เทคโนโลยีใหม่สำหรับการกระจายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การย่อขนาดทีละน้อยและความแม่นยำของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้เกิดปัญหาการกระจายความร้อน อุณหภูมิมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สำหรับชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้อย่างเสถียรและต่อเนื่อง อุณหภูมิสูงสุดต้องไม่เกิน 85 ℃ ตามที่ต้องการ ทุกครั้งที่อุณหภูมิของส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้น 10 ℃ ความน่าเชื่อถือของระบบจะลดลง 50% จากสถิติพบว่าความผิดพลาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากกว่า 55% เกิดจากอุณหภูมิที่สูงเกินไป ในชิปอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิม ปริมาณที่ใช้สำหรับการทำความเย็นคิดเป็น 98% และมีเพียง 2% เท่านั้นที่ใช้สำหรับการประมวลผล แต่ก็ยังยากที่จะแก้ปัญหาการกระจายความร้อนในปัจจุบัน อุณหภูมิสูงจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และวิธีการกระจายความร้อนแบบเดิมนั้นมีข้อจำกัดบางประการ ดังนั้น เพื่อให้มั่นใจถึงอายุการใช้งานและประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การสำรวจและพัฒนาวิธีการระบายความร้อนที่ดีขึ้นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงเป็นเรื่องเร่งด่วน

01 เทคโนโลยีการระบายความร้อน วิธีการกระจายความร้อนแบบดั้งเดิมมักพบเห็นได้ในชีวิตประจำวันของเรา เนื่องจากการพัฒนาในปัจจุบันมีความสมบูรณ์และหลักการง่าย ๆ ฉันจะไม่ทำซ้ำที่นี่

1.1 การระบายความร้อนด้วยของเหลว

การระบายความร้อนด้วยของเหลวใช้ของเหลวที่ไหลผ่านแหล่งความร้อนเพื่อขจัดความร้อนที่เกิดจากชิปโดยไม่มีเสียงรบกวน และมีความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนสูง ต่อไปนี้เป็นวิธีการระบายความร้อนด้วยของเหลวหลายวิธีซึ่งเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่มีพื้นฐานมาจากการขยายการระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรงแบบเดิม

1.1.1 การทำความเย็นแบบไมโครแชนเนล

การทำความเย็นแบบไมโครแชนเนลคือการกัดช่องของเหลวระดับไมโครมิเตอร์หลายช่องบนพื้นผิวด้านล่างชิป เพื่อให้ความร้อนของชิปถูกดูดซับเมื่อของเหลวไหลผ่านช่อง วิธีนี้รวมถึงการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเฟสเดียวและการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสองเฟส ในหมู่พวกเขา ความจุความร้อนของการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเฟสเดียวมีขนาดเล็ก ผลการแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ดี และอุณหภูมิหลังจากการทำความเย็นไม่เท่ากัน ส่งผลให้เกิดความเครียดมากเกินไป ในทางตรงกันข้าม การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสองเฟสมีความร้อนแฝงขนาดใหญ่ ความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนสูง อุณหภูมิหลังจากการทำความเย็นจะสม่ำเสมอ ไม่มีการสร้างความเครียดมาก และอุณหภูมิของของเหลวทำงานไม่สูงขึ้นมาก การถ่ายเทความร้อนแบบสองเฟสในการทำความเย็นแบบไมโครแชนเนลเป็นฮอตสปอตการวิจัยในปัจจุบัน ในการถ่ายเทความร้อนแบบสองเฟสโดยใช้สารทำความเย็นแรงดันต่ำเป็นสารทำงาน ความสามารถในการกระจายความร้อนสามารถเข้าถึงมากกว่า 300 W/cm2 จากการทดลอง Yu Zukang และคณะ ได้รับคุณสมบัติชอบน้ำที่พื้นผิวเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของไมโครแชนเนลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ภายใต้ฟลักซ์ความร้อนต่ำและความแห้งของทางเข้าต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยของพื้นผิวที่ชอบน้ำยิ่งยวดจะสูงที่สุด ซึ่งสูงกว่าพื้นผิวเรียบทั่วไปถึง 64% ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยของพื้นผิวที่ชอบน้ำสูงกว่าพื้นผิวเรียบธรรมดาถึง 27%; ภายใต้สภาวะของฟลักซ์ความร้อนสูงและช่องอากาศเข้าสูง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยของพื้นผิวที่ชอบน้ำมากจะสูงกว่าค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยประมาณ 80% เมื่อเทียบกับพื้นผิวเรียบทั่วไป พื้นผิวที่ชอบน้ำสูงกว่าพื้นผิวเรียบปกติประมาณ 50% รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างของการทำความเย็นแบบไมโครแชนเนล

Critical Heat Flux (CHF) เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์สำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของไมโครแชนเนล Yuan Xudong และคนอื่นๆ ได้แนะนำความก้าวหน้าในการวิจัยของ CHF อย่างละเอียด และแนะนำกลไกที่มีอิทธิพลและวิธีการปรับปรุงอย่างละเอียด เช่นเดียวกับ CHF ที่มีอยู่ในวิชาการ ความแตกต่างในความคิดเห็น เนื่องจากไมโครแชนเนลมีขนาดเล็ก ความต้านทานตลอดทางจึงมีมาก โครงสร้างยังมีอิทธิพลอย่างมากต่อการทำความเย็น และการใช้ไมโครแชนเนลแบบตรงและขนานจะทำให้แรงดันตกมากและอุณหภูมิไล่ระดับ มันมีข้อดีหลายอย่าง เนื่องจากช่องมีการสลักและไม่ใช้พื้นที่มากขึ้น การระบายความร้อนแบบไมโครแชนเนลจึงมีประสิทธิภาพและกะทัดรัดยิ่งขึ้น และเหมาะสำหรับชิปอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากกว่า เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าหม้อน้ำขนาดเล็กแบบสองชั้นสามารถตอบสนองภาระความร้อนที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไปได้ Xiaogang Liu และคณะ เสนอโครงสร้างเมทริกซ์สองชั้น (DL-M) และโครงสร้างเมทริกซ์เชื่อมต่อระหว่างสองชั้น (DL-IM) ของไมโครแชนเนล และจากการจำลองเชิงตัวเลขเพื่อศึกษาประสิทธิภาพต่างๆ ของหม้อน้ำ ก็ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีขึ้น

แม้ว่าจะมีข้อบกพร่องบางประการในการทำความเย็นแบบไมโครแชนเนล แต่ก็สามารถแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นได้ และการพัฒนาก็มีความเป็นผู้ใหญ่มากขึ้น แม้ว่าการวิจัยเกี่ยวกับ CHF จะมีมุมมองที่แตกต่างกัน แต่สิ่งนี้จะไม่ขัดขวางการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครแชนเนล และทิศทางการพัฒนาในอนาคตจะมุ่งเน้นมากขึ้น วิธีการปรับปรุง CHF เพื่อให้ได้ไมโครช่องระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีการกระจายความร้อนชนิดนี้จะเป็นที่นิยมมากขึ้น

1.1.2 Spray cooling การระบายความร้อนด้วยสเปรย์คือการทำให้ของเหลวเป็นละอองผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างสเปรย์สองเฟสของแก๊สและของเหลวไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ส่วนหนึ่งดูดซับความร้อนและกลายเป็นไอ และความร้อนบางส่วนถูกนำออกไปโดยการเปลี่ยนเฟส อีกส่วนหนึ่งสร้างฟิล์มของเหลวบนพื้นผิวของแหล่งความร้อน และความร้อนจะตามหลังของเหลว การไหลของเมมเบรนจะถูกลบออก ก๊าซที่ไม่ควบแน่นในฟิล์มเหลวช่วยเพิ่มการรบกวนการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งสามารถปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสของการทำความเย็นแบบสเปรย์สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 1,000 W/cm2 ลินและคณะ ใช้ฟลูออโรคาร์บอน เมทานอล และน้ำเป็นสารทำงานสำหรับความร้อนแบบเปลี่ยนเฟส ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่ได้จากการทดลองคือ 90, 90 และ 90 ตามลำดับ 490, 500 วัตต์/ซม.2 ขึ้นไป รูปที่ 2 เป็นแผนผังของการระบายความร้อนด้วยสเปรย์

วิธีการทำความเย็นนี้มีข้อบกพร่องบางประการที่ต้องแก้ไข วิธีการทำความเย็นแบบพ่นฝอยมีระบบที่ซับซ้อน ต้องการพื้นที่สูง และดูแลรักษายาก เนื่องจากอัตราการไหลของของเหลวที่น้อย การกระจายอุณหภูมิชิปที่สม่ำเสมอหลังการระบายความร้อน และความเค้นต่ำ การระบายความร้อนด้วยสเปรย์ถือเป็นวิธีการกระจายความร้อนสำหรับชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่มีศักยภาพในการพัฒนาที่ดี ปัจจุบันเนื่องจากปัญหาที่มีอยู่ยังไม่ได้รับการแก้ไข จึงใช้ได้เฉพาะในผลิตภัณฑ์ทางทหารและการบินเท่านั้น วัง Gaoyuan et al. ได้ทำการทดลองสเปรย์ระบายความร้อนด้วย R134a ภายใต้สภาวะแรงดันต่ำ และพบว่าการระบายความร้อนด้วยสเปรย์ภายใต้สภาวะแรงดันต่ำจะค่อยๆ ลดความสามารถในการถ่ายเทความร้อนด้วยแรงดันที่ลดลง และการระเหยแบบแฟลชมีผลอย่างมากต่อความสามารถในการถ่ายเทความร้อน ซึ่งต้องพิจารณาเมื่อจัดเตรียม หัวฉีด การเพิ่มอนุภาคนาโน สารลดแรงตึงผิว เกลือและก๊าซที่ละลายได้ และสารเติมแต่งแอลกอฮอล์ลงในของเหลวหล่อเย็นแบบพ่นฝอยสามารถปรับปรุงลักษณะการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก Li Yiyi ยืนยันผ่านการทดลองว่าการเติมสารลดแรงตึงผิวสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของการระบายความร้อนด้วยสเปรย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติม SDS จะให้ผลดีที่สุด อย่างไรก็ตาม วิธีการเติมสารเติมแต่งในปัจจุบันยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และปัญหาที่มีอยู่นั้นซับซ้อนกว่า

การระบายความร้อนด้วยสเปรย์ถูกจำกัดโดยพื้นที่และไม่สามารถใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กได้ แต่ผลที่ได้จะดีมากเมื่อใช้ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยสเปรย์ถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ CREY และยังใช้กับศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่อีกด้วย ด้วยการพัฒนาวิธีการทำความเย็นนี้ เชื่อว่าการใช้งานจะมีความสมบูรณ์มากขึ้น

วิธีการกระจายความร้อนด้วยของเหลวสามวิธีข้างต้นมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง สเปรย์ระบายความร้อนและเจ็ทคูลลิ่งมีความคล้ายคลึงกัน โครงสร้างมีความซับซ้อนมากและไม่เหมาะกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวัน อย่างไรก็ตาม มีความสามารถในการกระจายความร้อนสูง สเปรย์ระบายความร้อนเหมาะสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในการกระจายความร้อนของข้อมูลขนาดใหญ่ การระบายความร้อนด้วยไอพ่นเหมาะสำหรับสิ่งของในอุตสาหกรรมการทหาร เช่น เครื่องบินขับไล่ เครื่องบิน ฯลฯ วิธีการระบายความร้อนทั้งสองนี้ไม่สามารถเปลี่ยนได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การระบายความร้อนด้วยไมโครแชนเนลเป็นทิศทางทั่วไปของการพัฒนาในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รายวันหรือเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่มีความแม่นยำ เราจะนำวิธีนี้มาใช้