Ny teknologi til varmeafledning af elektronisk udstyr

Den gradvise miniaturisering og præcision af elektronisk udstyr har medført problemet med varmeafledning. Temperaturen har stor indflydelse på elektronisk udstyrs arbejdsydelse. For en stabil og kontinuerligt fungerende elektronisk chip må den maksimale temperatur ikke overstige 85 ℃ efter behov. Hver gang temperaturen af ​​en halvlederkomponent stiger med 10 ℃, vil systemets pålidelighed blive reduceret med 50 %. Ifølge statistikker er mere end 55% af fejlene i elektronisk udstyr forårsaget af for høj temperatur. I den traditionelle elektroniske chip udgør det volumen, der bruges til afkøling, 98%, og kun 2% bruges til computerdrift, men det er stadig svært at løse det nuværende varmeafledningsproblem. Høj temperatur vil have en skadelig effekt på elektronisk udstyrs ydeevne, og de traditionelle varmeafledningsmetoder har visse begrænsninger. For at sikre elektronisk udstyrs levetid og effektive ydeevne er det derfor presserende at udforske og udvikle bedre varmeafledningsmetoder til elektronisk udstyr.

01 Køleteknologi Den traditionelle varmeafledningsmetode ses ofte i vores dagligdag, fordi den nuværende udvikling er meget moden og princippet er enkelt, så jeg vil ikke gentage det her.

1.1 Væskekøling

Væskekøling bruger væsken, der passerer gennem varmekilden, til at fjerne den varme, der genereres af chippen, uden støj, og har en høj varmevekslingskapacitet. Følgende er flere metoder til væskekøling, som er nye teknologier, der er baseret på den traditionelle direkte væskekølingsudvidelse.

1.1.1 Mikrokanalkøling

Mikrokanalkøling er at ætse flere væskekanaler på mikrometerniveau på substratet under chippen, så chippens varme absorberes, når væsken strømmer gennem kanalen. Denne metode inkluderer enfaset varmeveksling og tofaset varmeveksling. Blandt dem er varmekapaciteten af ​​enfaset varmeveksling lille, varmevekslingseffekten er dårlig, og temperaturen efter afkøling er ujævn, hvilket resulterer i overdreven stress. Tværtimod har den tofasede varmeudveksling en stor latent varme, varmevekslingskapaciteten er høj, temperaturen efter afkøling er ensartet, der genereres ingen stor stress, og arbejdsfluidtemperaturen stiger ikke meget højt. Tofaset varmeoverførsel i mikrokanalkøling er et aktuelt forskningshotspot. Ved tofaset varmeoverførsel med lavtrykskølemiddel som arbejdsvæske kan varmeafledningskapaciteten nå op på mere end 300 W/cm2. Gennem eksperimenter har Yu Zukang et al. opnåede hydrofile overfladeegenskaber for effektivt at forbedre mikrokanalernes varmeoverførselsydelse. Under lav varmeflux og lav indløbstørhed er den gennemsnitlige varmeoverførselskoefficient for superhydrofile overflader den største, hvilket er 64 % højere end for almindelige glatte overflader. Den gennemsnitlige varmeoverførselskoefficient for den hydrofile overflade er op til 27% højere end den for den almindelige glatte overflade; under betingelser med høj varmeflux og høj indløbstørhed er den gennemsnitlige varmeoverførselskoefficientværdi for den superhydrofile overflade op til omkring 80% højere end den for den almindelige glatte overflade. Den hydrofile overflade er op til omkring 50 % højere end den normale glatte overflade. Figur 1 viser strukturen af ​​mikrokanalkøling.

Critical Heat Flux (CHF) er en af ​​de vigtige parametre, der påvirker ydeevnen af ​​mikrokanaler. Yuan Xudong og andre introducerede i detaljer CHF's forskningsfremskridt og introducerede dens påvirkningsmekanisme og forbedringsmetoder i detaljer, såvel som CHF, der findes i den akademiske verden. Forskelle i meninger. På grund af mikrokanalens lille størrelse er modstanden undervejs meget stor; dens struktur har også stor indflydelse på afkølingen, og brugen af ​​lige og parallelle mikrokanaler vil forårsage et stort trykfald og temperaturgradient. Det har mange fordele. Fordi kanalerne er ætset og ikke optager mere plads, bliver mikrokanalkølingen mere effektiv og kompakt, og den er mere velegnet til små elektroniske chips. Det antages generelt, at dobbeltlags mikroradiatoren kan imødekomme den stigende varmebelastning fra næste generation af elektronisk udstyr. Xiaogang Liu et al. foreslået dobbeltlagsmatrixstrukturen (DL-M) og dobbeltlagsforbindelsesmatrixstrukturen (DL-IM) af mikrokanaler. Og gennem numerisk simulering for at studere radiatorens forskellige ydeevne, er det bevist, at de har bedre termisk ydeevne.

Selvom der er visse mangler ved mikrokanalkøling, kan det løse de problemer, der er opstået, og udviklingen er mere moden. Selvom forskningen i CHF har forskellige synspunkter, vil dette ikke hindre udviklingen af ​​mikrokanalteknologi, og den fremtidige udviklingsretning vil være mere fokuseret. Hvordan man forbedrer CHF for at opnå mere effektiv mikrokanalkøling, denne form for varmeafledningsmetode vil også blive mere populær.

1.1.2 Spraykøling Spraykøling er at forstøve væsken gennem en dyse for at danne en gas-væske tofaset spray til den elektroniske enhed. En del af det optager varme og fordamper, og en del af varmen tages væk ved faseskift; den anden del danner en væskefilm på varmekildens overflade, og varmen følger væsken. Membranens flow fjernes. Den ikke-kondenserbare gas i væskefilmen øger forstyrrelsen af ​​varmevekslingen, hvilket i høj grad kan forbedre elektronisk udstyrs varmeafledningskapacitet. Faseændringsvarmevarmefluxtætheden for spraykøling kan nå mere end 1000 W/cm2. Lin et al. brugt fluorcarbon, methanol og vand som arbejdsvæsker til faseskiftevarme. Den maksimale varmefluxtæthed opnået gennem eksperimenter var henholdsvis 90, 90 og 90. 490, 500 W/cm2 eller mere. Figur 2 er et skematisk diagram af spray-køling.

Denne kølemetode har visse mangler, der skal løses. Spraykølemetoden har et komplekst system, høje pladskrav og er svær at vedligeholde. På grund af dens lille væskeflowhastighed, ensartede spåntemperaturfordeling efter afkøling og lave belastninger betragtes spraykøling som en varmeafledningsmetode for elektroniske chips med godt udviklingspotentiale. På nuværende tidspunkt, fordi de eksisterende problemer ikke er løst, kan det kun bruges i militær- og luftfartsprodukter. Wang Gaoyuan et al. udførte sprøjtekølingseksperimenter på R134a under lavtryksforhold, og fandt ud af, at spraykøling under lavtryksforhold gradvist reducerer varmeoverførselskapaciteten med faldet i trykket, og lynfordampning har stor indflydelse på varmeoverførselskapaciteten, hvilket skal tages i betragtning, når der arrangeres dyser. Tilsætning af nanopartikler, overfladeaktive stoffer, opløselige salte og gasser og alkoholadditiver til spraykølevæsken kan i høj grad forbedre varmeoverførselsegenskaberne. Li Yiyi bekræftede gennem eksperimenter, at tilsætning af overfladeaktive stoffer effektivt kan forbedre varmeoverførselsydelsen ved spraykøling, især tilsætning af SDS har den bedste effekt. Den nuværende metode til at tilføje additiver er dog stadig i sin vorden, og de eksisterende problemer er mere komplicerede.

Spraykøling er begrænset af pladsen og kan ikke bruges i små elektroniske enheder, men effekten er meget god, når den bruges i supercomputere. På nuværende tidspunkt anvendes spray-køleteknologi på CREY-supercomputere og bruges også i stor skala i datacentre. Med udviklingen af ​​denne kølemetode, menes det, at applikationen vil være mere moden.

Ovenstående tre metoder til afledning af væskevarme har deres egne fordele og ulemper. Spray-køling og jet-køling ligner hinanden. Deres strukturer er meget komplekse og ikke egnede til dagligt elektronisk udstyr. De har dog stærke varmeafledningsevner. Spraykøling er velegnet til supercomputere, I big data varmeafledning; jetkøling er velegnet til militær-industrielle genstande, såsom kampfly, fly osv. Disse to varmeafledningsmetoder kan ikke erstattes i de senere år. Mikrokanalkøling er den generelle retning for fremtidig udvikling, uanset om det er i dagligt elektronisk udstyr eller andre præcisions elektroniske instrumenter, vil denne metode blive vedtaget.