Placa de resfriamento líquido de microcanal: um salvador de resfriamento para chips de alta densidade de potência: uma análise completa do processo ao design
À medida que o desempenho dos chips continua a atingir novos patamares, a crescente densidade de potência tornou-se uma tendência irreversível. De chips de IA em data centers a módulos IGBT em veículos de novas energias, as densidades de fluxo de calor local frequentemente excedem 100 W/cm². O resfriamento a ar tradicional já não consegue lidar com essa "crise de alta temperatura localizada". Uma vez que o calor se acumula, o chip não só sofre redução de frequência e atrasos, como também pode ser danificado permanentemente por superaquecimento. É aqui que entram as placas de resfriamento líquido com microcanais, capazes de controlar com precisão a temperatura local. Ao criar minúsculos canais de fluxo (tipicamente com 0.05 a 0.5 mm de diâmetro) dentro da placa, essas placas permitem que o líquido refrigerante entre em contato direto com a fonte de calor, atingindo uma eficiência de dissipação de calor de 5 a 10 vezes maior do que o resfriamento a ar, tornando-as uma solução essencial para o gerenciamento térmico de chips de alta potência.
Três processos de fabricação principais para a produção de placas de resfriamento líquido de microcanais
1. Extrusão de Perfil
Este é o método de produção em massa mais consolidado. Utilizando uma extrusora de metal, ligas de alumínio, cobre e outros materiais são extrudados a partir de um molde personalizado, formando, em uma única etapa, um substrato para placa de resfriamento líquido com microcanais.
• Vantagens: Alta eficiência de produção, baixo custo e paredes internas do canal lisas (resistência ao fluxo reduzida). Adequado para aplicações com canais de grandes dimensões (1-3 mm) e produção em larga escala, como sistemas de acionamento elétrico automotivo e resfriamento de módulos de bateria para gerenciamento térmico.
• Limitações: Devido às limitações do molde de extrusão, não é possível produzir canais com formatos complexos e irregulares. É necessária uma conexão em série. Longos comprimentos de canal podem levar a uma diferença de temperatura estável entre a entrada e a saída. No entanto, esse problema geralmente pode ser resolvido com altas vazões, normalmente com uma diferença de temperatura em torno de 4-5 °C, o que está dentro de uma faixa aceitável.
2. Processo de Aleta Desbastada
Esse processo, frequentemente chamado de "gravador de precisão", utiliza uma ferramenta de alta velocidade para cortar diretamente aletas de microcanais densas na superfície de um substrato metálico (principalmente cobre ou alumínio). A tampa e a base aletadas são então soldadas por meio de soldagem por fricção ou brasagem para formar um canal de fluxo selado. Para reduzir custos, as duas partes podem ser fixadas com um anel de silicone. No entanto, esse processo apresenta risco de vazamento e exige especificações rigorosas para o anel de silicone e os sulcos de vedação.
• Vantagens: O canal de fluxo e o substrato são contínuos, resultando em uma transferência de calor extremamente eficiente (eliminando a resistência térmica interfacial). Isso permite a produção de aletas extremamente finas (com menos de 0.05 mm de espessura) e canais ultrafinos, tornando-o adequado para aplicações com densidades de fluxo de calor extremamente altas, particularmente em data centers e CPUs/ GPUs de servidores de grande porte.
3. Processo de estampagem + brasagem
Trata-se de uma abordagem flexível e inovadora. Uma chapa metálica (como aço inoxidável ou liga de alumínio) é primeiramente estampada em uma camada de canal de fluxo ranhurado, que é então unida à placa de cobertura por brasagem (soldagem de alta temperatura) para formar uma placa líquida fria completa.
• Vantagens: O alto grau de liberdade no design do canal de fluxo permite canais personalizados e com formato personalizado com base na distribuição da fonte de calor (como canais curvos que seguem o contorno do chip) e é compatível com uma variedade de materiais metálicos (incluindo aço inoxidável de alta temperatura).
• Limitações: O processo de brasagem requer um controle rigoroso de temperatura e atmosfera. Uma solda frouxa pode facilmente causar vazamentos. O processo também envolve múltiplas etapas (estampagem, limpeza, brasagem e teste), resultando em um longo ciclo de produção. Da mesma forma, o padrão irregular de estampagem cria uma resistência significativa ao canal de fluxo. Além disso, devido ao metal de adição da brasagem, o produto acabado requer limpeza do canal de fluxo e testes de resistência ao fluxo. Consequentemente, esse processo é relativamente caro, com moldes caros e a necessidade de materiais especializados para dispositivos de soldagem, como grafite, que é relativamente caro.
II. “Verificações Duplas” para o Desempenho da Placa Fria Líquida: Testes e Equipamentos
Uma placa fria líquida de microcanais concluída deve passar por testes rigorosos antes de ser implantada. O foco principal está na eficiência da dissipação de calor e no controle da resistência ao fluxo, ambos impactando diretamente o desempenho do chip e o consumo de energia do sistema (resistência excessiva ao fluxo aumenta o consumo de energia da bomba).
1. Itens-chave do teste
• Teste de Dissipação de Calor: Simula as condições reais de operação do chip. Uma potência térmica alvo (p. ex., 200 W, 500 W) é aplicada por meio de um aquecedor. A temperatura da superfície da placa fria líquida é monitorada por meio de um termopar ou termovisor infravermelho para verificar se o requisito de "temperatura máxima não excede XX °C" é atendido (p. ex., chips de servidor normalmente exigem uma temperatura de superfície ≤ 85 °C).
• Teste de Resistência ao Fluxo: Meça a diferença de pressão entre a entrada e a saída da placa fria de líquido em várias vazões (por exemplo, 0.5-2 m/s) para garantir que esteja dentro da faixa permitida do sistema (normalmente ≤ 50 kPa). Isso evita que a resistência excessiva ao fluxo cause má circulação do líquido de arrefecimento.
2. Ferramentas e equipamentos essenciais
• Software de simulação: ANSYS Icepak , Fluent e outros softwares são usados na fase inicial do projeto para simular o fluxo do fluido refrigerante e a distribuição de temperatura, permitindo a pré-otimização da estrutura do canal de fluxo (por exemplo, adicionando spoilers e ajustando a densidade do canal) para reduzir o custo das iterações do protótipo físico.
• Equipamento Experimental: Inclui um tanque de água de temperatura constante (para controlar a temperatura do líquido de arrefecimento), um medidor de vazão de alta precisão (para monitorar a vazão), um sensor de pressão diferencial (para medir a resistência ao fluxo) e um medidor de vazão térmica (para calibrar a energia térmica). Alguns cenários também requerem uma câmara de alta temperatura (para simular temperaturas extremas variando de -40 °C a 85 °C).
• Equipamentos de produção: Extrusora (para processamento de perfis), máquina de corte CNC de alta precisão (Skived Fin) e prensa de estampagem com forno de brasagem a vácuo (para estampagem e brasagem). O forno de brasagem requer vácuo controlado ou atmosfera protetora (por exemplo, nitrogênio) para evitar a oxidação do metal.
III. Projeto de placa fria líquida de microcanais: 8 parâmetros-chave determinam o sucesso
Projetar uma placa fria líquida não é apenas uma questão de "desenhar canais aleatoriamente"; requer engenharia reversa com base nas condições operacionais reais. Os oito parâmetros a seguir são os pilares do projeto, e nenhum deles pode ser ignorado:
1. Tipo de fluido refrigerante: Selecione o fluido com base no ambiente. Água deionizada (baixo custo e alta capacidade térmica específica) é usada para aplicações gerais; soluções de etilenoglicol-água (anticongelante) são usadas para aplicações de baixa temperatura; e óleo mineral (isolante e adequado para componentes energizados) é usado para alta temperatura ou ambientes especiais.
2. Vazão do líquido de arrefecimento: Quanto maior a vazão, melhor a dissipação de calor, mas também maior a resistência ao fluxo. É necessária uma abordagem equilibrada (tipicamente 0.8-1.5 m/s, dependendo da capacidade da bomba do sistema).
3. Temperatura de entrada do líquido de arrefecimento: determina o diferencial de temperatura de dissipação de calor. Por exemplo, data centers normalmente exigem uma temperatura de entrada da água ≤35 °C, enquanto aplicações automotivas podem exigir ≤45 °C.
4. Diferencial de Pressão Máximo Permitido: Determinado pela altura manométrica da bomba do sistema. Durante o projeto, certifique-se de que o diferencial de pressão da placa fria de líquido na vazão alvo seja ≤ o diferencial de pressão de saída máximo da bomba (por exemplo, ≤ 30 kPa).
5. Temperatura ambiente: afeta a eficiência da dissipação de calor. Por exemplo, equipamentos externos devem considerar temperaturas de verão (acima de 40 °C), enquanto data centers devem manter uma temperatura em torno de 23 °C.
6. Saída de calor alvo: Defina a dissipação de calor total necessária (por exemplo, 300 W para um único chip, 800 W para um módulo multi-chip) para calcular a área total de dissipação de calor do canal de fluxo.
7. Fator de forma e interface: As dimensões da placa de resfriamento líquido devem ser adequadas ao espaço de instalação do equipamento (por exemplo, restrições de tamanho da placa PCIe do servidor). Os conectores de entrada e saída devem ser posicionados de forma a facilitar o layout da tubulação (entrada lateral, saída lateral, entrada superior, saída superior são comuns). As especificações da interface devem corresponder à tubulação do sistema (por exemplo, conexão rápida, roscada).
8. Requisito de temperatura da superfície: Esta é uma especificação essencial — a temperatura máxima (por exemplo, ≤80 °C) e a temperatura mínima (para evitar condensação, normalmente ≥ ponto de orvalho ambiente + 5 °C) da superfície de contato da placa fria líquida com o chip devem ser claramente definidas. Isso determina diretamente a densidade do canal de fluxo e a vazão do líquido de arrefecimento.
O gráfico a seguir apresenta os parâmetros e conteúdos básicos que geralmente precisamos ao realizar projetos e análises térmicas para nossos clientes. Isso nos permite entender claramente os requisitos do cliente e os projetos dos nossos engenheiros.
Conclusão
O valor das placas de resfriamento líquido de microcanais reside em sua capacidade de lidar com a "ansiedade térmica local" dos chips de alta potência por meio de fabricação e design precisos. Da relação custo-benefício dos perfis de produção em massa à extrema dissipação de calor do Skived Fin e à personalização flexível da estampagem e brasagem, esses três processos atendem às necessidades de diversos cenários. Testes e design refinados garantem a operação estável e eficiente das placas de resfriamento líquido. À medida que a densidade de potência dos chips continua a aumentar, a tecnologia de microcanais evoluirá para canais ainda menores (por exemplo, abaixo de 0.1 mm) e compósitos multimateriais (por exemplo, combinações de cobre e alumínio para redução de custos), salvaguardando continuamente a operação fria dos chips.
