تقنية جديدة لتبديد حرارة المعدات الإلكترونية

أدى التصغير التدريجي ودقة المعدات الإلكترونية إلى حدوث مشكلة تبديد الحرارة. درجة الحرارة لها تأثير كبير على أداء عمل المعدات الإلكترونية. للحصول على شريحة إلكترونية تعمل بشكل مستقر ومستمر ، لا يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة القصوى 85 درجة مئوية كما هو مطلوب. في كل مرة تزداد فيها درجة حرارة مكون أشباه الموصلات بمقدار 10 ℃ ، ستنخفض موثوقية النظام بنسبة 50٪. وفقًا للإحصاءات ، أكثر من 55٪ من أعطال المعدات الإلكترونية ناتجة عن درجة الحرارة الزائدة. في الشريحة الإلكترونية التقليدية ، يمثل الحجم المستخدم للتبريد 98٪ ، ويستخدم 2٪ فقط لعمليات الحوسبة ، ولكن لا يزال من الصعب حل مشكلة تبديد الحرارة الحالية. سيكون لدرجات الحرارة المرتفعة تأثير ضار على أداء المعدات الإلكترونية ، وطرق تبديد الحرارة التقليدية هذه لها قيود معينة. لذلك ، من أجل ضمان عمر الخدمة والأداء الفعال للمعدات الإلكترونية ، من الضروري استكشاف وتطوير طرق أفضل لتبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية.

01 تقنية التبريد غالبًا ما تُرى طريقة تبديد الحرارة التقليدية في حياتنا اليومية ، لأن التطور الحالي ناضج جدًا والمبدأ بسيط ، لذلك لن أكررها هنا.

1.1 التبريد السائل

يستخدم التبريد السائل السائل الذي يمر عبر مصدر الحرارة لإزالة الحرارة الناتجة عن الرقاقة ، بدون ضوضاء ، وله قدرة عالية على التبادل الحراري. فيما يلي عدة طرق للتبريد السائل وهي تقنيات جديدة تعتمد على تمديد التبريد السائل المباشر التقليدي.

1.1.1 التبريد عبر القنوات الدقيقة

تبريد القناة الصغيرة هو حفر قنوات سائلة متعددة على مستوى ميكرومتر على الركيزة أسفل الرقاقة ، بحيث يتم امتصاص حرارة الشريحة عندما يتدفق السائل عبر القناة. تتضمن هذه الطريقة التبادل الحراري أحادي الطور والتبادل الحراري على مرحلتين. من بينها ، السعة الحرارية للتبادل الحراري أحادي الطور صغيرة ، وتأثير التبادل الحراري ضعيف ، ودرجة الحرارة بعد التبريد غير متساوية ، مما يؤدي إلى إجهاد مفرط. على العكس من ذلك ، فإن التبادل الحراري على مرحلتين له حرارة كامنة كبيرة ، وسعة التبادل الحراري عالية ، ودرجة الحرارة بعد التبريد موحدة ، ولا يتم توليد ضغط كبير ، ولا ترتفع درجة حرارة سائل العمل بدرجة عالية. يعتبر انتقال الحرارة على مرحلتين في تبريد القناة الصغيرة نقطة ساخنة للبحث حاليًا. في نقل الحرارة على مرحلتين باستخدام مادة التبريد ذات الضغط المنخفض كسائل عمل ، يمكن أن تصل قدرة تبديد الحرارة إلى أكثر من 300 واط / سم 2. من خلال التجارب ، يو زوكانغ وآخرون. حصلوا على خصائص محبة للماء السطحية لتحسين أداء نقل الحرارة للقنوات الدقيقة بشكل فعال. في ظل التدفق الحراري المنخفض والجفاف المنخفض الداخل ، يكون متوسط ​​معامل نقل الحرارة للأسطح فائقة الماء هو الأكبر ، وهو أعلى بنسبة 64٪ من الأسطح الملساء العادية. متوسط ​​معامل انتقال الحرارة للسطح المحبة للماء أعلى بنسبة تصل إلى 27٪ من السطح الأملس العادي ؛ في ظل ظروف التدفق الحراري العالي وجفاف المدخل العالي ، فإن متوسط ​​قيمة معامل نقل الحرارة للسطح المحب للماء يصل إلى حوالي 80٪ أعلى من السطح الأملس العادي. السطح المحب للماء أعلى بحوالي 50٪ من السطح الأملس العادي. يوضح الشكل 1 هيكل تبريد القناة الصغيرة.

يعد التدفق الحراري الحرج (CHF) أحد العوامل المهمة التي تؤثر على أداء القنوات الدقيقة. قدم Yuan Xudong وآخرون التقدم البحثي لـ CHF بالتفصيل ، وقدموا آلية التأثير وطرق التحسين بالتفصيل ، بالإضافة إلى CHF الموجود في الأوساط الأكاديمية. الخلافات في الآراء. نظرًا لصغر حجم القناة الصغيرة ، فإن المقاومة على طول الطريق كبيرة جدًا ؛ لهيكله أيضًا تأثير كبير على التبريد ، وسيؤدي استخدام القنوات الدقيقة المستقيمة والمتوازية إلى انخفاض كبير في الضغط وتدرج في درجة الحرارة. لها العديد من المزايا. نظرًا لأن القنوات محفورة ولا تشغل مساحة أكبر ، يصبح تبريد القناة الصغيرة أكثر كفاءة وصغرًا ، وهو أكثر ملاءمة للرقائق الإلكترونية الصغيرة. من المعتقد بشكل عام أن المبرد الصغير ذو الطبقة المزدوجة يمكن أن يفي بالحمل الحراري المتزايد للجيل التالي من المعدات الإلكترونية. Xiaogang Liu et al. اقترح بنية مصفوفة مزدوجة الطبقة (DL-M) وهيكل مصفوفة الربط ثنائي الطبقة (DL-IM) للقنوات الدقيقة. ومن خلال المحاكاة العددية لدراسة الأداء المختلف للرادياتير ثبت أن لديهم أداء حراري أفضل.

على الرغم من وجود بعض أوجه القصور في تبريد القنوات الصغيرة ، إلا أنه يمكن أن يحل المشكلات التي نشأت ، ويكون التطوير أكثر نضجًا. على الرغم من أن البحث حول CHF له وجهات نظر مختلفة ، إلا أن هذا لن يعيق تطوير تقنية القنوات الصغيرة ، وسيكون اتجاه التطوير المستقبلي أكثر تركيزًا. كيفية تحسين الفرنك السويسري لتحقيق تبريد أكثر كفاءة للقنوات الدقيقة ، سيصبح هذا النوع من طرق تبديد الحرارة أيضًا أكثر شيوعًا.

1.1.2 التبريد بالرش التبريد بالرش هو ترشيح السائل من خلال فوهة لتكوين رذاذ ثنائي الطور من الغاز والسائل إلى الجهاز الإلكتروني. جزء منه يمتص الحرارة ويتبخر ، وجزء من الحرارة يُسحب عن طريق تغيير الطور ؛ يشكل الجزء الآخر فيلمًا سائلًا على سطح مصدر الحرارة ، وتتبع الحرارة السائل. يتم أخذ تدفق الغشاء بعيدا. يعزز الغاز غير القابل للتكثيف في الفيلم السائل اضطراب التبادل الحراري ، والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير من قدرة تبديد الحرارة للمعدات الإلكترونية. يمكن أن تصل كثافة التدفق الحراري لتغيير الطور لتبريد الرذاذ إلى أكثر من 1000 واط / سم 2. لين وآخرون. استخدام الفلوروكربون والميثانول والماء كسوائل عمل لحرارة تغيير الطور. كانت كثافة التدفق الحراري القصوى التي تم الحصول عليها من خلال التجارب 90 و 90 و 90 على التوالي. 490 ، 500 وات / سم 2 أو أكثر. الشكل 2 هو رسم تخطيطي للتبريد بالرش.

طريقة التبريد هذه بها بعض أوجه القصور التي يجب حلها. تتميز طريقة التبريد بالرش بنظام معقد ومتطلبات مساحة عالية ويصعب صيانتها. نظرًا لمعدل تدفق السائل الصغير ، والتوزيع المنتظم لدرجة حرارة الرقاقة بعد التبريد ، والضغط المنخفض ، يعتبر التبريد بالرش طريقة تبديد الحرارة للرقائق الإلكترونية مع إمكانات تطوير جيدة. في الوقت الحاضر ، نظرًا لعدم حل المشكلات القائمة ، لا يمكن استخدامها إلا في المنتجات العسكرية والطيران. وانغ غاويوان وآخرون. أجريت تجارب تبريد بالرش على R134a تحت ظروف الضغط المنخفض ، ووجدت أن التبريد بالرش تحت ظروف الضغط المنخفض يقلل تدريجيًا من قدرة نقل الحرارة مع انخفاض الضغط ، ولتبخر الفلاش تأثير كبير على قدرة نقل الحرارة ، والتي يجب أخذها في الاعتبار عند الترتيب فوهات. يمكن أن تؤدي إضافة الجسيمات النانوية والمواد الخافضة للتوتر السطحي والأملاح والغازات القابلة للذوبان ومضافات الكحول إلى سائل التبريد بالرش إلى تحسين خصائص نقل الحرارة بشكل كبير. تحقق Li Yiyi من خلال التجارب من أن إضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي يمكن أن تحسن بشكل فعال أداء نقل الحرارة للتبريد بالرش ، خاصة أن إضافة SDS لها أفضل تأثير. ومع ذلك ، فإن الطريقة الحالية لإضافة المواد المضافة لا تزال في مهدها ، والمشكلات الحالية أكثر تعقيدًا.

التبريد بالرش مقيد بالمساحة ولا يمكن استخدامه في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة ، ولكن التأثير جيد جدًا عند استخدامه في أجهزة الكمبيوتر العملاقة. في الوقت الحاضر ، يتم تطبيق تقنية التبريد بالرش على أجهزة الكمبيوتر العملاقة CREY وتستخدم أيضًا على نطاق واسع في مراكز البيانات. مع تطوير طريقة التبريد هذه ، يُعتقد أن التطبيق سيكون أكثر نضجًا.

طرق تبديد الحرارة السائلة الثلاثة المذكورة أعلاه لها مزاياها وعيوبها. التبريد بالرش والتبريد النفاث متشابهان. هياكلها معقدة للغاية وليست مناسبة للأجهزة الإلكترونية اليومية. ومع ذلك ، لديهم قدرات قوية على تبديد الحرارة. التبريد بالرش مناسب لأجهزة الكمبيوتر العملاقة ، في تبديد حرارة البيانات الضخمة ؛ التبريد النفاث مناسب للعناصر الصناعية العسكرية ، مثل الطائرات المقاتلة والطائرات وما إلى ذلك. لا يمكن استبدال هاتين الطريقتين لتبديد الحرارة في السنوات الأخيرة. تبريد القنوات الصغيرة هو الاتجاه العام للتطور المستقبلي ، سواء كان ذلك في المعدات الإلكترونية اليومية أو غيرها من الأدوات الإلكترونية الدقيقة ، سيتم اعتماد هذه الطريقة.