Hora de publicación: 2023-03-31 Origen: Sitio
El PCB es el núcleo de los equipos electrónicos, incluidas las resistencias, los chips, los transistores, etc. El chip tiene la mayor potencia de calentamiento.La CPU común es de 70 ~ 300 W, que es la principal fuente de calor.Debido a la alta integración de PCB, su poder de calentamiento continúa aumentando.Una temperatura excesivamente alta es seriamente perjudicial para el rendimiento, la confiabilidad y la vida útil de los equipos electrónicos.
Las fallas de los componentes relacionadas con la temperatura incluyen fallas mecánicas y fallas eléctricas.La falla mecánica es cuando la temperatura cambia, la expansión térmica combinada y la contracción de varios materiales son diferentes, lo que resulta en deformación, rendimiento, fractura, etc. del material. La falla eléctrica es un cambio en el rendimiento de los componentes causado por cambios de temperatura, como transistores, resistencias de chip, etc., que a su vez provocan fugas térmicas y sobrecargas eléctricas.Al mismo tiempo, una gran cantidad de electrones migran y las vibraciones atómicas se aceleran debido a la temperatura excesiva, lo que da como resultado una migración iónica descontrolada y un bombardeo de átomos con electrones.Esto provoca contaminación iónica y electromigración y afectará gravemente la seguridad, la estabilidad y la vida útil de los componentes.
La disipación de calor de los componentes se divide en nivel de chip, nivel de paquete y nivel de sistema.La disipación de calor a nivel de chip y de paquete comienza con la optimización de materiales y procesos de fabricación para reducir la resistencia térmica.La disipación de calor a nivel del sistema consiste en utilizar la estructura de disipación de calor y la tecnología de enfriamiento adecuadas para diseñar un sistema de disipación de calor que cumpla con los requisitos, a fin de garantizar que los componentes puedan funcionar de manera segura y durante mucho tiempo.La Organización Internacional para el Desarrollo de Tecnología de Semiconductores propone que el enfriamiento a nivel del sistema es la razón principal para limitar el crecimiento de las pérdidas de energía del chip.Esto demuestra la importancia de las técnicas de refrigeración a nivel de sistema de alto rendimiento.
Según si depende del cambio de fase del fluido de trabajo, se puede dividir en disipación de calor monofásica y disipación de calor multifásica.La disipación de calor monofásica incluye refrigeración por aire, refrigeración líquida, flujo de chorro y refrigeración termoeléctrica.El enfriamiento por aire y el enfriamiento por líquido son más maduros y ampliamente utilizados, pero el efecto de disipación de calor es promedio.El enfriamiento multifásico incluye PCM, tubos de calor, electrohumectación y rociado.En general, la disipación de calor multifase absorbe una gran cantidad de calor latente debido al cambio de fase del fluido de trabajo y el efecto de disipación de calor es mejor, que es la dirección de desarrollo clave.
El método de transferencia de calor de los componentes se puede resumir como conducción de calor desde el chip hasta la carcasa del paquete.La parte inferior de la carcasa está conectada a la lámina de cobre de la placa de circuito impreso a través de cables, bolas de soldadura, etc. La lámina de cobre conduce el calor en el plano y el grosor de la placa de circuito impreso.La transferencia de calor en la dirección del plano es por conducción y convección.Sin embargo, la conducción de calor en la dirección del espesor debe atravesar el material de resina del sustrato y su conductividad térmica es muy baja.Por lo tanto, a menudo se proporcionan vías recubiertas de cobre.Conecte diferentes capas de lámina de cobre en la PCB para mejorar su conductividad térmica en la dirección del grosor.
Tome la figura 1 como ejemplo.La superficie superior del chip está conectada al disipador de calor y el calor se conduce hacia abajo a la lámina de cobre en la superficie superior de la PCB a través de las bolas de soldadura y el sustrato.Parte del calor se disipa por convección y conducción de calor en la dirección del plano, y el calor restante llega a la superficie inferior de la PCB a través de la vía térmica y se disipa por el disipador de calor.
El enfriamiento por aire se divide en convección natural y enfriamiento por aire forzado.El límite de flujo de calor es de unos 5 W/cm 2 .El enfriamiento por convección natural es pobre pero de bajo costo.Es ampliamente utilizado en dispositivos de bajo flujo de calor como televisores, etc. El enfriamiento por aire forzado tiene una fuerte disipación de calor, estructura simple, alta confiabilidad y es ampliamente utilizado en CPU, centros de datos, etc. Su investigación se centra en las aletas de enfriamiento y la optimización del control de flujo. .
El enfriamiento por líquido funciona mejor que el enfriamiento por aire porque la capacidad calorífica específica del líquido es mucho mayor que la del aire.Flujo de calor de refrigeración líquida convencional de hasta 24 W/cm2.El flujo de calor de la refrigeración líquida por microcanales puede superar los W/cm2.La refrigeración líquida incluye refrigeración por inmersión y platos frios liquidos.El enfriamiento por inmersión es sumergir el equipo en un refrigerante con conductividad térmica fuerte y conductividad débil.Se ha utilizado para enfriar centros de datos y estaciones base.Los parámetros operativos del enfriamiento por inmersión tienen una gran influencia en el efecto de enfriamiento.La circulación más rápida del sistema y la temperatura más baja del suministro de líquido favorecen el enfriamiento.
Placas frías líquidas tienen requisitos más bajos para el embalaje.Puede ponerse en contacto directamente con los componentes y tiene más escenarios de aplicación.La optimización de la estructura del canal puede mejorar la transferencia de calor.Como se muestra en la Figura 2, el modelo optimizado reduce la resistencia al flujo y mejora la disipación de calor.La temperatura máxima del TCP disminuyó un 0,27 % y un 1,08 %, respectivamente.La diferencia de temperatura disminuyó respectivamente en un 19,50% y un 41,88%.
El microcanal es un nuevo tipo de placa fría líquida generalmente incrustada en una placa de metal.El diámetro equivalente está entre 10 y 1000 μm.Debido a su pequeño tamaño, fuerte disipación de calor y buena uniformidad de temperatura, a menudo se usa en el campo aeroespacial.Además de la optimización estructural, el ajuste de la distribución del flujo es más efectivo para reducir la resistencia térmica y el consumo de energía que simplemente aumentar el caudal, como el algoritmo para ajustar la entrada del microcanal según la distribución de la temperatura.La investigación sobre nuevos fluidos de trabajo se centra en los nanofluidos y los metales líquidos.El metal líquido funciona mejor, pero consume más energía y es más corrosivo.El consumo de energía que requiere el nanofluido es similar al del agua, por lo que es un refrigerante ideal.
El flujo de chorro es un método de enfriamiento eficiente.Originalmente se utilizó en motores aeroespaciales y más tarde también en chips de alta potencia.El flujo de calor supera los 500 W/cm2.La dirección del flujo del chorro en el área del punto de estancamiento cambia y la eficiencia de transferencia de calor es alta, pero el efecto de enfriamiento disminuye rápidamente lejos de esta área.La estructura de múltiples boquillas puede resolver este problema.La investigación sobre refrigeración por chorro se centra en los parámetros estructurales y los fluidos de trabajo.Los parámetros estructurales incluyen el diámetro de la boquilla, la matriz, etc. Además, la estructura de la superficie de impacto también afecta el efecto de enfriamiento, por ejemplo, la superficie cónica puede aumentar el efecto de enfriamiento en un 11 % en comparación con la superficie plana.En cuanto a los fluidos de trabajo, existen muchos estudios sobre nanofluidos y metales líquidos, que tienen un mejor rendimiento que los fluidos tradicionales.
Como se muestra en la Figura 3, el enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier y los semiconductores se usan comúnmente como conductores.La refrigeración termoeléctrica tiene las ventajas de la miniaturización y la ausencia de ruido.Su flujo de calor es de hasta 15 W/cm2, que es muy adecuado para PCB con poco espacio.Su desventaja es la baja eficiencia de enfriamiento.En respuesta a este problema, además de optimizar el intercambio de calor en los extremos frío y caliente, lo más importante es mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos.Las propiedades clave de los materiales termoeléctricos incluyen la conductividad térmica κ, el coeficiente de Seebeck α y la conductividad eléctrica σ, que juntos forman zT.
zT refleja las propiedades termoeléctricas del material.Generalmente, es necesario aumentar zT, como aumentar la conductividad eléctrica o disminuir la conductividad térmica.Dopar diferentes materiales puede mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos, como dopar aleaciones en cristales de silicio para formar materiales eutécticos.El control de la microestructura, como el tamaño de grano y las fases secundarias, también puede mejorar las propiedades termoeléctricas de la aleación.También es importante elegir la configuración de propiedad física apropiada.Simplemente aumentando α o disminuyendo κ puede mejorar zT, pero no necesariamente obtener un mejor efecto de enfriamiento.
Un tubo de calor es un elemento de transferencia de calor de gran capacidad con un flujo de calor de más de 200 W/cm2.Con su estructura compacta y alta confiabilidad, es ampliamente utilizado en equipos electrónicos terminales.El tubo de calor utiliza el medio de trabajo para evaporarse en el extremo endotérmico del tubo de vacío y licuar en el extremo exotérmico para transferir calor.El material poroso del núcleo del tubo genera una fuerza capilar para mantener la circulación del fluido de trabajo.
Los equipos electrónicos generalmente usan tubos de calor ultradelgados, que se pueden unir estrechamente a la superficie de los componentes, incluidos los tubos de calor planos (UFHP) y los tubos de calor en bucle (ULHP).Funcionan igual que los tubos de calor tradicionales, con solo ligeros cambios en forma y estructura.UFHP es un tubo de calor cilíndrico tradicional perforado en una placa plana ultrafina.El ULHP, como se muestra en la Figura 4, separa el líquido y el gas en sus respectivos canales para que la circulación sea más fluida.Tiene las ventajas de larga distancia y antigravedad.
El tubo de calor pulsante de placa plana (FPPHP) es un ULHP especial que no necesita un núcleo de tubo y tiene las características de estructura simple y miniaturización.FPPHP forma un bucle serpenteante entre las fuentes de frío y calor.Debido a la acción de la fuente de calor, la inestabilidad de la presión en el extremo de evaporación y el extremo de condensación provoca un flujo bifásico complejo.El fluido de trabajo oscila espontáneamente en el canal para realizar la transferencia de calor.
Las cámaras de vapor son un tipo especial de UFHP.En comparación con los tubos de calor con transferencia de calor unidimensional, las cámaras de vapor tienen una mayor eficiencia de transferencia de calor y una mejor uniformidad de temperatura en superficies bidimensionales.Como se muestra en la Figura 5, tiene ventajas sobre la UFHP convencional.
La matriz es el núcleo para mantener la circulación del fluido de trabajo y también proporciona una interfaz para la transición de fase líquido-vapor.Por lo tanto, la puesta en marcha y el rendimiento de los tubos de calor dependen principalmente de la estructura del núcleo, que se puede dividir en núcleo microranurado, núcleo sinterizado y estructura de núcleo compuesto.La optimización del núcleo es principalmente para mejorar la fuerza capilar, la permeabilidad y reducir el peso para mejorar la eficiencia de entrega de líquido.Otra clave para el tubo de calor es el fluido de trabajo.La resistencia térmica es mínima cuando el fluido de trabajo UFHP solo llena el núcleo y demasiado líquido dificulta el flujo de vapor.El medio de trabajo de nanofluido tiene una mayor capacidad de cambio de fase, velocidad de flujo y fuerza impulsora de flujo.
Como componente flexible, los tubos de calor a menudo se combinan con otras tecnologías de disipación de calor para obtener mejores resultados.Tubo de calor - PCM es el más común.Además, existen cámaras de vapor - spray, heat pipes - refrigeración termoeléctrica, etc.
PCM tiene las ventajas de bajo costo, peso ligero y fuerte disipación de calor.Utiliza el calor latente del cambio de fase para estabilizar la temperatura de los componentes.Por ejemplo, PCM se derrite y absorbe calor durante el período de máxima potencia y se solidifica y libera calor durante el período de baja potencia.PCM necesita mejorar la conductividad térmica, como la microcápsula PCM, que aumenta el área de superficie específica de PCM para mejorar la conductividad térmica, y puede mejorarse aún más agregando nanomateriales, espuma metálica o grafito expandido.El PCM también se usa a menudo para llenar disipadores de calor porque las aletas ayudan a alejar el calor del PCM y el PCM también ayuda a las aletas a disipar el calor.
PCM generalmente se combina con otros métodos de enfriamiento, como tubería de calor - PCM, como se muestra en la Figura 6. La tubería de calor puede mejorar la conducción de calor de la PCM, y la PCM actúa como un condensador secundario para absorber parte de la disipación de calor de el tubo de calor.
La electrohumectación tiene un bajo consumo de energía y una respuesta rápida, y es adecuada para todo tipo de chips.Como se muestra en la Figura 7, el movimiento y la deformación de la gota dieléctrica están controlados por electrodos y el cambio de fase absorbe calor en el punto caliente para eliminar el punto caliente local.Su disipación de calor puede alcanzar el nivel de microcanales.La forma de la gota y la transición de fase afectan principalmente a la transferencia de calor, que está relacionada con la intensidad del campo eléctrico, la frecuencia y la temperatura.La evaporación puede promoverse aumentando la intensidad del campo eléctrico y la temperatura de la superficie.
Para promover la formación de una película líquida y reducir la fricción, es necesario optimizar la estructura y el material de la superficie de contacto de las gotas.Por ejemplo, el recubrimiento nanoporoso superhidrofílico puede promover la formación de una película líquida.Además, las nanopartículas pueden mejorar parámetros como el ángulo de contacto de las gotas y el diámetro de contacto, y aumentar la perturbación interna de las gotas para promover la transferencia de calor.
El spray tiene una alta disipación de calor y una gran capacidad de enfriamiento.El límite de flujo de calor alcanza los 1200 W/cm2.El medio de trabajo forma pequeñas gotas a través de la boquilla, y las gotas impactan en la superficie de calentamiento y experimentan un cambio de fase para absorber el calor.La perturbación de la película líquida por el impacto y el cambio de fase de la gota mejoran en gran medida la transferencia de calor.Los factores que afectan el enfriamiento por aspersión se dividen en parámetros operativos, características del refrigerante y características de la superficie de calentamiento.
Los parámetros operativos incluyen el caudal, el diámetro de las gotas, la dirección del rociado, etc. Disminuir el diámetro de las gotas promueve la evaporación más que aumentar la velocidad de las gotas.En la práctica, se usa comúnmente el rociado de múltiples boquillas.La ubicación de las boquillas también es un factor.Cuantas más boquillas, mayor es la presión de inyección, más rápida es la velocidad de enfriamiento.La aplicación de un campo eléctrico puede romper las gotas en gotas finas con un área de superficie específica más grande para mejorar la transferencia de calor.Bajo el control del campo eléctrico, la disipación de calor por electropulverización de diferentes formas puede aumentarse 2,8 veces.
Además de los nanofluidos, las mezclas de alcohol y agua, los tensioactivos también pueden mejorar la disipación del calor.El alcohol-agua puede reducir significativamente la tensión superficial de las gotas y el ángulo de contacto.Los surfactantes reducen la tensión superficial de las gotas y aumentan el diámetro de las gotas.La película de líquido puede espesarse más rápido, lo que es beneficioso para el flujo de la película de líquido para eliminar el calor.La superficie de calentamiento, es decir, la optimización de la estructura de la superficie, como la estructura de ranura recta, puede mejorar el efecto de transferencia de calor en un 64,2%.Al aumentar la microrrugosidad de la superficie, la transferencia de calor se puede mejorar en aproximadamente un 116 %.La transferencia de calor se puede mejorar aún más agregando microrrugosidad a la superficie de la aleta.
La optimización de estructuras como las aletas puede mejorar la turbulencia de la capa límite para mejorar la transferencia de calor, pero también con una mayor resistencia al flujo.Para resolver este problema multiobjetivo, el objetivo de la investigación es mejorar la transferencia de calor y reducir el consumo de energía.Los experimentos ortogonales, los algoritmos genéticos y la topología se utilizan comúnmente para optimizar la estructura del radiador y los parámetros operativos.La microestructura de la superficie del radiador también afecta significativamente la generación de burbujas en el enfriamiento por ebullición y el ángulo de contacto de las gotas en el rocío, etc.
Los nanofluidos tienen una alta conductividad térmica y se pueden utilizar en la mayoría de las tecnologías de refrigeración.Mantener la estabilidad de los nanofluidos es un tema clave.Los métodos para la estabilización a corto plazo de los nanofluidos incluyen la sonicación, el cambio del pH y la adición de dispersantes.Aún deben explorarse métodos para mantener la estabilidad de los nanofluidos a largo plazo.La concentración, el tipo, el tamaño, etc. de las nanopartículas afectarán el rendimiento de la transferencia de calor y el consumo de energía del flujo.Una alta concentración de partículas mejorará la transferencia de calor y brindará una mayor resistencia al flujo, y se necesita una gran cantidad de experimentos para determinar los parámetros óptimos.El uso de nanopartículas en materiales de gestión térmica puede mejorar el rendimiento de la transferencia de calor, que está relacionado con la concentración y la forma de las partículas.Actualmente, la incorporación de nanopartículas en PCM ha sido ampliamente estudiada.El uso de nanopartículas para materiales como interfaces térmicas, empaques electrónicos, etc., necesita más investigación.
Para los escenarios de aplicación, se utilizan múltiples tecnologías de disipación de calor para ayudarse mutuamente a lograr el efecto óptimo, lo que brinda nuevas ideas para el desarrollo futuro de la refrigeración electrónica.Tradicional como tubería de calor-PCM, tubería de calor-refrigeración por aire, refrigeración líquida PCM, etc., a medida que se proponen más tecnologías de disipación de calor, la dirección de desarrollo es acoplar nuevas tecnologías.Las tuberías de calor y los PCM pueden ayudar de manera flexible a otras tecnologías y merecen un estudio más detallado.
Los PCB y los componentes altamente integrados tienden a generar una gran cantidad de calor en un corto período de tiempo y forman puntos calientes locales, y el sistema de enfriamiento debe responder rápidamente.Es más económico ajustar la distribución y el flujo del líquido refrigerante según la ubicación del punto caliente.Para ello, se requiere tecnología de control precisa, como microcanales que ajusten el tamaño de la entrada de líquido.Los campos eléctricos pueden controlar con precisión y flexibilidad el flujo de líquidos dieléctricos, como la electrohumectación, la pulverización y otros escenarios.En el futuro, los campos eléctricos pueden usarse para controlar el flujo en más aplicaciones.
Los equipos electrónicos actuales se enfrían principalmente por aire.El diseño de la disposición de los componentes puede optimizar la disipación de calor, como la disposición de vías térmicas para mejorar la conducción de calor longitudinal de PCB.De acuerdo con el calentamiento y la resistencia al calor de los componentes, se colocan a lo largo del flujo de aire, y los componentes de alto calentamiento y resistencia al calor se colocan aguas abajo, y los componentes de bajo calentamiento y resistencia al calor se colocan aguas arriba.O considere la disposición de reflujo del flujo de aire causada por la altura de los componentes.
En la mayoría de los casos, el medio de trabajo fluye, y la vibración y el ruido generados por las fluctuaciones de la presión del fluido, el desprendimiento de corrientes de Foucault y la separación turbulenta de los límites en la planta de energía no son propicios para el trabajo a largo plazo de los equipos electrónicos.Si se mejora la vibración del ventilador, es necesario ajustar el ángulo del viento de acuerdo con el campo de flujo para reducir la velocidad de las palas.El desarrollo de nuevos dispositivos de potencia, como cuchillas piezoeléctricas con flexión y resonancia de cuchillas, no solo puede reducir la vibración y el ruido, sino también satisfacer las necesidades de peso ligero y miniatura.
Debido a la alta integración y la alta potencia de las placas de circuito impreso y sus componentes electrónicos, el problema de la falla térmica de los equipos electrónicos se ha vuelto cada vez más prominente y se ha convertido en la clave para restringir el desarrollo de la tecnología electrónica.Aquí presentamos la disipación de calor a nivel del sistema de las placas de circuito impreso y sus componentes electrónicos.tecnología.Se divide en tecnología de disipación de calor monofásica y tecnología de disipación de calor multifásica, y analiza el progreso de la investigación de refrigeración por aire, refrigeración líquida, flujo de chorro, refrigeración termoeléctrica, tubería de calor, PCM, electrohumectación y pulverización.La investigación existente optimiza principalmente la estructura de disipación de calor, los parámetros operativos, los materiales y los fluidos de trabajo, y el acoplamiento de la tecnología de disipación de calor.Finalmente, se presentan varias prioridades de desarrollo, incluido el diseño del disipador de calor, la aplicación de nanopartículas, el acoplamiento de tecnología de disipación de calor, la tecnología de control de precisión, el diseño de PCB, la reducción de vibraciones y la reducción de ruido, y se brindan sugerencias para un mayor desarrollo.