Technologie produkcji płyt na zimno i kluczowe wyzwania

Wraz z ciągłym rozwojem elektroniki dużej mocy w branżach takich jak centra danych, pojazdy elektryczne, magazynowanie energii i wysokowydajne komputery, zarządzanie temperaturą stało się kluczowym czynnikiem niezawodności i wydajności systemu. Tradycyjne rozwiązania chłodzenia powietrzem są coraz bardziej niewystarczające w przypadku dzisiejszych zastosowań o dużym strumieniu ciepła. W rezultacie, płyta chłodząca cieczą, znana również jako radiator chłodzony cieczą, stała się kluczowym elementem nowoczesnych systemów chłodzenia płytą chłodzącą.

W artykule tym przedstawiono kompleksowy przegląd technologii płyt chłodzących cieczą, obejmujący zasady działania, typowe rodzaje płyt chłodzących, wyzwania produkcyjne i zaawansowane procesy łączenia. Jego celem jest pomoc inżynierom i osobom decyzyjnym w lepszym zrozumieniu rozwiązań w zakresie chłodzenia cieczą przy użyciu płyt chłodzących oraz w wyborze najbardziej odpowiedniego podejścia do ich zastosowań.

1. Czym jest płyta chłodząca cieczą?

płyta chłodząca cieczą (nazywana również płytą chłodzącą cieczą lub płytą chłodzącą wodą) to urządzenie przenoszące ciepło, które odprowadza ciepło z podzespołów dużej mocy poprzez cyrkulację chłodziwa przez wewnętrzne kanały.

Podstawowa zasada działania chłodzenia płytowego jest następująca:

1. ciepło jest generowane przez elementy elektroniczne, takie jak procesory, karty graficzne, moduły zasilania lub baterie

2. ciepło jest przewodzone z urządzenia do radiatora zimnej płyty poprzez bezpośredni kontakt

3. czynnik chłodzący przepływa przez kanały wewnętrzne, pochłaniając i odprowadzając ciepło

4. podgrzana ciecz jest przenoszona do zewnętrznego wymiennika ciepła w celu rozproszenia

w porównaniu z chłodzeniem powietrznym, płyty chłodzące wodą oferują:

• wyższa wydajność wymiany ciepła

• bardziej równomierny rozkład temperatury

• kompaktowa integracja systemu

• doskonała wydajność w środowiskach o dużym strumieniu ciepła

W zastosowaniach komputerowych tę samą zasadę stosuje się w blokach wodnych procesorów, blokach chłodzących procesory oraz procesorach graficznych z blokami wodnymi, gdzie kompaktowy blok wodny bezpośrednio chłodzi procesory.

2. Typowe typy płyt chłodzących cieczą i związane z nimi wyzwania

Różne zastosowania wymagają różnych struktur płyt chłodzących cieczą. Dobór materiałów, konstrukcja kanałów wewnętrznych i metody produkcji mają bezpośredni wpływ na wydajność, koszty i niezawodność.

2.1 rura w płycie, płyta chłodząca cieczą

Konstrukcje typu rura w płycie polegają na osadzeniu metalowych rur w płycie bazowej w celu utworzenia kanałów chłodziwa.

zalety:

• prosta struktura

• niskie koszty produkcji

• nadaje się do zastosowań o małej i średniej mocy

wyzwania:

• ograniczona gęstość kanałów zmniejsza wydajność chłodzenia

• wiele interfejsów termicznych zwiększa odporność termiczną

• połączenia rur miedzianych i płyt aluminiowych mogą powodować korozję galwaniczną

• nie nadaje się do wydajnych systemów chłodzenia płytowego

2.2 płyta chłodząca cieczą z otworami lufowymi

wiercenie lufowe polega na wytworzeniu prostych wewnętrznych kanałów wewnątrz litej płyty metalowej, które następnie zostają uszczelnione na końcach.

zalety:

• wysoka wytrzymałość mechaniczna

• gładkie wewnętrzne powierzchnie kanałów

• niezawodny przy umiarkowanych obciążeniach cieplnych

wyzwania:

• proste kanały ograniczają elastyczność projektowania

• trudno jest produkować płyty dłuższe niż 500 mm z dużą precyzją

• korki końcowe są potencjalnymi punktami wycieku

• mniej nadaje się do złożonych układów termicznych

2.3 lutowana na zimno płyta płynna

lutowaną na zimno płytę cieczą wytwarza się poprzez wycięcie kanałów przepływowych w płycie bazowej i trwałe połączenie jej z płytą pokrywową metodą lutowania próżniowego.

zalety:

• umożliwia złożone projekty kanałów wewnętrznych

• doskonała wydajność termiczna

• równomierny rozkład temperatury

• powszechnie stosowane w zaawansowanych systemach chłodzenia cieczą z płytą chłodzącą

wyzwania:

• wymaga drogich pieców do lutowania próżniowego

• długie cykle produkcyjne (6–8 godzin na partię)

• wysoka wrażliwość na czystość powierzchni i kontrolę procesu

• wyższe koszty produkcji i ograniczona elastyczność

2.4 wbudowana rurowa płyta chłodząca

W tym projekcie wygięte rury są wciskane, lutowane lub łączone z płytą bazową.

zalety:

• bardziej elastyczne prowadzenie kanałów niż w przypadku rur montowanych na powierzchni

• kompatybilny z rurami aluminiowymi, miedzianymi lub ze stali nierdzewnej

wyzwania:

• złożony proces montażu

• spójność jakości w dużej mierze zależy od wykonania

• wersje lutowane są drogie i trudne w naprawie

3. Porównanie procesu produkcji płyt chłodzących cieczą

Wydajność i niezawodność płyty chłodzącej cieczą w dużym stopniu zależą od technologii łączenia i uszczelniania. Różne metody produkcji wiążą się z różnymi kompromisami.

3.1 typowe technologie łączenia

3.2 spawanie tarciowe płyt na zimno

spawanie tarciowe z mieszaniem (fsw) to proces łączenia materiałów stałych, w którym ciepło wytwarzane jest poprzez tarcie mechaniczne, a nie poprzez topienie materiału.

Główne zalety produkcji płyt chłodzących cieczą obejmują:

• brak topienia, zachowanie pierwotnej przewodności cieplnej

• gęste, pozbawione pustych przestrzeni spoiny z niemal zerowym ryzykiem wycieku

• wysoka wytrzymałość mechaniczna, zbliżona do materiału bazowego

• krótkie cykle spawania, idealne do automatyzacji

• koszty produkcji 2–10 razy niższe niż lutowanie

Technologia fsw jest coraz częściej stosowana w płytach chłodzących cieczą OEM, płytach chłodzących cieczą ODM oraz niestandardowych płytach chłodzących o dużej objętości.

4. scenariusze zastosowań

Płyty chłodzące cieczą są powszechnie stosowane w zastosowaniach wymagających wydajnego zarządzania temperaturą, w tym:

• centra danych i serwery (blok chłodzący procesora, najlepsze rozwiązania bloków wodnych procesora)

• akceleratory AI i GPU z systemami bloków wodnych

• elektronika mocy pojazdów elektrycznych

• pakiety akumulatorów i systemy magazynowania energii

• sprzęt telekomunikacyjny i infrastruktura 5G

• zasilacze przemysłowe i falowniki

5. Kluczowe czynniki przy wyborze płyty chłodzącej cieczą

Przy wyborze niestandardowej płyty chłodzącej cieczą należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

• obciążenie cieplne i gęstość strumienia ciepła

• rodzaj chłodziwa i ciśnienie robocze

• warunki środowiskowe

• wymagania dotyczące niezawodności i żywotności

• cele kosztowe i wolumen produkcji

• potrzeby dostosowywania i integracji

Współpraca z doświadczonym producentem płyt chłodzących gwarantuje optymalną równowagę między wydajnością, niezawodnością i ceną.

Płyta chłodząca cieczą jest kluczowym elementem nowoczesnych systemów chłodzenia cieczą wykorzystujących płytę chłodzącą. Tradycyjne rozwiązania, takie jak konstrukcje rurowe w płycie i wiercone lufami, nadal sprawdzają się w niektórych zastosowaniach, natomiast zaawansowane procesy, takie jak lutowanie próżniowe i spawanie tarciowe, napędzają rozwój branży.

spośród nich płyty chłodzące cieczą, spawane tarciowo, zapewniają najlepszą równowagę:

• wydajność cieplna

• wytrzymałość mechaniczna

• niezawodność bez wycieków

• efektywność kosztowa

Ponieważ popyt na wydajne chłodzenie stale rośnie, niestandardowe płyty chłodzące, płyty chłodzące cieczą OEM i płyty chłodzące cieczą ODM będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w rozwiązaniach zarządzania temperaturą nowej generacji.