Nouvelle technologie pour la dissipation thermique des équipements électroniques
La miniaturisation progressive et la précision des équipements électroniques ont posé le problème de la dissipation thermique. La température a une grande influence sur les performances de fonctionnement des équipements électroniques. Pour une puce électronique stable et fonctionnant en continu, la température maximale ne peut pas dépasser 85 ℃ comme requis. Chaque fois que la température d'un composant semi-conducteur augmente de 10 ℃, la fiabilité du système sera réduite de 50 %. Selon les statistiques, plus de 55% des pannes d'équipements électroniques sont causées par une température excessive. Dans la puce électronique traditionnelle, le volume utilisé pour le refroidissement représente 98%, et seulement 2% est utilisé pour le fonctionnement informatique, mais il est encore difficile de résoudre le problème actuel de dissipation thermique. Une température élevée aura un effet néfaste sur les performances des équipements électroniques, et ces méthodes traditionnelles de dissipation de chaleur ont certaines limites. Par conséquent, afin d'assurer la durée de vie et les performances efficaces des équipements électroniques, il est urgent d'explorer et de développer de meilleures méthodes de dissipation thermique pour les équipements électroniques.
01 Technologie de refroidissement La méthode traditionnelle de dissipation thermique est souvent observée dans notre vie quotidienne, car le développement actuel est très mature et le principe est simple, je ne le répéterai donc pas ici.
1.1 Refroidissement liquide
Le refroidissement liquide utilise le liquide traversant la source de chaleur pour évacuer la chaleur générée par la puce, sans bruit, et a une capacité d'échange thermique élevée. Voici plusieurs méthodes de refroidissement liquide qui sont de nouvelles technologies basées sur l'extension traditionnelle de refroidissement liquide direct.
1.1.1 Refroidissement par microcanaux
Le refroidissement par micro-canaux consiste à graver plusieurs canaux de fluide de niveau micrométrique sur le substrat sous la puce, de sorte que la chaleur de la puce soit absorbée lorsque le fluide s'écoule à travers le canal. Cette méthode comprend un échange de chaleur monophasé et un échange de chaleur biphasé. Parmi eux, la capacité calorifique de l'échange thermique monophasé est faible, l'effet d'échange thermique est médiocre et la température après refroidissement est inégale, ce qui entraîne une contrainte excessive. Au contraire, l'échange thermique diphasique a une grande chaleur latente, la capacité d'échange thermique est élevée, la température après refroidissement est uniforme, aucune contrainte importante n'est générée et la température du fluide de travail n'augmente pas très haut. Le transfert de chaleur diphasique dans le refroidissement par microcanaux est un point chaud de la recherche actuelle. Dans le transfert de chaleur diphasique utilisant un fluide frigorigène basse pression comme fluide de travail, la capacité de dissipation thermique peut atteindre plus de 300 W/cm2. Grâce à des expériences, Yu Zukang et al. obtenu des propriétés hydrophiles de surface pour améliorer efficacement les performances de transfert de chaleur des microcanaux. Sous un faible flux de chaleur et une faible sécheresse d'entrée, le coefficient de transfert de chaleur moyen des surfaces superhydrophiles est le plus élevé, ce qui est 64% plus élevé que celui des surfaces lisses ordinaires. Le coefficient de transfert de chaleur moyen de la surface hydrophile est jusqu'à 27 % supérieur à celui de la surface lisse ordinaire ; dans des conditions de flux de chaleur élevé et de siccité d'entrée élevée, la valeur moyenne du coefficient de transfert de chaleur de la surface super-hydrophile est jusqu'à environ 80% supérieure à celle de la surface lisse ordinaire. La surface hydrophile est jusqu'à environ 50 % supérieure à la surface lisse normale. La figure 1 montre la structure du refroidissement par microcanaux.
Le flux de chaleur critique (CHF) est l'un des paramètres importants qui affectent les performances des microcanaux. Yuan Xudong et d'autres ont présenté en détail les progrès de la recherche sur le CHF, et ont présenté en détail son mécanisme d'influence et ses méthodes d'amélioration, ainsi que le CHF existant dans le milieu universitaire. Des divergences d'opinions. En raison de la petite taille du microcanal, la résistance en cours de route est très grande ; sa structure a également une grande influence sur le refroidissement, et l'utilisation de microcanaux droits et parallèles provoquera une chute de pression et un gradient de température importants. Il a de nombreux avantages. Parce que les canaux sont gravés et n'occupent pas plus d'espace, le refroidissement des microcanaux devient plus efficace et compact, et il est plus adapté aux petites puces électroniques. Il est généralement admis que le micro-radiateur à double couche peut répondre à la charge thermique croissante de la prochaine génération d'équipements électroniques. Xiaogang Liu et al. ont proposé la structure matricielle double couche (DL-M) et la structure matricielle d'interconnexion double couche (DL-IM) des microcanaux. Et grâce à la simulation numérique pour étudier les différentes performances du radiateur, il est prouvé qu'ils ont de meilleures performances thermiques.
Bien qu'il existe certaines lacunes dans le refroidissement des microcanaux, il peut résoudre les problèmes qui se sont posés et le développement est plus mature. Bien que la recherche sur le CHF ait des points de vue différents, cela n'entravera pas le développement de la technologie des microcanaux, et l'orientation future du développement sera plus ciblée. Comment améliorer le CHF pour obtenir un refroidissement par micro-canaux plus efficace, ce type de méthode de dissipation thermique deviendra également plus populaire.
1.1.2 Refroidissement par pulvérisation Le refroidissement par pulvérisation consiste à atomiser le liquide à travers une buse pour former une pulvérisation à deux phases gaz-liquide vers le dispositif électronique. Une partie absorbe la chaleur et se vaporise, et une partie de la chaleur est emportée par changement de phase ; l'autre partie forme un film liquide à la surface de la source de chaleur, et la chaleur suit le liquide. Le flux de la membrane est emporté. Le gaz non condensable dans le film liquide augmente la perturbation de l'échange thermique, ce qui peut grandement améliorer la capacité de dissipation thermique des équipements électroniques. La densité de flux thermique à changement de phase du refroidissement par pulvérisation peut atteindre plus de 1000 W/cm2. Lin et al. utilisé du fluorocarbure, du méthanol et de l'eau comme fluides de travail pour la chaleur à changement de phase. La densité de flux de chaleur maximale obtenue par les expériences était de 90, 90 et 90, respectivement. 490, 500 W/cm2 ou plus. La figure 2 est un diagramme schématique du refroidissement par pulvérisation.
Cette méthode de refroidissement présente certaines lacunes à résoudre. La méthode de refroidissement par pulvérisation a un système complexe, des exigences d'espace élevées et est difficile à entretenir. En raison de son faible débit de liquide, de sa répartition uniforme de la température des puces après refroidissement et de ses faibles contraintes, le refroidissement par pulvérisation est considéré comme une méthode de dissipation thermique pour les puces électroniques avec un bon potentiel de développement. À l'heure actuelle, parce que les problèmes existants n'ont pas été résolus, il ne peut être utilisé que dans des produits militaires et aéronautiques. Wang Gaoyuan et al. mené des expériences de refroidissement par pulvérisation sur R134a dans des conditions de basse pression, et a constaté que le refroidissement par pulvérisation dans des conditions de basse pression réduit progressivement la capacité de transfert de chaleur avec la diminution de la pression, et l'évaporation éclair a une grande influence sur la capacité de transfert de chaleur, ce qui doit être pris en compte lors de l'organisation buses. L'ajout de nanoparticules, de tensioactifs, de sels et de gaz solubles et d'additifs alcooliques au fluide de refroidissement par pulvérisation peut grandement améliorer les caractéristiques de transfert de chaleur. Li Yiyi a vérifié par des expériences que l'ajout de tensioactifs peut améliorer efficacement les performances de transfert de chaleur du refroidissement par pulvérisation, en particulier l'ajout de SDS a le meilleur effet. Cependant, la méthode actuelle d'ajout d'additifs en est encore à ses balbutiements et les problèmes existants sont plus complexes.
Le refroidissement par pulvérisation est limité par l'espace et ne peut pas être utilisé dans de petits appareils électroniques, mais l'effet est très bon lorsqu'il est utilisé dans des superordinateurs. À l'heure actuelle, la technologie de refroidissement par pulvérisation est appliquée aux superordinateurs CREY et est également utilisée à grande échelle dans les centres de données. Avec le développement de cette méthode de refroidissement, on pense que l'application sera plus mature.
Les trois méthodes de dissipation de chaleur liquide ci-dessus ont leurs propres avantages et inconvénients. Le refroidissement par pulvérisation et le refroidissement par jet sont similaires. Leurs structures sont très complexes et ne conviennent pas aux équipements électroniques quotidiens. Cependant, ils ont de fortes capacités de dissipation thermique. Le refroidissement par pulvérisation convient aux superordinateurs, dans la dissipation thermique des données volumineuses ; Le refroidissement par jet convient aux articles militaro-industriels, tels que les avions de chasse, les avions, etc. Ces deux méthodes de dissipation thermique ne peuvent pas être remplacées ces dernières années. Le refroidissement par micro-canaux est l'orientation générale du développement futur, qu'il s'agisse d'équipements électroniques quotidiens ou d'autres instruments électroniques de précision, cette méthode sera adoptée.
