Après avoir déterminé des paramètres tels que le matériau, le liquide de refroidissement, la résistance thermique et la distribution du débit, la conception d'un Plaque refroidie par liquide AI est loin d'être achevée. Pour garantir le fonctionnement stable, efficace et durable de la plaque froide dans les systèmes pratiques, il est nécessaire de se concentrer sur la résolution des trois problèmes techniques clés suivants :
1) Optimisation de la résistance à l'écoulement : Assurez-vous que le liquide de refroidissement peut circuler à travers la plaque froide à un débit suffisant pour répondre aux exigences de dissipation de chaleur et éviter un débit insuffisant du système.
2) Conception résistante à la pression : empêche la plaque froide de se déformer sous la pression de fonctionnement, ce qui peut entraîner de graves problèmes tels qu'une défaillance de l'étanchéité (fuite) et une mauvaise adhérence avec la puce chauffante (résistance thermique accrue).
3) Fiabilité opérationnelle à long terme : Assurer des performances stables et sans détérioration de la plaque froide pendant sa durée de vie, le but étant d'empêcher le blocage des ailettes, la corrosion et l'entartrage.
Cet article se concentrera sur ces trois aspects, en fournissant des idées d’optimisation de conception et des suggestions pratiques.
Optimisation de la résistance à l'écoulement des plaques froides
Objectif : réduire la résistance à l’écoulement et garantir que le débit du système répond aux exigences de refroidissement.
Défi : Comme la puissance des puces GPU/ASIC dépasse 1000 150 W et que la densité de puissance augmente (~ 0.15 W/cm²), des ailettes plus fines (écart ≤ XNUMX mm) doivent être utilisées, ce qui entraîne une augmentation significative de la résistance à l'écoulement de la plaque froide.
1.1 Solutions conventionnelles et limites :
Conception traditionnelle : un côté de l'ailette reçoit le liquide et l'autre côté reçoit le liquide.
Conditions applicables : lorsque l'espacement des ailettes est ≥ 0.2 mm, la résistance à l'écoulement est relativement faible (généralement < 10 kPa), ce qui est acceptable.
Problème : lorsque l'espacement des ailettes est ≤ 0.15 mm, la résistance à l'écoulement de ce schéma est trop élevée.
1.2 Plan d'optimisation : Principe d'entrée par le haut et de sortie des deux côtés : L'écoulement entre les ailettes de la plaque froide est généralement laminaire et la résistance à l'écoulement △ P est approximativement proportionnelle à la vitesse d'écoulement V et à la longueur des ailettes L, △ P ∝ K * V * L
Détails du plan :
Déplacez l'entrée directement au-dessus de la zone des ailerons.
Installez des sorties de liquide de chaque côté de la zone des ailerons.
Effet d'optimisation :
La longueur du trajet d'écoulement L est divisée par deux (ce qui équivaut à passer d'une seule extrémité à une direction d'écoulement centrale).
Sous le même débit total, la vitesse d'écoulement V à travers les ailettes est divisée par deux.
Par conséquent, la résistance à l'écoulement △ P dans la zone des ailettes est réduite à environ 1/4 du schéma d'entrée et de sortie unilatéral.
Avantages : Réduit considérablement la résistance à l'écoulement des plaques froides à haute densité de puissance et à petit espacement des ailettes, garantissant ainsi l'écoulement du système.
Ainsi, le canal d'écoulement à 1 entrée et 2 sorties conçu par nos ingénieurs de Kenfa Tech permet de résoudre le problème de la résistance excessive à l'écoulement dans les plaques de refroidissement liquide AI.
Amélioration de la résistance à la pression de la plaque froide
Pour éviter la déformation de la plaque froide sous pression lorsque le substrat de la plaque froide est extrêmement fin (1 à 2 mm), garantissant une étanchéité fiable et un bon contact avec la puce.
Problème structurel conventionnel : Plaque froide à dents de pelle en cuivre typique : Le haut des ailettes n'est pas soudé à la plaque de recouvrement.
Modèle mécanique : équivalent à une plaque plane de dimensions longueur (a) x largeur (b), avec des bords contraints et soumis à une pression uniformément répartie (P).
Théorie de la résistance à la pression (théorie classique des coques) :
Formule de la pression maximale admissible : P=β * σ * (t/b) ²
P : Pression (MPa)
σ : Contrainte admissible du matériau (MPa)
t : Épaisseur de la plaque de recouvrement (mm)
b : Largeur de la plaque perpendiculaire à la direction du renforcement (mm) – dimension critique
β : Facteur de forme (selon le rapport hauteur/largeur a : b)
Formule pour l'épaisseur de couverture requise : t=b * √ (β * P/σ)
Facteur de forme β (influence du rapport hauteur/largeur a: b) :
1:1, β=0.307
2:1, β=0.497
3:1, β=0.616
4:1, β=0.697
6:1, β=0.750
Ainsi, lors de la détermination de la taille (axb) de la zone des ailettes de la plaque froide, la réduction de la largeur b peut améliorer considérablement la résistance maximale à la pression P. Ajout de nervures de renfort médianes : ajout de structures de support au milieu de la zone des ailettes. Soudez le substrat de la plaque froide, les nervures de renfort et la plaque de recouvrement pour former une structure rigide. (Laissez un espace de 0.05 à 0.1 mm entre les ailettes et la plaque de recouvrement). Effet : Réduit efficacement la dimension critique b (qui devient l'espacement entre les nervures de renfort) lors du calcul de la résistance à la pression, améliorant considérablement la capacité de résistance à la pression. Parallèlement, soudage des ailettes supérieures : Soudez le haut des ailettes à la plaque de recouvrement dans son ensemble. Effet : L'utilisation d'ailettes à microcanaux denses comme points de support améliore considérablement la rigidité structurelle et la résistance à la déformation. Lorsque la fabrication est excellente, l'utilisation de nervures de renfort peut être remplacée ou réduite. Améliore considérablement la capacité de résistance à la pression.
Fiabilité à long terme du fonctionnement de la plaque froide
Prévenir la dégradation des performances (augmentation de la résistance thermique, diminution du débit, fuites) et garantir un fonctionnement stable à long terme. Débris métalliques, corps étrangers d'assemblage, produits de corrosion et dépôts de tartre/biofilm dans les petits interstices des ailettes, entravant l'écoulement et le transfert de chaleur. Le cuivre subit une fluidification lente et uniforme dans l'eau pure. Corrosion localisée : Plus nocive, notamment la corrosion par érosion (fortement accélérée à des débits supérieurs à 1.5 m/s) et la corrosion microbienne.
Corrosion acide. Conséquences : amincissement des ailettes, diminution de la résistance, défaillance des joints (fuites) et dégradation des performances. Parallèlement, elle est sujette à l'entartrage, avec dépôt de dépôts inorganiques tels que le carbonate de calcium (CaCO3), le carbonate de magnésium (MgCO3) et l'encrassement biologique à la surface des ailettes. Augmentation significative de la résistance au transfert thermique et réduction des performances de dissipation thermique.
Chez Kenfa Tech, nous fournissons généralement aux clients des solutions de conception et des recommandations qui garantissent une configuration du système avec une surprécision de ≤ 50 μ m (300 mesh) pour filtrer les grosses particules telles que les débris métalliques et les scories de soudage.
Tous les composants sont nettoyés avant de quitter l'usine afin de garantir l'absence de gros résidus de particules, et toutes les interfaces de tuyauterie sont équipées de bouchons d'étanchéité. Parallèlement, la qualité de l'eau est contrôlée et un pH < 9 doit être rigoureusement contrôlé et surveillé. Des inhibiteurs de corrosion < 10 ppm, des fongicides < 12 ppm, des sulfures < 15 ppm, des sulfates < 100 ppm, des chlorures < 50 ppm et une conductivité < 0.2-20 µs/cm sont ajoutés au liquide de refroidissement selon les proportions.
Conclusion:
La conception fiable des plaques de refroidissement liquide pour l'IA est essentielle au succès des systèmes de dissipation thermique hautes performances et ne se résume pas à des calculs de performance. Cet article explore trois dimensions fondamentales :
1) Optimisation de la résistance à l'écoulement : Pour répondre au problème de résistance accrue à l'écoulement causé par le rétrécissement des interstices entre les ailettes sous forte densité de puissance, un schéma d'optimisation « entrée par le haut et sortie sur les deux côtés » a été proposé et démontré. Ce schéma permet de réduire significativement la perte de charge dans la zone du microcanal, jusqu'à environ 1/4 de celle d'un schéma traditionnel à entrée et sortie sur un seul côté, en divisant par deux la longueur effective du trajet d'écoulement et la vitesse d'écoulement.
2) Amélioration de la résistance à la pression : Sur la base de la théorie classique des coques, les effets déterminants de l'épaisseur du revêtement (t), de la largeur critique (b), de la contrainte admissible du matériau (σ) et du rapport d'aspect (β) sur la résistance maximale à la pression (P) de la plaque froide ont été clarifiés. Deux solutions techniques efficaces ont été proposées : l'ajout de nervures de renfort intermédiaires et le recours à la technologie de soudage par points. La première améliore la résistance à la pression en réduisant la dimension critique b, tandis que la seconde utilise les ailettes elles-mêmes et la plaque de revêtement pour former une structure de support intégrée, solution privilégiée pour améliorer la rigidité et la résistance à la pression.
3) Fiabilité opérationnelle à long terme : Trois risques majeurs menaçant la fiabilité à long terme ont été systématiquement identifiés : le colmatage, la corrosion et l'entartrage. Pour maîtriser ces risques, un contrôle strict de la qualité de l'eau du fluide caloporteur circulant (TCS) à l'intérieur de la plaque froide doit être mis en œuvre, avec des normes bien plus strictes que celles de l'eau primaire (FWS). Conformément aux directives de l'ASHRAE, les exigences techniques relatives aux principaux paramètres de qualité de l'eau (pH, inhibiteurs de corrosion, fongicides, concentration ionique, matières en suspension, micro-organismes, etc.) sont détaillées.
Ce n'est que grâce à une conception soignée et à un contrôle strict dans ces trois dimensions que la plaque froide peut maintenir d'excellentes performances de dissipation thermique, une intégrité structurelle et une stabilité du système pendant une charge élevée et un fonctionnement à long terme, offrant une garantie de refroidissement fiable pour les appareils électroniques haute puissance.
