Nueva tecnología para la disipación de calor de equipos electrónicos.
La miniaturización y precisión gradual de los equipos electrónicos ha provocado el problema de la disipación de calor. La temperatura tiene una gran influencia en el funcionamiento de los equipos electrónicos. Para un chip electrónico de trabajo estable y continuo, la temperatura máxima no puede exceder los 85 ℃ como se requiere. Cada vez que la temperatura de un componente semiconductor aumenta en 10 ℃, la confiabilidad del sistema se reducirá en un 50%. Según las estadísticas, más del 55% de las fallas de los equipos electrónicos se deben a una temperatura excesiva. En el chip electrónico tradicional, el volumen usado para enfriar representa el 98% y solo el 2% se usa para la operación de computación, pero aún es difícil resolver el problema actual de disipación de calor. Las altas temperaturas tendrán un efecto dañino en el rendimiento de los equipos electrónicos, y esos métodos tradicionales de disipación de calor tienen ciertas limitaciones. Por lo tanto, para garantizar la vida útil y el rendimiento eficiente de los equipos electrónicos, es urgente explorar y desarrollar mejores métodos de disipación de calor para equipos electrónicos.
01 Tecnología de enfriamiento El método tradicional de disipación de calor se ve a menudo en nuestra vida diaria, porque el desarrollo actual es muy maduro y el principio es simple, por lo que no lo repetiré aquí.
1.1 Refrigeración líquida
La refrigeración líquida utiliza el líquido que pasa a través de la fuente de calor para eliminar el calor generado por el chip, sin ruido, y tiene una alta capacidad de intercambio de calor. Los siguientes son varios métodos de enfriamiento líquido que son nuevas tecnologías que se basan en la extensión del enfriamiento líquido directo tradicional.
1.1.1 Refrigeración por microcanales
El enfriamiento por microcanales consiste en grabar múltiples canales de fluido a nivel micrométrico en el sustrato debajo del chip, de modo que el calor del chip se absorba cuando el fluido fluye a través del canal. Este método incluye intercambio de calor monofásico e intercambio de calor bifásico. Entre ellos, la capacidad calorífica del intercambio de calor monofásico es pequeña, el efecto de intercambio de calor es deficiente y la temperatura después del enfriamiento es desigual, lo que genera un estrés excesivo. Por el contrario, el intercambio de calor de dos fases tiene un gran calor latente, la capacidad de intercambio de calor es alta, la temperatura después del enfriamiento es uniforme, no se genera una gran tensión y la temperatura del fluido de trabajo no aumenta demasiado. La transferencia de calor de dos fases en el enfriamiento de microcanales es un punto caliente de investigación actual. En la transferencia de calor de dos fases que utiliza refrigerante a baja presión como fluido de trabajo, la capacidad de disipación de calor puede alcanzar más de 300 W / cm2. Mediante experimentos, Yu Zukang et al. obtuvo propiedades hidrofílicas de la superficie para mejorar eficazmente el rendimiento de transferencia de calor de los microcanales. Bajo flujo de calor bajo y sequedad de entrada baja, el coeficiente de transferencia de calor promedio de las superficies superhidrófilas es el más grande, que es un 64% más alto que el de las superficies lisas ordinarias. El coeficiente de transferencia de calor promedio de la superficie hidrófila es hasta un 27% más alto que el de la superficie lisa ordinaria; En las condiciones de alto flujo de calor y alta sequedad de entrada, el valor medio del coeficiente de transferencia de calor de la superficie superhidrófila es hasta aproximadamente un 80% más alto que el de la superficie lisa ordinaria. La superficie hidrófila es hasta aproximadamente un 50% más alta que la superficie lisa normal. La figura 1 muestra la estructura del enfriamiento por microcanales.
El flujo de calor crítico (CHF) es uno de los parámetros importantes que afectan el rendimiento de los microcanales. Yuan Xudong y otros presentaron el progreso de la investigación de CHF en detalle, y presentaron su mecanismo de influencia y métodos de mejora en detalle, así como el CHF existente en el mundo académico. Diferencias de opiniones. Debido al pequeño tamaño del microcanal, la resistencia en el camino es muy grande; su estructura también tiene una gran influencia en el enfriamiento, y el uso de microcanales rectos y paralelos provocará una gran caída de presión y gradiente de temperatura. Tiene muchas ventajas. Debido a que los canales están grabados y no ocupan más espacio, el enfriamiento del microcanal se vuelve más eficiente y compacto, y es más adecuado para pequeños chips electrónicos. En general, se cree que el micro radiador de doble capa puede satisfacer la creciente carga de calor de la próxima generación de equipos electrónicos. Xiaogang Liu y col. propuso la estructura de matriz de doble capa (DL-M) y la estructura de matriz de interconexión de doble capa (DL-IM) de microcanales. Y a través de la simulación numérica para estudiar los distintos rendimientos del radiador, se demuestra que tienen un mejor rendimiento térmico.
Aunque existen ciertas deficiencias en el enfriamiento de microcanales, puede resolver los problemas que han surgido y el desarrollo es más maduro. Aunque la investigación sobre CHF tiene diferentes puntos de vista, esto no obstaculizará el desarrollo de la tecnología de microcanales, y la dirección del desarrollo futuro estará más centrada. Cómo mejorar el CHF para lograr un enfriamiento de microcanales más eficiente, este tipo de método de disipación de calor también se volverá más popular.
1.1.2 Enfriamiento por atomización El enfriamiento por atomización consiste en atomizar el líquido a través de una boquilla para formar un atomizador de dos fases gas-líquido en el dispositivo electrónico. Una parte absorbe calor y se vaporiza, y parte del calor se elimina por cambio de fase; la otra parte forma una película líquida en la superficie de la fuente de calor, y el calor sigue al líquido. Se quita el flujo de la membrana. El gas no condensable en la película líquida mejora la perturbación del intercambio de calor, lo que puede mejorar en gran medida la capacidad de disipación de calor de los equipos electrónicos. La densidad del flujo de calor por cambio de fase del enfriamiento por pulverización puede alcanzar más de 1000 W / cm2. Lin y col. usó fluorocarbono, metanol y agua como fluidos de trabajo para el calor de cambio de fase. La densidad máxima de flujo de calor obtenida a través de experimentos fue 90, 90 y 90, respectivamente. 490, 500 W / cm2 o más. La figura 2 es un diagrama esquemático del enfriamiento por pulverización.
Este método de enfriamiento tiene ciertas deficiencias que deben solucionarse. El método de enfriamiento por aspersión tiene un sistema complejo, grandes requisitos de espacio y es difícil de mantener. Debido a su pequeño caudal de líquido, distribución uniforme de la temperatura del chip después del enfriamiento y bajo estrés, el enfriamiento por pulverización se considera un método de disipación de calor para chips electrónicos con buen potencial de desarrollo. En la actualidad, debido a que los problemas existentes no se han resuelto, solo se puede utilizar en productos militares y de aviación. Wang Gaoyuan y col. llevó a cabo experimentos de enfriamiento por aspersión en R134a en condiciones de baja presión, y descubrió que el enfriamiento por aspersión en condiciones de baja presión reduce gradualmente la capacidad de transferencia de calor con la disminución de la presión, y la evaporación instantánea tiene una gran influencia en la capacidad de transferencia de calor, que debe tenerse en cuenta al organizar boquillas. La adición de nanopartículas, tensioactivos, sales y gases solubles y aditivos de alcohol al fluido de enfriamiento por aspersión puede mejorar en gran medida las características de transferencia de calor. Li Yiyi verificó a través de experimentos que la adición de tensioactivos puede mejorar eficazmente el rendimiento de transferencia de calor del enfriamiento por pulverización, especialmente la adición de SDS tiene el mejor efecto. Sin embargo, el método actual de añadir aditivos está todavía en pañales y los problemas existentes son más complicados.
El enfriamiento por atomización está restringido por el espacio y no se puede usar en pequeños dispositivos electrónicos, pero el efecto es muy bueno cuando se usa en supercomputadoras. En la actualidad, la tecnología de enfriamiento por pulverización se aplica a las supercomputadoras CREY y también se utiliza a gran escala en los centros de datos. Con el desarrollo de este método de enfriamiento, se cree que la aplicación será más madura.
Los tres métodos de disipación de calor líquido anteriores tienen sus propias ventajas y desventajas. El enfriamiento por pulverización y el enfriamiento por chorro son similares. Sus estructuras son muy complejas y no aptas para equipos electrónicos diarios. Sin embargo, tienen una gran capacidad de disipación de calor. El enfriamiento por pulverización es adecuado para supercomputadoras, en la disipación de calor de grandes datos; El enfriamiento por chorro es adecuado para artículos militares-industriales, como aviones de combate, aviones, etc. Estos dos métodos de disipación de calor no se pueden reemplazar en los últimos años. El enfriamiento por microcanales es la dirección general del desarrollo futuro, ya sea en equipos electrónicos diarios u otros instrumentos electrónicos de precisión, se adoptará este método.
