Công nghệ tản nhiệt mới cho thiết bị điện tử

Sự thu nhỏ và chính xác dần dần của các thiết bị điện tử đã làm nảy sinh vấn đề tản nhiệt. Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc của thiết bị điện tử. Để chip điện tử hoạt động ổn định và liên tục, nhiệt độ tối đa không được vượt quá 85 ℃ theo yêu cầu. Mỗi khi nhiệt độ của linh kiện bán dẫn tăng thêm 10 ℃, độ tin cậy của hệ thống sẽ giảm đi 50%. Theo thống kê, hơn 55% sự cố hư hỏng của các thiết bị điện tử là do nhiệt độ quá cao. Ở chip điện tử truyền thống, dung lượng dùng để làm mát chiếm 98%, và chỉ 2% dùng cho hoạt động tính toán, nhưng vẫn khó giải bài toán tản nhiệt hiện nay. Nhiệt độ cao sẽ có tác hại đến hiệu suất của thiết bị điện tử, và các phương pháp tản nhiệt truyền thống đó đều có những hạn chế nhất định. Vì vậy, để đảm bảo tuổi thọ và hoạt động hiệu quả của thiết bị điện tử, việc tìm tòi và phát triển các phương pháp tản nhiệt tốt hơn cho thiết bị điện tử là điều cấp thiết.

01 Công nghệ tản nhiệt Phương pháp tản nhiệt truyền thống thường thấy trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, do hiện nay phát triển rất thuần thục và nguyên lý cũng đơn giản nên tôi sẽ không nhắc lại ở đây.

1.1 Làm mát bằng chất lỏng

Làm mát bằng chất lỏng sử dụng chất lỏng đi qua nguồn nhiệt để lấy đi nhiệt lượng do chip tỏa ra, không gây tiếng ồn, khả năng trao đổi nhiệt cao. Sau đây là một số phương pháp làm mát bằng chất lỏng là công nghệ mới dựa trên phần mở rộng làm mát bằng chất lỏng trực tiếp truyền thống.

1.1.1 Làm mát vi kênh

Làm mát vi kênh là khắc nhiều kênh chất lỏng cấp micromet trên đế bên dưới chip, để nhiệt của chip được hấp thụ khi chất lỏng chảy qua kênh. Phương pháp này bao gồm trao đổi nhiệt một pha và trao đổi nhiệt hai pha. Trong số đó, nhiệt dung của trao đổi nhiệt một pha nhỏ, hiệu quả trao đổi nhiệt kém, nhiệt độ sau khi nguội không đồng đều dẫn đến ứng suất quá mức. Ngược lại, trao đổi nhiệt hai pha có nhiệt ẩn lớn, khả năng trao đổi nhiệt cao, nhiệt độ sau khi nguội đồng đều, không sinh ứng suất lớn, nhiệt độ chất lỏng làm việc không tăng quá cao. Truyền nhiệt hai pha trong làm mát vi kênh là một điểm nóng được nghiên cứu hiện nay. Trong truyền nhiệt hai pha sử dụng môi chất lạnh áp suất thấp làm chất lỏng làm việc, công suất tản nhiệt có thể đạt hơn 300 W / cm2. Thông qua các thí nghiệm, Yu Zukang et al. thu được đặc tính ưa nước bề mặt để cải thiện hiệu quả hiệu suất truyền nhiệt của vi kênh. Trong điều kiện thông lượng nhiệt thấp và độ khô đầu vào thấp, hệ số truyền nhiệt trung bình của bề mặt siêu ưa nước là lớn nhất, cao hơn 64% so với bề mặt nhẵn thông thường. Hệ số truyền nhiệt trung bình của bề mặt ưa nước cao hơn đến 27% so với bề mặt nhẵn thông thường; Trong điều kiện thông lượng nhiệt lớn và độ khô đầu vào cao, giá trị hệ số truyền nhiệt trung bình của bề mặt siêu ưa nước cao hơn bề mặt nhẵn thông thường khoảng 80%. Bề mặt ưa nước cao hơn bề mặt nhẵn thông thường khoảng 50%. Hình 1 mô tả cấu trúc của làm mát vi kênh.

Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của vi kênh. Yuan Xudong và những người khác đã giới thiệu chi tiết về tiến độ nghiên cứu của CHF, đồng thời giới thiệu chi tiết cơ chế ảnh hưởng và phương pháp cải tiến của nó, cũng như CHF hiện có trong học viện. Sự khác biệt về ý kiến. Do kích thước nhỏ của vi kênh, điện trở trên đường đi là rất lớn; cấu trúc của nó cũng có ảnh hưởng lớn đến quá trình làm mát, và việc sử dụng các vi kênh thẳng và song song sẽ gây ra giảm áp suất và gradient nhiệt độ lớn. Nó có nhiều lợi thế. Bởi vì các kênh được khắc và không chiếm nhiều không gian hơn, làm mát vi kênh trở nên hiệu quả hơn và nhỏ gọn hơn, và nó phù hợp hơn với các chip điện tử nhỏ. Người ta thường tin rằng bộ tản nhiệt vi mô hai lớp có thể đáp ứng tải nhiệt ngày càng tăng của thế hệ thiết bị điện tử tiếp theo. Xiaogang Liu và cộng sự. đề xuất cấu trúc ma trận hai lớp (DL-M) và cấu trúc ma trận liên kết hai lớp (DL-IM) của vi kênh. Và thông qua mô phỏng số để nghiên cứu các hiệu suất khác nhau của bộ tản nhiệt, người ta chứng minh rằng chúng có hiệu suất nhiệt tốt hơn.

Mặc dù có những thiếu sót nhất định trong làm mát vi kênh, nhưng nó có thể giải quyết các vấn đề nảy sinh, và phát triển hoàn thiện hơn. Mặc dù các nghiên cứu về CHF có những quan điểm khác nhau nhưng điều này sẽ không cản trở sự phát triển của công nghệ vi kênh, và hướng phát triển trong tương lai sẽ được chú trọng hơn. Làm thế nào để cải thiện CHF để đạt được khả năng làm mát vi kênh hiệu quả hơn, loại phương pháp tản nhiệt này cũng sẽ trở nên phổ biến hơn.

1.1.2 Làm mát bằng phun Làm mát bằng phun là phun chất lỏng qua vòi phun để tạo thành dạng phun hai pha khí - lỏng tới thiết bị điện tử. Một phần của nó hấp thụ nhiệt và hóa hơi, và một phần nhiệt được lấy đi bằng cách thay đổi pha; phần còn lại tạo thành màng lỏng trên bề mặt nguồn nhiệt, nhiệt truyền theo chất lỏng. Dòng chảy của màng được lấy đi. Khí không ngưng tụ trong màng lỏng tăng cường nhiễu loạn trao đổi nhiệt, có thể cải thiện đáng kể khả năng tản nhiệt của thiết bị điện tử. Mật độ thông lượng nhiệt thay đổi theo pha của làm mát phun có thể đạt hơn 1000 W / cm2. Lin và cộng sự. đã sử dụng fluorocarbon, metanol và nước làm chất lỏng hoạt động cho nhiệt thay đổi pha. Mật độ nhiệt lượng cực đại thu được qua các thí nghiệm lần lượt là 90, 90 và 90. 490, 500 W / cm2 trở lên. Hình 2 là sơ đồ làm mát bằng phun.

Phương pháp làm mát này có những bất cập nhất định cần được giải quyết. Phương pháp làm mát phun có một hệ thống phức tạp, yêu cầu không gian cao và khó bảo trì. Do tốc độ dòng chất lỏng nhỏ, phân bố nhiệt độ chip đồng đều sau khi làm mát và ứng suất thấp, làm mát phun được coi là một phương pháp tản nhiệt cho các chip điện tử có tiềm năng phát triển tốt. Hiện tại, do chưa giải quyết được các vấn đề tồn tại nên nó chỉ có thể được sử dụng trong các sản phẩm quân sự và hàng không. Wang Gaoyuan và cộng sự. tiến hành thí nghiệm làm mát phun trên R134a trong điều kiện áp suất thấp và nhận thấy rằng làm mát phun trong điều kiện áp suất thấp làm giảm dần khả năng truyền nhiệt theo sự giảm áp suất, và sự bay hơi chớp nhoáng có ảnh hưởng lớn đến khả năng truyền nhiệt, cần phải xem xét khi bố trí vòi phun. Thêm các hạt nano, chất hoạt động bề mặt, muối và khí hòa tan, và phụ gia rượu vào chất lỏng làm mát phun có thể cải thiện đáng kể các đặc tính truyền nhiệt. Li Yiyi đã xác minh thông qua các thí nghiệm rằng việc bổ sung chất hoạt động bề mặt có thể cải thiện hiệu quả hiệu suất truyền nhiệt của làm mát phun, đặc biệt việc bổ sung SDS có hiệu quả tốt nhất. Tuy nhiên, phương pháp bổ sung phụ gia hiện nay vẫn còn sơ khai, và các vấn đề tồn tại phức tạp hơn.

Làm mát phun bị hạn chế bởi không gian và không thể sử dụng trong các thiết bị điện tử nhỏ, nhưng hiệu quả rất tốt khi sử dụng trong siêu máy tính. Hiện tại, công nghệ làm mát phun được áp dụng cho siêu máy tính CREY và cũng được sử dụng trên diện rộng trong các trung tâm dữ liệu. Với sự phát triển của phương pháp làm mát này, có thể tin rằng ứng dụng sẽ ngày càng hoàn thiện hơn.

Ba phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng trên đều có những ưu nhược điểm riêng. Làm mát phun và làm mát bằng tia là tương tự nhau. Cấu trúc của chúng rất phức tạp và không phù hợp với các thiết bị điện tử hàng ngày. Tuy nhiên, chúng có khả năng tản nhiệt mạnh. Làm mát phun phù hợp cho siêu máy tính, tản nhiệt trong dữ liệu lớn; Làm mát bằng máy bay phản lực thích hợp cho các mặt hàng quân sự-công nghiệp, chẳng hạn như máy bay chiến đấu, máy bay, ... Hai phương pháp tản nhiệt này không thể thay thế trong những năm gần đây. Làm mát vi kênh là hướng phát triển chung trong tương lai, cho dù là trong thiết bị điện tử hàng ngày hay các dụng cụ điện tử chính xác khác, phương pháp này sẽ được áp dụng.