapalinu prechádzajúcu cez zdroj tepla na odvádzanie tepla generovaného čipom, bez hluku a má vysokú kapacitu výmeny tepla. Nasleduje niekoľko metód kvapalinového chladenia, ktoré sú novými technológiami, ktoré sú založené na tradičnom rozšírení priameho chladenia kvapalinou.
1.1.1 Mikrokanálové chladenie
Mikrokanálové chladenie spočíva v leptaní viacerých kanálikov tekutiny na úrovni mikrometrov na substráte pod čipom, takže teplo čipu je absorbované, keď tekutina preteká kanálom. Táto metóda zahŕňa jednofázovú výmenu tepla a dvojfázovú výmenu tepla. Medzi nimi je tepelná kapacita jednofázovej výmeny tepla malá, efekt výmeny tepla je slabý a teplota po ochladení je nerovnomerná, čo vedie k nadmernému namáhaniu. Naopak, dvojfázová výmena tepla má veľké latentné teplo, kapacita výmeny tepla je vysoká, teplota po ochladení je rovnomerná, nevzniká veľké napätie a teplota pracovnej tekutiny nestúpa veľmi vysoko. Dvojfázový prenos tepla pri mikrokanálovom chladení je aktuálnym výskumným centrom. Pri dvojfázovom prenose tepla s použitím nízkotlakového chladiva ako pracovnej tekutiny môže kapacita odvádzania tepla dosiahnuť viac ako 300 W/cm2. Prostredníctvom experimentov Yu Zukang a spol. získané povrchové hydrofilné vlastnosti na efektívne zlepšenie prenosu tepla mikrokanálov. Pri nízkom tepelnom toku a nízkej vstupnej suchosti je priemerný koeficient prestupu tepla superhydrofilných povrchov najväčší, ktorý je o 64 % vyšší ako u bežných hladkých povrchov. Priemerný koeficient prestupu tepla hydrofilného povrchu je až o 27 % vyšší ako u bežného hladkého povrchu; v podmienkach vysokého tepelného toku a vysokej vstupnej suchosti je priemerná hodnota koeficientu prestupu tepla superhydrofilného povrchu až o približne 80 % vyššia ako hodnota bežného hladkého povrchu. Hydrofilný povrch je až o 50 % vyšší ako normálny hladký povrch. Obrázok 1 znázorňuje štruktúru mikrokanálového chladenia.
Kritický tepelný tok (CHF) je jedným z dôležitých parametrov, ktoré ovplyvňujú výkon mikrokanálov. Yuan Xudong a ďalší podrobne predstavili pokrok vo výskume CHF a podrobne predstavili mechanizmus jeho ovplyvňovania a metódy zlepšovania, ako aj CHF existujúci na akademickej pôde. Rozdiely v názoroch. Vzhľadom na malú veľkosť mikrokanála je odpor pozdĺž cesty veľmi veľký; jeho štruktúra má tiež veľký vplyv na chladenie a použitie priamych a paralelných mikrokanálov spôsobí veľký pokles tlaku a teplotný gradient. Má veľa výhod. Pretože kanály sú leptané a nezaberajú viac miesta, mikrokanálové chladenie sa stáva efektívnejším a kompaktnejším a je vhodnejšie pre malé elektronické čipy. Všeobecne sa verí, že dvojvrstvový mikrožiarič dokáže uspokojiť zvyšujúcu sa tepelnú záťaž ďalšej generácie elektronických zariadení. Xiaogang Liu a kol. navrhol dvojvrstvovú matricovú štruktúru (DL-M) a štruktúru dvojvrstvovej prepojovacej matricovej štruktúry (DL-IM) mikrokanálov. A prostredníctvom numerickej simulácie na štúdium rôznych výkonov radiátorov sa dokázalo, že majú lepší tepelný výkon.
Mikrokanálové chladenie má síce určité nedostatky, ale dokáže vzniknuté problémy vyriešiť a vývoj je už vyzretejší. Hoci výskum CHF má rôzne názory, nebude to brániť rozvoju mikrokanálovej technológie a budúci vývoj bude viac zameraný. Ako zlepšiť CHF, aby sa dosiahlo efektívnejšie mikrokanálové chladenie, tento spôsob rozptylu tepla sa tiež stane populárnejším.
1.1.2 Chladenie rozprašovaním Chladenie rozprašovaním je rozprašovanie kvapaliny cez dýzu, aby sa vytvoril dvojfázový sprej plyn-kvapalina do elektronického zariadenia. Jedna jeho časť pohltí teplo a vyparí sa a časť tepla sa odoberie fázovou zmenou; druhá časť vytvára na povrchu zdroja tepla tekutý film a teplo nasleduje kvapalinu. Tok membrány sa odoberie. Nekondenzovateľný plyn v kvapalnom filme zvyšuje narušenie výmeny tepla, čo môže výrazne zlepšiť kapacitu odvádzania tepla elektronických zariadení. Hustota tepelného toku s fázovou zmenou pri chladení rozprašovaním môže dosiahnuť viac ako 1000 W/cm2. Lin a kol. používal fluórovaný uhľovodík, metanol a vodu ako pracovné tekutiny na fázovú zmenu tepla. Maximálna hustota tepelného toku získaná prostredníctvom experimentov bola 90, 90 a 90. 490, 500 W/cm2 alebo viac. Obrázok 2 je schematický diagram chladenia rozprašovaním.
Tento spôsob chladenia má určité nedostatky, ktoré je potrebné vyriešiť. Metóda chladenia rozprašovaním má zložitý systém, vysoké nároky na priestor a je náročná na údržbu. Kvôli malému prietoku kvapaliny, rovnomernému rozloženiu teploty čipu po ochladení a nízkemu namáhaniu sa chladenie rozprašovaním považuje za spôsob rozptylu tepla pre elektronické čipy s dobrým vývojovým potenciálom. V súčasnosti, pretože existujúce problémy nie sú vyriešené, môže byť použitý len vo vojenských a leteckých výrobkoch. Wang Gaoyuan a kol. vykonali experimenty s chladením rozprašovaním na R134a za podmienok nízkeho tlaku a zistili, že chladenie rozprašovaním za podmienok nízkeho tlaku postupne znižuje kapacitu prenosu tepla s poklesom tlaku a rýchle vyparovanie má veľký vplyv na kapacitu prenosu tepla, čo je potrebné vziať do úvahy pri usporiadaní trysky. Pridanie nanočastíc, povrchovo aktívnych látok, rozpustných solí a plynov a alkoholových prísad do rozprašovacej chladiacej kvapaliny môže výrazne zlepšiť charakteristiky prenosu tepla. Li Yiyi experimentmi overil, že pridanie povrchovo aktívnych látok môže účinne zlepšiť výkon pri chladení rozprašovaním, najmä pridanie SDS má najlepší účinok. Súčasný spôsob pridávania aditív je však ešte len v plienkach a existujúce problémy sú komplikovanejšie.
Chladenie rozprašovaním je obmedzené priestorom a nedá sa použiť v malých elektronických zariadeniach, ale pri použití v superpočítačoch je efekt veľmi dobrý. V súčasnosti sa technológia sprejového chladenia aplikuje na superpočítače CREY a vo veľkom sa používa aj v dátových centrách. S vývojom tohto spôsobu chladenia sa predpokladá, že aplikácia bude zrelšia.
Vyššie uvedené tri spôsoby šírenia kvapalného tepla majú svoje výhody a nevýhody. Chladenie rozprašovaním a chladenie prúdom sú podobné. Ich štruktúry sú veľmi zložité a nie sú vhodné pre každodenné elektronické zariadenia. Majú však silné schopnosti odvádzať teplo. Chladenie rozprašovaním je vhodné pre superpočítače, pri odvode tepla veľkých dát; prúdové chladenie je vhodné pre vojensko-priemyselné predmety, ako sú stíhačky, lietadlá a pod. Tieto dva spôsoby odvodu tepla sa v posledných rokoch nedajú nahradiť. Mikrokanálové chladenie je všeobecným smerom budúceho vývoja, či už ide o každodenné elektronické zariadenia alebo iné presné elektronické prístroje, táto metóda bude prijatá.
