PCB es el núcleo de los equipos electrónicos, incluidas resistencias, chips, transistores, etc. El chip tiene el mayor poder de calentamiento. La CPU común es de 70 ~ 300 W, que es la principal fuente de calor. Debido a la alta integración de PCB, su poder calorífico sigue aumentando. Una temperatura excesivamente alta es gravemente perjudicial para el rendimiento, la confiabilidad y la vida útil de los equipos electrónicos.
Las fallas de componentes relacionadas con la temperatura incluyen fallas mecánicas y fallas eléctricas. La falla mecánica ocurre cuando los cambios de temperatura, la expansión y contracción térmica combinadas de varios materiales son diferentes, lo que resulta en deformación, fluencia, fractura, etc. del material. La falla eléctrica es un cambio en el rendimiento de los componentes causado por cambios de temperatura, como transistores, resistencias de chip, etc., que a su vez causan descontrol térmico y sobrecarga eléctrica. Al mismo tiempo, una gran cantidad de electrones migran y las vibraciones atómicas se aceleran debido a una temperatura excesiva, lo que resulta en una migración incontrolada de iones y un bombardeo electrónico de los átomos. Esto provoca contaminación iónica y electromigración y afectará gravemente a la seguridad, la estabilidad y la vida útil de los componentes.
La disipación de calor de los componentes se divide en nivel de chip, nivel de paquete y nivel de sistema. La disipación de calor a nivel de chip y paquete comienza con la optimización de materiales y procesos de fabricación para reducir la resistencia térmica. La disipación de calor a nivel del sistema consiste en utilizar una estructura de disipación de calor y tecnología de enfriamiento adecuadas para diseñar un sistema de disipación de calor que cumpla con los requisitos, a fin de garantizar que los componentes puedan funcionar de manera segura y durante mucho tiempo. La Organización Internacional para el Desarrollo de Tecnología de Semiconductores propone que el enfriamiento a nivel del sistema es la razón principal para limitar el crecimiento de las pérdidas de energía de los chips. Esto demuestra la importancia de las técnicas de enfriamiento a nivel de sistema de alto rendimiento.
Según dependa del cambio de fase del fluido de trabajo, se puede dividir en disipación de calor monofásica y disipación de calor multifásica. La disipación de calor monofásica incluye refrigeración por aire, refrigeración líquida , flujo por chorro y refrigeración termoeléctrica. La refrigeración por aire y la refrigeración líquida son más maduras y se utilizan más ampliamente, pero el efecto de disipación de calor es medio. El enfriamiento multifásico incluye PCM, heatpipes, electrohumectación y aspersión. En general, la disipación de calor multifásica absorbe una gran cantidad de calor latente debido al cambio de fase del fluido de trabajo y el efecto de disipación de calor es mejor, que es la dirección clave del desarrollo.
1. PCB componentescaracterísticas calor disipación de de Métodos y y de
El método de transferencia de calor de los componentes se puede resumir como la conducción de calor desde el chip hasta la carcasa del paquete. La parte inferior de la carcasa está conectada a la lámina de cobre de la PCB a través de cables, bolas de soldadura, etc. La lámina de cobre conduce el calor en el plano y espesor de la PCB. La transferencia de calor en la dirección del plano se realiza por conducción y convección. Sin embargo, la conducción de calor en la dirección del espesor debe pasar a través del material de resina del sustrato y su conductividad térmica es muy baja. Por lo tanto, a menudo se proporcionan vías recubiertas de cobre. Conecte diferentes capas de lámina de cobre en la PCB para mejorar su conductividad térmica en la dirección del espesor.
Tome la Figura 1 como ejemplo. La superficie superior del chip está conectada al disipador de calor y el calor se conduce hacia abajo hasta la lámina de cobre en la superficie superior de la PCB a través de las bolas de soldadura y el sustrato. Parte del calor se disipa mediante convección y conducción de calor en la dirección del plano, y el calor restante llega a la superficie inferior de la PCB a través de la vía térmica y se disipa mediante el disipador de calor.
2. Avances monofásicadisipación calor de de tecnología la en
El enfriamiento por aire se divide en convección natural y enfriamiento por aire forzado. El límite del flujo de calor es de aproximadamente 5 W/cm 2 . El enfriamiento por convección natural es deficiente pero de bajo costo. Se usa ampliamente en dispositivos de bajo flujo de calor como televisores, etc. La refrigeración por aire forzado tiene una fuerte disipación de calor, estructura simple, alta confiabilidad y se usa ampliamente en CPU, centros de datos, etc. Su investigación se centra en aletas de enfriamiento y optimización del control de flujo.
La refrigeración líquida funciona mejor que la refrigeración por aire porque la capacidad calorífica específica del líquido es mucho mayor que la del aire. Flujo de calor de refrigeración líquida convencional de hasta 24 W/cm 2. El flujo de calor de la refrigeración líquida por microcanales puede superar los W/cm 2. La refrigeración líquida incluye refrigeración por inmersión y Placas frías líquidas . El enfriamiento por inmersión consiste en sumergir el equipo en un refrigerante con una conductividad térmica fuerte y una conductividad débil. Se ha utilizado para enfriar centros de datos y estaciones base. Los parámetros operativos del enfriamiento por inmersión tienen una gran influencia en el efecto de enfriamiento. La circulación más rápida del sistema y la temperatura más baja del suministro de líquido favorecen el enfriamiento.
Las placas frías líquidas tienen menores requisitos de embalaje. Puede contactar directamente con los componentes y tiene más escenarios de aplicación. La optimización de la estructura del canal puede mejorar la transferencia de calor. Como se muestra en la Figura 2, el modelo optimizado reduce la resistencia al flujo al tiempo que mejora la disipación de calor. La temperatura máxima del TCP disminuyó un 0,27% y un 1,08%, respectivamente. La diferencia de temperatura disminuyó respectivamente un 19,50% y un 41,88%.
El microcanal es un nuevo tipo de placa fría líquida generalmente incrustada en una placa de metal. El diámetro equivalente está entre 10 y 1000 μm. Debido a su pequeño tamaño, fuerte disipación de calor y buena uniformidad de temperatura, se utiliza a menudo en el campo aeroespacial. Además de la optimización estructural, ajustar la distribución del flujo es más eficaz para reducir la resistencia térmica y el consumo de energía que simplemente aumentar el caudal, como el algoritmo para ajustar la entrada del microcanal según la distribución de temperatura. La investigación sobre nuevos fluidos de trabajo se centra en nanofluidos y metales líquidos. El metal líquido funciona mejor, pero consume más energía y es más corrosivo. El consumo de energía requerido por el nanofluido es similar al del agua, por lo que es un refrigerante ideal.
El flujo en chorro es un método de enfriamiento eficiente. Inicialmente se utilizó en motores aeroespaciales y más tarde también en chips de alta potencia. El flujo de calor supera los 500 W/cm 2. La dirección del flujo del chorro en el área del punto de estancamiento cambia y la eficiencia de transferencia de calor es alta, pero el efecto de enfriamiento disminuye rápidamente fuera de esta área. La estructura de múltiples boquillas puede resolver este problema. La investigación sobre refrigeración por chorro se centra en parámetros estructurales y fluidos de trabajo. Los parámetros estructurales incluyen el diámetro de la boquilla, la disposición, etc. Además, la estructura de la superficie de impacto también afecta el efecto de enfriamiento; por ejemplo, la superficie cónica puede aumentar el efecto de enfriamiento en un 11% en comparación con la superficie plana. En cuanto a los fluidos de trabajo, existen muchos estudios sobre nanofluidos y metales líquidos, que tienen mejor rendimiento que los fluidos tradicionales.
Como se muestra en la Figura 3, el enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier y los semiconductores se usan comúnmente como conductores. La refrigeración termoeléctrica tiene las ventajas de la miniaturización y la ausencia de ruido. Su flujo de calor es de hasta 15 W/cm 2, lo que es muy adecuado para PCB con espacio reducido. Su desventaja es la baja eficiencia de enfriamiento. Como respuesta a este problema, además de optimizar el intercambio de calor en los extremos caliente y frío, lo más importante es mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos. Las propiedades clave de los materiales termoeléctricos incluyen la conductividad térmica κ, el coeficiente de Seebeck α y la conductividad eléctrica σ, que juntas forman zT.
zT refleja las propiedades termoeléctricas del material. Generalmente, es necesario aumentar zT, como aumentar la conductividad eléctrica o disminuir la conductividad térmica. El dopado de diferentes materiales puede mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos, como el dopado de aleaciones en cristales de silicio para formar materiales eutécticos. Controlar la microestructura, como el tamaño de grano y las fases secundarias, también puede mejorar las propiedades termoeléctricas de la aleación. También es importante elegir la configuración de propiedad física adecuada. Simplemente aumentar α o disminuir κ puede mejorar zT, pero no necesariamente obtener un mejor efecto de enfriamiento.
3. Avances en la tecnología de disipación de calor multifásica
Un heatpipe es un elemento de transferencia de calor de gran capacidad con un flujo de calor superior a 200 W/cm2. Con su estructura compacta y alta confiabilidad, se usa ampliamente en equipos electrónicos terminales. El tubo de calor utiliza el medio de trabajo para evaporarse en el extremo endotérmico del tubo de vacío y licuarse en el extremo exotérmico para transferir calor. El material poroso del núcleo del tubo genera fuerza capilar para mantener la circulación del fluido de trabajo.
Los equipos electrónicos generalmente utilizan tubos de calor ultrafinos, que se pueden unir estrechamente a la superficie de los componentes, incluidos los tubos de calor planos (UFHP) y los tubos de calor de bucle (ULHP). Funcionan igual que los heatpipes tradicionales, con sólo ligeros cambios de forma y estructura. UFHP es un tubo de calor cilíndrico tradicional perforado en una placa plana ultrafina. El ULHP, como se muestra en la Figura 4, separa el líquido y el gas en sus respectivos canales para hacer la circulación más fluida. Tiene las ventajas de larga distancia y antigravedad.
El tubo de calor pulsante de placa plana (FPPHP) es un ULHP especial que no necesita un núcleo de tubo y tiene las características de estructura simple y miniaturización. FPPHP forma un circuito serpenteante entre las fuentes de frío y calor. Debido a la acción de la fuente de calor, la inestabilidad de la presión en el extremo de evaporación y en el extremo de condensación provoca un flujo bifásico complejo. El fluido de trabajo oscila espontáneamente en el canal para realizar la transferencia de calor.
Las cámaras de vapor son un tipo especial de UFHP. En comparación con los tubos de calor con transferencia de calor unidimensional, las cámaras de vapor tienen una mayor eficiencia de transferencia de calor y una mejor uniformidad de temperatura en superficies bidimensionales. Como se muestra en la Figura 5, tiene ventajas sobre el UFHP convencional.
La matriz es el núcleo para mantener la circulación del fluido de trabajo y también proporciona una interfaz para la transición de fase líquido-vapor. Por lo tanto, el arranque y el rendimiento de los heatpipes dependen principalmente de la estructura del núcleo, que se puede dividir en núcleo microranurado, núcleo sinterizado y estructura de núcleo compuesto. La optimización del núcleo tiene como objetivo principal mejorar la fuerza capilar, la permeabilidad y reducir el peso para mejorar la eficiencia del suministro de líquido. Otra clave del heatpipe es el fluido de trabajo. La resistencia térmica es mínima cuando el fluido de trabajo UFHP solo llena el núcleo y demasiado líquido dificulta el flujo de vapor. El medio de trabajo nanofluido tiene una mayor capacidad de cambio de fase, velocidad de flujo y fuerza impulsora del flujo.
Como componente flexible, los heatpipes suelen combinarse con otras tecnologías de disipación de calor para obtener mejores resultados. Tubo de calor: PCM es el más común. Además, existen cámaras de vapor - spray, heatpipes - refrigeración termoeléctrica, etc.
PCM tiene las ventajas de bajo costo, peso ligero y fuerte disipación de calor. Utiliza calor latente de cambio de fase para estabilizar la temperatura de los componentes. Por ejemplo, el PCM se funde y absorbe calor durante el período de máxima potencia y se solidifica y libera calor durante el período de baja potencia. El PCM necesita mejorar la conductividad térmica, como el PCM en microcápsulas, que aumenta el área de superficie específica del PCM para mejorar la conductividad térmica, y puede mejorarse aún más agregando nanomateriales, espuma metálica o grafito expandido. El PCM también se utiliza a menudo para llenar disipadores de calor porque las aletas ayudan a alejar el calor del PCM y el PCM también ayuda a las aletas a disipar el calor.
El PCM generalmente se combina con otros métodos de enfriamiento, como el tubo de calor - PCM, como se muestra en la Figura 6. El tubo de calor puede mejorar la conducción de calor del PCM y el PCM actúa como un condensador secundario para absorber parte de la disipación de calor del tubo de calor.
La electrohumectación tiene un bajo consumo de energía y una respuesta rápida, y es adecuada para todo tipo de chips. Como se muestra en la Figura 7, el movimiento y la deformación de la gota dieléctrica están controlados por electrodos y el cambio de fase absorbe calor en el punto caliente para eliminar el punto caliente local. Su disipación de calor puede alcanzar el nivel de microcanal. La forma de las gotas y la transición de fase afectan principalmente la transferencia de calor, que está relacionada con la intensidad del campo eléctrico, la frecuencia y la temperatura. La evaporación se puede promover aumentando la intensidad del campo eléctrico y la temperatura de la superficie.
Para promover la formación de una película líquida y reducir la fricción, es necesario optimizar la estructura y el material de la superficie de contacto de las gotas. Por ejemplo, el recubrimiento nanoporoso superhidrófilo puede promover la formación de una película líquida. Además, las nanopartículas pueden mejorar parámetros como el ángulo y el diámetro de contacto de las gotas, y aumentar la perturbación interna de las gotas para promover la transferencia de calor.
El spray tiene una alta disipación de calor y una gran capacidad de enfriamiento de área. El límite de flujo de calor alcanza los 1200 W/cm 2. El medio de trabajo forma pequeñas gotas a través de la boquilla, que impactan la superficie de calentamiento y sufren un cambio de fase para absorber el calor. La alteración de la película líquida por el impacto y el cambio de fase de la gota mejoran en gran medida la transferencia de calor. Los factores que afectan el enfriamiento por aspersión se dividen en parámetros operativos, características del refrigerante y características de la superficie de calentamiento.
Los parámetros operativos incluyen caudal, diámetro de las gotas, dirección de pulverización, etc. Disminuir el diámetro de las gotas promueve la evaporación más que aumentar la velocidad de las gotas. En la práctica, se suele utilizar una pulverización con múltiples boquillas. La ubicación de las boquillas también es un factor. Cuantas más boquillas, mayor será la presión de inyección y más rápida será la velocidad de enfriamiento. La aplicación de un campo eléctrico puede dividir las gotas en gotas finas con una superficie específica más grande para mejorar la transferencia de calor. Bajo el control del campo eléctrico, la disipación de calor por electropulverización de diferentes formas se puede aumentar 2,8 veces.
Además de los nanofluidos, las mezclas de alcohol y agua y los tensioactivos también pueden mejorar la disipación del calor. El alcohol-agua puede reducir significativamente la tensión superficial de las gotas y el ángulo de contacto. Los tensioactivos reducen la tensión superficial de las gotas y aumentan su diámetro. La película líquida puede espesarse más rápido, lo que favorece el flujo de la película líquida para eliminar el calor. La superficie de calentamiento, es decir, la optimización de la estructura de la superficie, como la estructura de ranura recta, puede mejorar el efecto de transferencia de calor en un 64,2%. Al aumentar la microrrugosidad de la superficie, la transferencia de calor se puede mejorar en aproximadamente un 116%. La transferencia de calor se puede mejorar aún más agregando microrugosidad a la superficie de la aleta.
4. de desarrollo Dirección de la para calor de disipación de PCB y componentestecnología
La optimización de estructuras como las aletas puede mejorar la turbulencia de la capa límite para mejorar la transferencia de calor, pero también con una mayor resistencia al flujo. Para resolver este problema de múltiples objetivos, el foco de la investigación es mejorar la transferencia de calor y al mismo tiempo reducir el consumo de energía. Los experimentos ortogonales, los algoritmos genéticos y la topología se utilizan comúnmente para optimizar la estructura del radiador y los parámetros operativos. La microestructura de la superficie del radiador también influye significativamente en la generación de burbujas en el enfriamiento ebullente y en el ángulo de contacto de las gotas en la pulverización, etc.
Los nanofluidos tienen una alta conductividad térmica y pueden usarse en la mayoría de las tecnologías de enfriamiento. Mantener la estabilidad de los nanofluidos es una cuestión clave. Los métodos para la estabilización a corto plazo de nanofluidos incluyen sonicación, cambio del pH y adición de dispersantes. Aún es necesario explorar métodos para mantener la estabilidad de los nanofluidos a largo plazo. La concentración, el tipo, el tamaño, etc. de las nanopartículas afectarán el rendimiento de la transferencia de calor y el consumo de energía del flujo. Una alta concentración de partículas mejorará la transferencia de calor y brindará una mayor resistencia al flujo, y se necesita una gran cantidad de experimentos para determinar los parámetros óptimos. El uso de nanopartículas en materiales de gestión térmica puede mejorar el rendimiento de la transferencia de calor, que está relacionado con la concentración y la forma de las partículas. Actualmente, la incorporación de nanopartículas al PCM ha sido ampliamente estudiada. El uso de nanopartículas para materiales como interfaces térmicas, embalajes electrónicos, etc. necesita más investigación.
Para los escenarios de aplicación, se utilizan múltiples tecnologías de disipación de calor para ayudarse entre sí a lograr el efecto óptimo, proporcionando nuevas ideas para el desarrollo futuro de la refrigeración electrónica. Tradicionales como heat pipe-PCM, heat pipe-enfriamiento por aire, PCM-enfriamiento líquido, etc., a medida que se proponen más tecnologías de disipación de calor, la dirección del desarrollo es acoplar nuevas tecnologías. Los heatpipes y los PCM pueden ayudar de manera flexible a otras tecnologías y merecen más estudio.
Los PCB y los componentes altamente integrados tienden a generar una gran cantidad de calor en un corto período de tiempo y forman puntos calientes locales, y el sistema de enfriamiento debe responder rápidamente. Es más económico ajustar la distribución y el flujo del fluido refrigerante según la ubicación del punto caliente. Para ello, se requiere tecnología de control precisa, como microcanales que ajusten el tamaño de la entrada de líquido. Los campos eléctricos pueden controlar de forma precisa y flexible el flujo de líquidos dieléctricos, como la electrohumectación, la pulverización y otros escenarios. En el futuro, los campos eléctricos podrán utilizarse para controlar el flujo en más aplicaciones.
Los equipos electrónicos actuales se enfrían principalmente por aire. El diseño de la disposición de los componentes puede optimizar la disipación de calor, como la disposición de vías térmicas para mejorar la conducción de calor longitudinal de la PCB. De acuerdo con el calentamiento y la resistencia al calor de los componentes, se disponen a lo largo del flujo de aire, y los componentes de alto calentamiento y resistencia al calor se colocan aguas abajo, y los componentes de bajo calentamiento y resistencia al calor se colocan aguas arriba. O considere la disposición del reflujo del flujo de aire causada por la altura de los componentes.
En la mayoría de los casos, el medio de trabajo fluye y la vibración y el ruido generados por las fluctuaciones de la presión del fluido, el desprendimiento de corrientes parásitas y la separación turbulenta límite en la planta de energía no favorecen el trabajo a largo plazo de los equipos electrónicos. Si mejora la vibración del ventilador, es necesario ajustar el ángulo del viento de acuerdo con el campo de flujo para reducir la velocidad de las aspas. El desarrollo de nuevos dispositivos de potencia, como palas piezoeléctricas con flexión y resonancia, no sólo puede reducir la vibración y el ruido, sino también satisfacer las necesidades de peso ligero y miniatura.
5. Conclusión
Debido a la alta integración y alta potencia de las placas de circuito PCB y sus componentes electrónicos, el problema de la falla térmica de los equipos electrónicos se ha vuelto gradualmente prominente y se ha convertido en la clave para restringir el desarrollo de la tecnología electrónica. Aquí presentamos la disipación de calor a nivel de sistema de las placas de circuito PCB y sus componentes electrónicos. tecnología. Se divide en tecnología de disipación de calor monofásica y tecnología de disipación de calor multifásica, y analiza el progreso de la investigación en refrigeración por aire, refrigeración líquida, flujo de chorro, refrigeración termoeléctrica, tubería de calor, PCM, electrohumectación y pulverización. Las investigaciones existentes optimizan principalmente la estructura de disipación de calor, los parámetros operativos, los materiales y fluidos de trabajo y el acoplamiento de la tecnología de disipación de calor. Finalmente, se presentan varias prioridades de desarrollo, incluido el diseño de disipadores de calor, aplicación de nanopartículas, acoplamiento de tecnología de disipación de calor, tecnología de control de precisión, diseño de PCB, reducción de vibraciones y reducción de ruido, y se brindan sugerencias para un mayor desarrollo.
