Plaque de refroidissement liquide à microcanaux : un sauveur de refroidissement pour les puces à haute densité de puissance : une analyse complète du processus à la conception
Avec l'augmentation constante des performances des puces, la densité de puissance explose et devient une tendance irréversible. Des puces d'IA dans les centres de données aux modules IGBT des véhicules à énergies nouvelles, les densités de flux thermique local dépassent souvent 100 W/cm². Le refroidissement par air traditionnel ne suffit plus à gérer ces pics de température localisés. L'accumulation de chaleur entraîne non seulement une réduction de la fréquence et des ralentissements, mais peut également endommager irrémédiablement la puce par surchauffe. C'est là qu'interviennent les plaques de refroidissement liquide à microcanaux, capables de contrôler précisément la température locale. Grâce à la création de minuscules canaux d'écoulement (généralement de 0.05 à 0.5 mm de diamètre) au sein de la plaque, le liquide de refroidissement est en contact direct avec la source de chaleur, ce qui permet une dissipation thermique 5 à 10 fois supérieure à celle du refroidissement par air. Ces plaques constituent ainsi une solution essentielle pour la gestion thermique des puces haute puissance.
Trois procédés de fabrication de base pour la production de plaques de refroidissement liquide à microcanaux
1. Extrusion de profil
Il s'agit de la méthode de production en série la plus aboutie. À l'aide d'une extrudeuse métallique, des alliages d'aluminium, du cuivre et d'autres matériaux sont extrudés à partir d'un moule sur mesure, formant ainsi en une seule étape un substrat de plaque de refroidissement liquide doté de microcanaux.
• Avantages : Haute efficacité de production, faible coût et parois internes des canaux lisses (résistance à l’écoulement réduite). Convient aux applications avec des canaux de grande taille (1 à 3 mm) et une production en grande série, telles que les systèmes de propulsion électrique automobile et le refroidissement des modules de batteries pour la gestion thermique.
Limitations : En raison des limitations du moule d'extrusion, il est impossible de produire des canaux de formes complexes et irrégulières. Un raccordement en série est nécessaire. Des canaux longs peuvent entraîner une différence de température stable entre l'entrée et la sortie. Cependant, ce problème peut généralement être résolu à des débits élevés, généralement avec une différence de température d'environ 4 à 5 °C, ce qui reste acceptable.
2. Procédé d'ailettes effilées
Ce procédé, souvent appelé « gravure de précision », utilise un outil à grande vitesse pour découper directement des microcanaux denses dans la surface d'un substrat métallique (principalement du cuivre ou de l'aluminium). Le couvercle et la base à ailettes sont ensuite soudés par friction-malaxage ou brasage pour former un canal d'écoulement étanche. Afin de réduire les coûts, les deux éléments peuvent souvent être assemblés à l'aide d'un joint torique en silicone. Toutefois, ce procédé présente un risque de fuite et exige une définition précise des spécifications du joint torique et des rainures d'étanchéité.
• Avantages : Le canal d’écoulement et le substrat sont sans joint, ce qui assure un transfert de chaleur extrêmement efficace (élimination de la résistance thermique interfaciale). Ceci permet la fabrication d’ailettes extrêmement fines (moins de 0.05 mm d’épaisseur) et de canaux ultrafins, ce qui rend cette technologie adaptée aux applications à très haute densité de flux thermique, notamment dans les centres de données et les serveurs équipés de processeurs/ GPU de grande taille.
3. Processus d'emboutissage et de brasage
Il s'agit d'une approche flexible et innovante. Une feuille de métal (en acier inoxydable ou en alliage d'aluminium, par exemple) est d'abord emboutie pour former une couche rainurée formant un canal d'écoulement, puis assemblée à la plaque de recouvrement par brasure (soudure à haute température) pour former une plaque de refroidissement liquide complète.
• Avantages : Le degré élevé de liberté dans la conception des canaux d'écoulement permet des canaux personnalisés et de forme personnalisée en fonction de la distribution de la source de chaleur (tels que des canaux courbes qui suivent le contour de la puce) et est compatible avec une variété de matériaux métalliques (y compris l'acier inoxydable haute température).
• Limites : Le procédé de brasage exige un contrôle strict de la température et de l'atmosphère. Une soudure mal serrée peut facilement entraîner des fuites. De plus, le procédé comporte plusieurs étapes (emboutissage, nettoyage, brasage et essais), ce qui allonge le cycle de production. De même, le motif d'emboutissage irrégulier crée une résistance importante des canaux d'écoulement. De plus, en raison du métal d'apport de brasage, le produit fini nécessite un nettoyage des canaux d'écoulement et des essais de résistance à l'écoulement. Par conséquent, ce procédé est relativement coûteux, avec des moules coûteux et la nécessité d'utiliser des matériaux de montage de soudage spécialisés, comme le graphite, qui est relativement onéreux.
II. « Doubles vérifications » des performances des plaques froides liquides : tests et équipement
Une plaque de refroidissement liquide à microcanaux complète doit être soumise à des tests rigoureux avant son déploiement. L'accent est mis sur l'efficacité de la dissipation thermique et le contrôle de la résistance à l'écoulement, deux aspects qui ont un impact direct sur les performances de la puce et la consommation énergétique du système (une résistance à l'écoulement excessive augmente la consommation d'énergie de la pompe).
1. Éléments clés du test
Test de dissipation thermique : simule les conditions réelles de fonctionnement de la puce. Une puissance calorifique cible (par exemple, 200 W ou 500 W) est appliquée via un élément chauffant. La température de surface de la plaque de refroidissement liquide est surveillée à l'aide d'un thermocouple ou d'une caméra thermique infrarouge afin de vérifier que la température maximale ne dépasse pas XX °C est respectée (par exemple, les puces de serveur nécessitent généralement une température de surface ≤ 85 °C).
• Test de résistance à l'écoulement : Mesurer la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la plaque de refroidissement liquide à différents débits (par exemple, 0.5 à 2 m/s) afin de s'assurer qu'elle se situe dans la plage admissible du système (généralement ≤ 50 kPa). Cela évite qu'une résistance excessive à l'écoulement n'entraîne une mauvaise circulation du liquide de refroidissement.
2. Outils et équipements de base
• Logiciels de simulation : ANSYS Icepak , Fluent et d’autres logiciels sont utilisés dans la phase de conception préliminaire pour simuler l’écoulement du fluide de refroidissement et la distribution de température, permettant une pré-optimisation de la structure du canal d’écoulement (par exemple, l’ajout de déflecteurs et l’ajustement de la densité du canal) afin de réduire le coût des itérations du prototype physique.
• Équipement expérimental : Il comprend un réservoir d’eau à température constante (pour contrôler la température du liquide de refroidissement), un débitmètre de haute précision (pour surveiller le débit), un capteur de pression différentielle (pour mesurer la résistance à l’écoulement) et un fluxmètre thermique (pour calibrer la puissance thermique). Certains scénarios nécessitent également une chambre haute température (pour simuler des températures extrêmes allant de -40 °C à 85 °C).
Équipement de production : Extrudeuse (pour l'usinage des profilés), machine de découpe CNC de haute précision (Skived Fin) et presse d'emboutissage avec four de brasage sous vide (pour l'emboutissage et le brasage). Le four de brasage nécessite un vide contrôlé ou une atmosphère protectrice (par exemple, de l'azote) pour éviter l'oxydation du métal.
III. Conception de plaques froides à microcanaux : huit paramètres clés déterminent le succès
Concevoir une plaque froide liquide ne se résume pas à dessiner des canaux au hasard ; cela nécessite une rétro-ingénierie basée sur des conditions de fonctionnement réelles. Les huit paramètres suivants sont les pierres angulaires de la conception, et aucun d'entre eux ne peut être ignoré :
1. Type de liquide de refroidissement : Choisir le fluide en fonction de l'environnement. L'eau déionisée (faible coût et capacité thermique massique élevée) est utilisée pour les applications générales ; les solutions d'éthylène glycol et d'eau (antigivrage) sont utilisées pour les applications à basse température ; et l'huile minérale (isolante et adaptée aux composants sous tension) est utilisée pour les températures élevées ou les environnements spéciaux.
2. Débit du liquide de refroidissement : Plus le débit est élevé, meilleure est la dissipation thermique, mais plus grande est la résistance à l'écoulement. Une approche équilibrée est nécessaire (généralement de 0.8 à 1.5 m/s, selon la capacité de la pompe du système).
3. Température d'entrée du liquide de refroidissement : elle détermine le différentiel de température de dissipation thermique. Par exemple, les centres de données nécessitent généralement une température d'entrée de l'eau ≤ 35 °C, tandis que les applications automobiles peuvent nécessiter ≤ 45 °C.
4. Différence de pression maximale admissible : Elle est déterminée par la hauteur manométrique de la pompe du système. Lors de la conception, il faut s'assurer que la différence de pression de la plaque de refroidissement liquide au débit cible est inférieure ou égale à la différence de pression maximale de sortie de la pompe (par exemple, ≤ 30 kPa).
5. Température ambiante : Elle affecte l'efficacité de la dissipation thermique. Par exemple, les équipements extérieurs doivent tenir compte des températures estivales (supérieures à 40 °C), tandis que les centres de données doivent maintenir une température autour de 23 °C.
6. Puissance calorifique cible : définissez la dissipation thermique totale requise (par exemple, 300 W pour une seule puce, 800 W pour un module multi-puces) pour calculer la surface totale de dissipation thermique du canal d'écoulement.
7. Format et interface : Les dimensions de la plaque de refroidissement liquide doivent être adaptées à l'espace d'installation de l'équipement (par exemple, en fonction des restrictions de taille des cartes PCIe du serveur). Les connecteurs d'entrée et de sortie doivent être positionnés de manière à faciliter l'agencement de la tuyauterie (entrée latérale, sortie latérale, entrée supérieure, sortie supérieure sont courantes). Les spécifications de l'interface doivent correspondre à la tuyauterie du système (par exemple, connexion rapide, filetage).
8. Exigence de température de surface : Il s'agit d'une spécification fondamentale : la température maximale (par exemple, ≤ 80 °C) et minimale (pour éviter la condensation, généralement ≥ point de rosée ambiant + 5 °C) de la surface de contact de la plaque de refroidissement liquide avec la puce doivent être clairement définies. Cela détermine directement la densité des canaux d'écoulement et le débit du liquide de refroidissement.
Le tableau suivant présente les paramètres et éléments de base dont nous avons généralement besoin lors de la conception et de l'analyse thermiques pour nos clients. Il nous permet de bien comprendre leurs exigences et les conceptions de nos ingénieurs.
Conclusion
L'intérêt des plaques de refroidissement liquide à microcanaux réside dans leur capacité à répondre aux contraintes thermiques locales des puces haute puissance grâce à une fabrication et une conception précises. De la rentabilité des profils de production en série à la dissipation thermique extrême des ailettes, en passant par la personnalisation flexible de l'emboutissage et du brasage, ces trois procédés répondent aux besoins de scénarios variés. Des tests et une conception précis garantissent le fonctionnement stable et efficace des plaques de refroidissement liquide. Avec l'augmentation continue de la densité de puissance des puces, la technologie des microcanaux évoluera vers des canaux encore plus petits (par exemple, inférieurs à 0.1 mm) et des composites multi-matériaux (par exemple, des combinaisons cuivre-aluminium pour réduire les coûts), garantissant ainsi le refroidissement continu des puces.
