Neue Technologie zur Wärmeableitung von elektronischen Geräten
Die allmähliche Miniaturisierung und Präzision elektronischer Geräte hat das Problem der Wärmeableitung mit sich gebracht. Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Arbeitsleistung elektronischer Geräte. Für einen stabilen und kontinuierlich arbeitenden elektronischen Chip darf die maximale Temperatur 85 ℃ nicht überschreiten, wie erforderlich. Jedes Mal, wenn die Temperatur eines Halbleiterbauelements um 10 ℃ ansteigt, verringert sich die Zuverlässigkeit des Systems um 50 %. Laut Statistik werden mehr als 55% der Ausfälle von elektronischen Geräten durch zu hohe Temperaturen verursacht. Beim herkömmlichen elektronischen Chip beträgt das Volumen für die Kühlung 98% und nur 2% werden für den Rechenbetrieb verwendet, aber es ist immer noch schwierig, das aktuelle Wärmeableitungsproblem zu lösen. Hohe Temperaturen wirken sich nachteilig auf die Leistung elektronischer Geräte aus, und diese traditionellen Wärmeableitungsmethoden haben bestimmte Einschränkungen. Um die Lebensdauer und die effiziente Leistung elektronischer Geräte sicherzustellen, ist es daher dringend erforderlich, bessere Wärmeableitungsverfahren für elektronische Geräte zu erforschen und zu entwickeln.
01 Kühltechnik Das traditionelle Wärmeableitungsverfahren wird in unserem täglichen Leben oft verwendet, da die aktuelle Entwicklung sehr ausgereift ist und das Prinzip einfach ist, so dass ich es hier nicht wiederholen werde.
1.1 Flüssigkeitskühlung
Die Flüssigkeitskühlung nutzt die durch die Wärmequelle strömende Flüssigkeit, um die vom Chip erzeugte Wärme geräuschlos abzuführen und hat eine hohe Wärmeaustauschkapazität. Im Folgenden sind mehrere Methoden der Flüssigkeitskühlung aufgeführt, bei denen es sich um neue Technologien handelt, die auf der traditionellen Erweiterung der direkten Flüssigkeitskühlung basieren.
1.1.1 Mikrokanalkühlung
Die Mikrokanalkühlung besteht darin, mehrere Flüssigkeitskanäle im Mikrometerbereich auf das Substrat unterhalb des Chips zu ätzen, so dass die Wärme des Chips absorbiert wird, wenn die Flüssigkeit durch den Kanal strömt. Dieses Verfahren umfasst einen einphasigen Wärmeaustausch und einen zweiphasigen Wärmeaustausch. Unter diesen ist die Wärmekapazität des einphasigen Wärmeaustauschs gering, der Wärmeaustauscheffekt ist schlecht und die Temperatur nach dem Abkühlen ist ungleichmäßig, was zu übermäßiger Spannung führt. Im Gegensatz dazu weist der zweiphasige Wärmeaustausch eine große latente Wärme auf, die Wärmeaustauschkapazität ist hoch, die Temperatur nach dem Abkühlen ist gleichmäßig, es wird keine große Spannung erzeugt und die Temperatur des Arbeitsfluids steigt nicht sehr hoch an. Die zweiphasige Wärmeübertragung bei der Mikrokanalkühlung ist ein aktueller Forschungsschwerpunkt. Bei der zweiphasigen Wärmeübertragung mit Niederdruck-Kältemittel als Arbeitsflüssigkeit kann die Wärmeableitungskapazität mehr als 300 W/cm2 erreichen. Durch Experimente haben Yu Zukang et al. erzielte hydrophile Oberflächeneigenschaften, um die Wärmeübertragungsleistung von Mikrokanälen effektiv zu verbessern. Bei niedrigem Wärmefluss und niedriger Einlasstrockenheit ist der durchschnittliche Wärmeübergangskoeffizient von superhydrophilen Oberflächen am größten, der 64% höher ist als der von gewöhnlichen glatten Oberflächen. Der durchschnittliche Wärmeübergangskoeffizient der hydrophilen Oberfläche ist bis zu 27% höher als der einer gewöhnlichen glatten Oberfläche; unter den Bedingungen eines hohen Wärmeflusses und einer hohen Eintrittstrockenheit ist der durchschnittliche Wärmeübergangskoeffizient der superhydrophilen Oberfläche bis zu etwa 80% höher als der einer gewöhnlichen glatten Oberfläche. Die hydrophile Oberfläche ist bis zu etwa 50 % höher als die normale glatte Oberfläche. Abbildung 1 zeigt den Aufbau der Mikrokanalkühlung.
Critical Heat Flux (CHF) ist einer der wichtigen Parameter, die die Leistung von Mikrokanälen beeinflussen. Yuan Xudong und andere stellten den Forschungsfortschritt der CHF im Detail vor und stellten dessen Einflussmechanismen und Verbesserungsmethoden im Detail vor, sowie die in der Wissenschaft existierende CHF. Meinungsverschiedenheiten. Aufgrund der geringen Größe des Mikrokanals ist der Widerstand auf dem Weg sehr groß; seine Struktur hat auch einen großen Einfluss auf die Kühlung, und die Verwendung von geraden und parallelen Mikrokanälen verursacht einen großen Druckabfall und Temperaturgradienten. Es hat viele Vorteile. Da die Kanäle geätzt sind und nicht mehr Platz beanspruchen, wird die Mikrokanalkühlung effizienter und kompakter und eignet sich besser für kleine elektronische Chips. Es wird allgemein angenommen, dass der doppelschichtige Mikroradiator der steigenden Wärmebelastung der nächsten Generation elektronischer Geräte gerecht werden kann. Xiaogang Liuet al. schlugen die Doppelschicht-Matrixstruktur (DL-M) und die Doppelschicht-Verbindungsmatrixstruktur (DL-IM) von Mikrokanälen vor. Und durch numerische Simulationen zur Untersuchung der verschiedenen Leistungen der Kühler wird bewiesen, dass sie eine bessere thermische Leistung aufweisen.
Obwohl die Mikrokanalkühlung gewisse Mängel aufweist, kann sie die aufgetretenen Probleme lösen und die Entwicklung ist ausgereifter. Obwohl die CHF-Forschung unterschiedliche Ansichten hat, wird dies die Entwicklung der Mikrokanaltechnologie nicht behindern und die zukünftige Entwicklungsrichtung wird fokussierter sein. Um CHF zu verbessern, um eine effizientere Mikrokanalkühlung zu erreichen, wird diese Art der Wärmeableitung ebenfalls immer beliebter.
1.1.2 Sprühkühlung Die Sprühkühlung dient dazu, die Flüssigkeit durch eine Düse zu zerstäuben, um einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasen-Spray auf das elektronische Gerät zu bilden. Ein Teil davon nimmt Wärme auf und verdampft, und ein Teil der Wärme wird durch Phasenwechsel abgeführt; der andere Teil bildet einen Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche der Wärmequelle, und die Wärme folgt der Flüssigkeit. Die Strömung der Membran wird weggenommen. Das nicht kondensierbare Gas im Flüssigkeitsfilm verstärkt die Störung des Wärmeaustauschs, wodurch die Wärmeableitungskapazität elektronischer Geräte erheblich verbessert werden kann. Die Phasenwechsel-Wärmestromdichte der Sprühkühlung kann mehr als 1000 W/cm2 erreichen. Linet al. verwendeten Fluorkohlenstoff, Methanol und Wasser als Arbeitsflüssigkeiten für die Phasenwechselwärme. Die durch Experimente erhaltene maximale Wärmestromdichte betrug 90, 90 bzw. 90. 490, 500 W/cm2 oder mehr. 2 ist ein schematisches Diagramm der Sprühkühlung.
Dieses Kühlverfahren weist bestimmte Mängel auf, die gelöst werden müssen. Das Sprühkühlverfahren ist systemkomplex, hat einen hohen Platzbedarf und ist schwer zu warten. Aufgrund des geringen Flüssigkeitsdurchflusses, der gleichmäßigen Chiptemperaturverteilung nach dem Abkühlen und der geringen Belastung gilt die Sprühkühlung als Wärmeableitungsverfahren für elektronische Chips mit gutem Entwicklungspotenzial. Da die bestehenden Probleme noch nicht gelöst sind, kann es derzeit nur in Militär- und Luftfahrtprodukten verwendet werden. Wang Gaoyuanet al. führten Sprühkühlungsexperimente mit R134a unter Niederdruckbedingungen durch und fanden heraus, dass die Sprühkühlung unter Niederdruckbedingungen die Wärmeübertragungskapazität mit abnehmendem Druck allmählich verringert und die Entspannungsverdampfung einen großen Einfluss auf die Wärmeübertragungskapazität hat, was bei der Anordnung berücksichtigt werden muss Düsen. Die Zugabe von Nanopartikeln, Tensiden, löslichen Salzen und Gasen sowie Alkoholadditiven zum Sprühkühlfluid kann die Wärmeübertragungseigenschaften stark verbessern. Li Yiyi hat durch Experimente bestätigt, dass die Zugabe von Tensiden die Wärmeübertragungsleistung der Sprühkühlung effektiv verbessern kann, insbesondere die Zugabe von SDS hat die beste Wirkung. Das derzeitige Verfahren zur Zugabe von Additiven steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und die bestehenden Probleme sind komplizierter.
Die Sprühkühlung ist räumlich begrenzt und kann in kleinen elektronischen Geräten nicht verwendet werden, aber die Wirkung ist sehr gut, wenn sie in Supercomputern verwendet wird. Derzeit wird die Sprühkühlungstechnologie auf CREY-Supercomputern angewendet und kommt auch in großem Umfang in Rechenzentren zum Einsatz. Mit der Entwicklung dieses Kühlverfahrens wird davon ausgegangen, dass die Anwendung ausgereifter wird.
Die oben genannten drei Flüssigkeitswärmeableitungsverfahren haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Sprühkühlung und Strahlkühlung sind ähnlich. Ihre Strukturen sind sehr komplex und nicht für alltägliche elektronische Geräte geeignet. Sie haben jedoch eine starke Wärmeableitungsfähigkeit. Sprühkühlung ist geeignet für Supercomputer, In Big Data-Wärmeableitung; Jet Cooling eignet sich für militärisch-industrielle Gegenstände wie Kampfjets, Flugzeuge etc. Diese beiden Wärmeabfuhrmethoden sind in den letzten Jahren nicht zu ersetzen. Die Mikrokanalkühlung ist die allgemeine Richtung der zukünftigen Entwicklung, sei es in täglichen elektronischen Geräten oder anderen elektronischen Präzisionsinstrumenten, diese Methode wird übernommen.
