Печатная плата является основой электронного оборудования, включая резисторы, микросхемы, транзисторы и т. д. Чип имеет самую высокую мощность нагрева. Общий процессор мощностью 70 ~ 300 Вт является основным источником тепла. Благодаря высокой интеграции печатной платы ее тепловая мощность продолжает увеличиваться. Чрезмерно высокая температура серьезно ухудшает производительность, надежность и срок службы электронного оборудования.
К отказам компонентов, связанным с температурой, относятся механические и электрические неисправности. Механический отказ — это когда изменение температуры, совокупное тепловое расширение и сжатие различных материалов различны, что приводит к деформации материала, текучести, разрушению и т. д. Электрический отказ — это изменение характеристик компонентов, вызванное изменениями температуры, таких как транзисторы, чип-резисторы и т. д., которые, в свою очередь, вызывают тепловой разгон и электрическую перегрузку. В то же время большое количество электронов мигрирует, а колебания атомов ускоряются из-за чрезмерной температуры, что приводит к неконтролируемой миграции ионов и бомбардировке атомов электронами. Это вызывает ионное загрязнение и электромиграцию и серьезно влияет на безопасность, стабильность и срок службы компонентов.
Тепловыделение компонентов делится на уровень чипа, уровень корпуса и уровень системы. Отвод тепла на уровне чипа и корпуса начинается с оптимизации материалов и производственных процессов для снижения термического сопротивления. Отвод тепла на уровне системы заключается в использовании соответствующей структуры рассеивания тепла и технологии охлаждения для разработки системы отвода тепла, соответствующей требованиям, чтобы гарантировать безопасную и длительную работу компонентов. Международная организация по развитию полупроводниковых технологий предполагает, что охлаждение на уровне системы является основной причиной ограничения роста энергетических потерь чипа. Это демонстрирует важность высокопроизводительных методов охлаждения на уровне системы.
В зависимости от того, зависит ли это от фазового перехода рабочей жидкости, его можно разделить на однофазное тепловыделение и многофазное тепловыделение. Однофазный отвод тепла включает воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение , струйное охлаждение и термоэлектрическое охлаждение. Воздушное и жидкостное охлаждение более зрелые и широко используются, но эффект рассеивания тепла средний. Многофазное охлаждение включает PCM, тепловые трубки, электросмачивание и распыление. В целом, многофазное рассеивание тепла поглощает большое количество скрытого тепла из-за фазового изменения рабочей жидкости, и эффект рассеивания тепла лучше, что является ключевым направлением развития.
1. и компоненты , тепларассеивания методы и характеристики ПХД
Метод теплопередачи компонентов можно резюмировать как теплопроводность от чипа к корпусу корпуса. Нижняя часть корпуса соединена с медной фольгой печатной платы через выводы, шарики припоя и т. д. Медная фольга проводит тепло в плоскости и толщине печатной платы. Передача тепла в плоском направлении осуществляется за счет теплопроводности и конвекции. Однако теплопроводность в направлении толщины должна проходить через полимерный материал подложки, и его теплопроводность очень низкая. Поэтому часто предусматриваются медные переходные отверстия. Соедините разные слои медной фольги на печатной плате, чтобы улучшить ее теплопроводность в направлении толщины.
В качестве примера возьмем рисунок 1. Верхняя поверхность чипа соединена с радиатором, и тепло передается вниз к медной фольге на верхней поверхности печатной платы через шарики припоя и подложку. Часть тепла рассеивается за счет конвекции и теплопроводности в плоском направлении, а оставшееся тепло достигает нижней поверхности печатной платы через тепловое отверстие и рассеивается радиатором.
2. Достижения однофазной тепларассеивания технологии области в
Воздушное охлаждение делится на естественную конвекцию и принудительное воздушное охлаждение. Предел теплового потока составляет около 5 Вт/см 2 . Охлаждение с помощью естественной конвекции является плохим, но недорогим. Он широко используется в устройствах с низким тепловым потоком, таких как телевизоры и т. д. Принудительное воздушное охлаждение имеет сильное рассеивание тепла, простую структуру, высокую надежность и широко используется в процессорах, центрах обработки данных и т. д. Его исследования сосредоточены на охлаждающих ребрах и оптимизации управления потоком.
Жидкостное охлаждение работает лучше, чем воздушное, поскольку удельная теплоемкость жидкости намного больше, чем у воздуха. Тепловой поток обычного жидкостного охлаждения до 24 Вт/см 2. Тепловой поток микроканального жидкостного охлаждения может превышать Вт/см 2. Жидкостное охлаждение включает в себя иммерсионное охлаждение и жидкостные холодные пластины . Иммерсионное охлаждение заключается в погружении оборудования в охлаждающую жидкость с высокой и слабой теплопроводностью. Его использовали для охлаждения центров обработки данных и базовых станций. Большое влияние на охлаждающий эффект оказывают рабочие параметры иммерсионного охлаждения. Более быстрая циркуляция системы и более низкая температура подачи жидкости способствуют охлаждению.
Жидкостные холодные плиты предъявляют более низкие требования к упаковке. Он может напрямую контактировать с компонентами и имеет больше сценариев применения. Оптимизация структуры каналов может улучшить теплообмен. Как показано на рисунке 2, оптимизированная модель снижает сопротивление потоку, одновременно улучшая рассеивание тепла. Максимальная температура ТКП снизилась на 0,27% и 1,08% соответственно. Разница температур соответственно уменьшилась на 19,50% и 41,88%.
Микроканал — это новый тип пластины для охлаждения жидкости, обычно встроенной в металлическую пластину. Эквивалентный диаметр составляет от 10 до 1000 мкм. Благодаря небольшому размеру, сильному рассеиванию тепла и хорошей однородности температуры он часто используется в аэрокосмической области. Помимо структурной оптимизации, регулировка распределения потока более эффективна для снижения термического сопротивления и энергопотребления, чем простое увеличение скорости потока, как, например, алгоритм регулировки входного микроканала в соответствии с распределением температуры. Исследования новых рабочих жидкостей сосредоточены на наножидкостях и жидких металлах. Жидкий металл работает лучше, но он более энергозатратен и агрессивен. Потребление энергии, необходимое для наножидкости, аналогично энергопотреблению воды, поэтому она является идеальным хладагентом.
Струйный поток является эффективным методом охлаждения. Первоначально он использовался в аэрокосмических двигателях, а затем и в мощных чипах. Тепловой поток превышает 500 Вт/см 2. Направление струйного течения в области критической точки меняется, эффективность теплопередачи высока, но при удалении от этой области охлаждающий эффект быстро снижается. Многосопловая конструкция может решить эту проблему. Исследования струйного охлаждения сосредоточены на структурных параметрах и рабочих жидкостях. К структурным параметрам относятся диаметр сопла, массив и т. д. Кроме того, структура ударной поверхности также влияет на эффект охлаждения, например, коническая поверхность может увеличить эффект охлаждения на 11% по сравнению с плоской поверхностью. Что касается рабочих жидкостей, существует множество исследований наножидкостей и жидких металлов, которые имеют лучшие характеристики, чем традиционные жидкости.
Как показано на рисунке 3, термоэлектрическое охлаждение использует эффект Пельтье, а в качестве проводников обычно используются полупроводники. Преимуществом термоэлектрического охлаждения является миниатюризация и отсутствие шума. Его тепловой поток составляет до 15 Вт/см 2, что очень подходит для печатных плат небольшого размера. Его недостатком является низкая эффективность охлаждения. В ответ на эту проблему, помимо оптимизации теплообмена на горячем и холодном концах, самым важным является улучшение характеристик термоэлектрических материалов. Ключевые свойства термоэлектрических материалов включают теплопроводность κ, коэффициент Зеебека α и электропроводность σ, которые вместе составляют zT.
zT отражает термоэлектрические свойства материала. Обычно необходимо увеличить zT, например, увеличив электропроводность или уменьшив теплопроводность. Легирование различных материалов может улучшить характеристики термоэлектрических материалов, например, легирование сплавами кристаллов кремния для образования эвтектических материалов. Контроль микроструктуры, такой как размер зерна и вторичные фазы, также может улучшить термоэлектрические свойства сплава. Также важно выбрать соответствующую конфигурацию физических свойств. Простое увеличение α или уменьшение κ может улучшить zT, но не обязательно улучшить эффект охлаждения.
3. Достижения в области многофазной технологии рассеивания тепла
Тепловая трубка — это высокоэффективный теплообменный элемент с тепловым потоком более 200 Вт/см2. Благодаря компактной конструкции и высокой надежности он широко используется в терминальном электронном оборудовании. Тепловая трубка использует рабочую среду для испарения на эндотермическом конце вакуумной трубки и сжижения на экзотермическом конце для передачи тепла. Пористый материал сердцевины трубки создает капиллярную силу, обеспечивающую циркуляцию рабочей жидкости.
В электронном оборудовании обычно используются ультратонкие тепловые трубки, которые можно плотно прикрепить к поверхности компонентов, включая плоские тепловые трубки (UFHP) и петлевые тепловые трубки (ULHP). Они работают так же, как традиционные тепловые трубки, с небольшими изменениями в форме и структуре. UFHP — это традиционная цилиндрическая тепловая трубка, врезанная в ультратонкую плоскую пластину. ULHP, как показано на рисунке 4, разделяет жидкость и газ в соответствующих каналах, чтобы сделать циркуляцию более плавной. Он имеет преимущества большого расстояния и антигравитации.
Плоская пульсирующая тепловая труба (FPPHP) представляет собой специальную ULHP, которая не требует трубчатого сердечника и отличается простой структурой и миниатюризацией. FPPHP образует змеевидную петлю между источниками холода и тепла. Из-за действия источника тепла нестабильность давления на испарительном и конденсационном концах приводит к возникновению сложного двухфазного потока. Рабочее тело самопроизвольно колеблется в канале, осуществляя теплообмен.
Испарительные камеры представляют собой особый тип УФХП. По сравнению с тепловыми трубками с одномерной передачей тепла, паровые камеры имеют более высокую эффективность теплопередачи и лучшую однородность температуры на двумерных поверхностях. Как показано на рисунке 5, он имеет преимущества перед обычным UFHP.
Матрица является ядром для поддержания циркуляции рабочей жидкости, а также обеспечивает интерфейс для фазового перехода жидкость-пар. Таким образом, запуск и производительность тепловых трубок в основном зависят от структуры сердечника, который можно разделить на сердечник с микрорифлением, спеченный сердечник и композитный сердечник. Оптимизация сердцевины направлена главным образом на улучшение капиллярной силы, проницаемости и снижение веса для повышения эффективности доставки жидкости. Еще одним ключом к тепловой трубке является рабочая жидкость. Термическое сопротивление наименьшее, когда рабочее тело УФГП заполняет только активную зону, а слишком большое количество жидкости препятствует прохождению пара. Рабочая среда наножидкости имеет более сильную способность к изменению фазы, скорости потока и движущей силе потока.
В качестве гибкого компонента тепловые трубки часто сочетаются с другими технологиями рассеивания тепла для достижения лучших результатов. Тепловая трубка – PCM является наиболее распространенной. Кроме того, имеются испарительные камеры – распыления, тепловые трубки – термоэлектрического охлаждения и т. д.
PCM имеет такие преимущества, как низкая стоимость, легкий вес и сильное рассеивание тепла. Он использует скрытую теплоту фазового перехода для стабилизации температуры компонентов. Например, PCM плавится и поглощает тепло в период пиковой мощности, а также затвердевает и выделяет тепло в период низкого энергопотребления. ПКМ необходимо улучшить теплопроводность, например, микрокапсульный ПКМ, который увеличивает удельную поверхность ПКМ для повышения теплопроводности и может быть дополнительно улучшен за счет добавления наноматериалов, металлической пены или расширенного графита. PCM также часто используется для заполнения радиаторов, поскольку ребра помогают отводить тепло от PCM, а PCM также помогает ребрам рассеивать тепло.
PCM обычно сочетается с другими методами охлаждения, такими как тепловая трубка - PCM, как показано на рисунке 6. Тепловая трубка может улучшить теплопроводность PCM, а PCM действует как вторичный конденсатор для поглощения части тепла, рассеиваемого тепловой трубкой.
Электросмачивание отличается низким энергопотреблением и быстрым откликом и подходит для всех видов стружки. Как показано на рисунке 7, движение и деформация диэлектрической капли контролируются электродами, а фазовый переход поглощает тепло в горячей точке, чтобы устранить локальную горячую точку. Его тепловыделение может достигать уровня микроканалов. Форма капли и фазовый переход в основном влияют на теплообмен, который связан с напряженностью электрического поля, частотой и температурой. Испарению можно способствовать за счет увеличения напряженности электрического поля и температуры поверхности.
Чтобы способствовать образованию жидкой пленки и уменьшить трение, необходимо оптимизировать структуру и материал контактной поверхности капли. Например, супергидрофильное нанопористое покрытие может способствовать образованию жидкой пленки. Кроме того, наночастицы могут улучшить такие параметры, как угол контакта капли и диаметр контакта, а также увеличить внутреннее возмущение капель, способствуя теплопередаче.
Распылитель имеет высокую теплоотдачу и охлаждающую способность большой площади. Предел теплового потока достигает 1200 Вт/см 2. Рабочая среда через сопло образует мельчайшие капли, которые ударяются о поверхность нагрева и претерпевают фазовый переход, поглощая тепло. Нарушение жидкой пленки при ударе и фазовый переход капли значительно усиливают теплообмен. Факторы, влияющие на распылительное охлаждение, делятся на рабочие параметры, характеристики охлаждающей жидкости и характеристики поверхности нагрева.
Рабочие параметры включают скорость потока, диаметр капель, направление распыления и т. д. Уменьшение диаметра капель способствует испарению в большей степени, чем увеличение скорости капель. На практике обычно используется распыление с несколькими форсунками. Расположение насадки также имеет значение. Чем больше форсунок, тем больше давление впрыска, тем выше скорость охлаждения. Применение электрического поля может разбить капли на мелкие капли с большей удельной поверхностью для улучшения теплопередачи. Под контролем электрического поля теплоотдача электрораспылением различных форм может быть увеличена в 2,8 раза.
Помимо наножидкостей, спирто-водные смеси, поверхностно-активные вещества также могут улучшить отвод тепла. Спирт-вода может значительно снизить поверхностное натяжение капель и угол смачивания. Поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностное натяжение капель и увеличивают их диаметр. Пленка жидкости может загустевать быстрее, что способствует потоку пленки жидкости, отводящему тепло. Поверхность нагрева, то есть оптимизация структуры поверхности, например, структура с прямыми канавками, может улучшить эффект теплопередачи на 64,2%. За счет увеличения микрошероховатости поверхности теплообмен можно повысить примерно на 116%. Теплопередачу можно дополнительно улучшить, добавив микрошероховатости поверхности ребер.
4. развития Направление технологии тепла рассеивания и печатных для компонентовплат
Оптимизация таких конструкций, как ребра, может усилить турбулентность пограничного слоя для улучшения теплопередачи, а также увеличения сопротивления потоку. Чтобы решить эту многоцелевую проблему, в центре внимания исследований находится улучшение теплопередачи при одновременном снижении энергопотребления. Для оптимизации структуры радиатора и рабочих параметров обычно используются ортогональные эксперименты, генетические алгоритмы и топология. Микроструктура поверхности радиатора также существенно влияет на образование пузырьков при кипящем охлаждении, угол контакта капель при распылении и т. д.
Наножидкости обладают высокой теплопроводностью и могут использоваться в большинстве технологий охлаждения. Поддержание стабильности наножидкостей является ключевым вопросом. Методы кратковременной стабилизации наножидкостей включают обработку ультразвуком, изменение pH и добавление диспергаторов. Еще предстоит изучить методы поддержания стабильности наножидкостей в долгосрочной перспективе. Концентрация, тип, размер и т. д. наночастиц будут влиять на эффективность теплопередачи и энергопотребление потока. Высокая концентрация частиц улучшит теплопередачу и обеспечит большее сопротивление потоку, поэтому для определения оптимальных параметров необходимо большое количество экспериментов. Использование наночастиц в материалах для терморегулирования может улучшить характеристики теплопередачи, что зависит от концентрации и формы частиц. В настоящее время включение наночастиц в ПКМ широко изучается. Использование наночастиц для таких материалов, как термоинтерфейсы, электронная упаковка и т. д., требует дополнительных исследований.
В сценариях применения используются несколько технологий рассеивания тепла, которые помогают друг другу достичь оптимального эффекта, предлагая новые идеи для будущего развития электронного охлаждения. Традиционные, такие как тепловая трубка-PCM, тепловая трубка-воздушное охлаждение, PCM-жидкостное охлаждение и т. д., поскольку предлагается больше технологий рассеивания тепла, направлением развития является объединение новых технологий. Тепловые трубки и PCM могут гибко использоваться в других технологиях и заслуживают дальнейшего изучения.
Высокоинтегрированные печатные платы и компоненты имеют тенденцию выделять большое количество тепла за короткий период времени и образовывать локальные горячие точки, поэтому система охлаждения должна реагировать быстро. Экономичнее регулировать распределение и расход охлаждающей жидкости в зависимости от расположения горячей точки. Для этого необходимы технологии точного управления, такие как микроканалы, которые регулируют размер впускного отверстия для жидкости. Электрические поля могут точно и гибко контролировать поток диэлектрических жидкостей, например, электросмачивание, распыление и другие сценарии. В будущем электрические поля можно будет использовать для управления потоком в других приложениях.
Современное электронное оборудование в основном охлаждается воздухом. Проектирование компоновки компонентов может оптимизировать рассеивание тепла, например, путем размещения тепловых отверстий для улучшения продольной теплопроводности печатной платы. По нагреву и термостойкости компонентов они располагаются вдоль воздушного потока, компоненты с высоким нагревом и термостойкостью располагаются ниже по потоку, а компоненты с низким нагревом и термостойкостью располагаются вверх по потоку. Или рассмотрите схему обратного потока воздуха, обусловленную высотой компонентов.
В большинстве случаев рабочее тело является текущим, а вибрация и шум, создаваемые колебаниями давления жидкости, вихревыми токами и граничными турбулентными отрывами в силовой установке, не способствуют длительной работе электронного оборудования. Если вибрация вентилятора улучшилась, необходимо отрегулировать угол ветра в соответствии с полем потока, чтобы уменьшить скорость лопастей. Разработка новых силовых устройств, таких как пьезоэлектрические лопасти с изгибом и резонансом, позволяет не только снизить вибрацию и шум, но и удовлетворить потребности в легком весе и миниатюрности.
5. Заключение
Из-за высокой интеграции и высокой мощности печатных плат и их электронных компонентов проблема теплового отказа электронного оборудования постепенно стала заметной и стала ключом к ограничению развития электронных технологий. Здесь мы представляем тепловыделение на системном уровне печатных плат и их электронных компонентов. технология. Он разделен на технологию однофазного отвода тепла и технологию многофазного отвода тепла и обсуждает прогресс исследований в области воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения, струйного потока, термоэлектрического охлаждения, тепловой трубы, PCM, электросмачивания и распыления. Существующие исследования в основном оптимизируют структуру рассеивания тепла, рабочие параметры, материалы и рабочие жидкости, а также сочетание технологий рассеивания тепла. Наконец, выдвинуты несколько приоритетов развития, в том числе конструкция радиатора, применение наночастиц, соединение технологий рассеивания тепла, технология точного управления, проектирование печатных плат, снижение вибрации и шума, а также представлены предложения по дальнейшему развитию.
