Как эффективно охлаждать электронику?
18.08.2020
Дмитрий Евстратов
Недавние разработки в области полупроводников и других мини- и микроэлектронных технологий, а также непрерывная миниатюризация ведут к стремительному росту мощности электронных устройств. С одной стороны, в этом можно разглядеть только плюсы. С другой стороны, повышение мощности и производительности подобных компонентов приводит к пропорциональному росту выделяемого ими тепла. Такой побочный эффект необходимо учитывать при проектировании любого электронного устройства и детально прорабатывать системы охлаждения. Однако, если постоянно наращивать мощность, можно ли быть уверенным, что технологии систем охлаждения идут следом?
Несмотря на то, что за последние десятилетия был достигнут впечатляющий прогресс, остаются серьезные технические проблемы в управлении и контроле температуры электронных устройств или микропроцессоров. Двумя основными проблемами являются: адекватный отвод постоянно увеличивающегося теплового потока и крайне неравномерное рассеивание мощности. Согласно отчету Международной инициативы по производству электроники (iNEMI), максимальное рассеивание мощности высокопроизводительными микропроцессорными микросхемами достигло примерно 360 Вт к 2020 году. Фактически, отрасли микро- и силовой электроники столкнулись с проблемой рассеивания очень высокого теплового потока около 300 Вт/см2 при поддержании температуры ниже 85 ° C.
Традиционные подходы к охлаждению справляются все хуже и хуже в вопросах регулирования температуры в новых электронных устройствах. В связи с этим высокопроизводительные микросхемы или устройства нуждаются в инновационных технологиях, охлаждающих жидкостях с высокой способностью к теплопередаче, а также к грамотному подходу в проектировании и инженерном анализе. Если электронику не охлаждать должным образом, нормальные рабочие характеристики и срок службы могут ухудшиться быстрее, чем ожидалось. Кроме того, частота отказов электронного оборудования увеличивается с увеличением рабочей температуры.
С другой стороны, большая часть охлаждающих систем с трудом справляется с отводом тепла из-за ограничений, связанных напрямую с рабочим телом и его теплопередачей. Под рабочим телом мы понимаем такие жидкости, как воздух, вода, этиленгликоль, метанол, а также различные их смеси и производные. Например, для отвода теплового потока 100 Вт/см2 при разнице температур 50 градусов необходимо обеспечить коэффициент конвективной теплоотдачи в приблизительно 20 000 Вт/м2К. Столь высокий показатель недосягаем при использовании свободной или вынужденной конвекции с перечисленными жидкостями или газами. На помощь здесь приходят разработки в области нанотехнологий. Точнее, наножидкости — жидкости, содержащие частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. В качестве диспергированных веществ могут выступать полиорганосилоксаны, металлические, оксидные, карбидные, нитридные наночастицы, углеродные нанотрубки и т. д. Применение сильноразбавленных нанодисперсий в качестве теплоносителя позволяет существенно увеличить плотность критического теплового потока. Ввиду своего строения и нестабильности размеров агрегатов наночастиц нанодисперсии, как правило, довольно нестабильны. Их свойства легко меняются и сильно зависят от внешнего воздействия. Получение устойчивых нанодисперсий с воспроизводимыми свойствами — основная задача, которая должна быть решена на пути промышленного и массового применения подобных жидкостей.
С другой стороны, большая часть охлаждающих систем с трудом справляется с отводом тепла из-за ограничений, связанных напрямую с рабочим телом и его теплопередачей. Под рабочим телом мы понимаем такие жидкости, как воздух, вода, этиленгликоль, метанол, а также различные их смеси и производные. Например, для отвода теплового потока 100 Вт/см2 при разнице температур 50 градусов необходимо обеспечить коэффициент конвективной теплоотдачи в приблизительно 20 000 Вт/м2К. Столь высокий показатель недосягаем при использовании свободной или вынужденной конвекции с перечисленными жидкостями или газами. На помощь здесь приходят разработки в области нанотехнологий. Точнее, наножидкости — жидкости, содержащие частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. В качестве диспергированных веществ могут выступать полиорганосилоксаны, металлические, оксидные, карбидные, нитридные наночастицы, углеродные нанотрубки и т. д. Применение сильноразбавленных нанодисперсий в качестве теплоносителя позволяет существенно увеличить плотность критического теплового потока. Ввиду своего строения и нестабильности размеров агрегатов наночастиц нанодисперсии, как правило, довольно нестабильны. Их свойства легко меняются и сильно зависят от внешнего воздействия. Получение устойчивых нанодисперсий с воспроизводимыми свойствами — основная задача, которая должна быть решена на пути промышленного и массового применения подобных жидкостей.
Технологии, применяемые в охлаждении, также не стоят на месте. Последнее время активные исследования ведутся в эффективном применении методов использования термосифонов, различных вариаций тепловых труб, микроканалов, технологии электроосмотической накачки, эффекта падающий струй и так далее. К примеру, принудительное конвективное жидкостное охлаждение через микроканальный радиатор — одна из перспективных и высокопроизводительных технологий для малогабаритных электронных устройств с высоким тепловыделением. Помимо значительного снижения размеров корпуса радиатора, эта технология также может быть интегрирована непосредственно внутрь чипа.
Учитывая такую вариативность в применяемых методах охлаждения, различных тепловых носителях и их свойств, необходимо серьезно отнестись к процессу и методам проектирования любых электронных систем или систем содержащих электронные компоненты. Ключевую роль играет применение инженерного анализа и систем вычислительного моделирования для оценки теплового состояния изделия. Безусловно предварительные расчеты могут быть произведены аналитическими методами, однако, только инженерный анализ способен определить характеристики проектируемого устройства в реальных условиях его работы или, как минимум, приближенных к реальным условиям. Прогнозирование эффективности систем охлаждения в различных сценариях нагружения устройства, критических условий внешней среды, либо в условиях взаимного влияния множества устройств возможно лишь с применением специализированного программного обеспечения.
Таким образом, что бы мы не охлаждали, какой бы метод не использовали, какой бы теплоноситель мы не выбрали, необходимо учитывать все условия и ограничения работы нашего устройства/компонента/изделия. Адаптируя виртуальную модель с максимальной степенью детализации к реальной, мы сможем существенно повысить эффективность как системы охлаждения, так и изделия в целом, значительно продлевая срок его службы.
Таким образом, что бы мы не охлаждали, какой бы метод не использовали, какой бы теплоноситель мы не выбрали, необходимо учитывать все условия и ограничения работы нашего устройства/компонента/изделия. Адаптируя виртуальную модель с максимальной степенью детализации к реальной, мы сможем существенно повысить эффективность как системы охлаждения, так и изделия в целом, значительно продлевая срок его службы.
Поделиться в соц.сетях
Подписаться на рассылку
Раз в месяц мы рассылаем электронный журнал, где в удобном структурированном виде публикуем свежие видео-стримы, статьи и анонсы событий