Жидкостная система охлаждения в современных компактных корпусах высокой мощности

Введение

Закон Мура предсказал резкое увеличение плотности размещения электронных компонентов в корпусах изделий, произошедшее за последние десятилетия. Одновременно с увеличением коэффициента использования объема изделия увеличивается и плотность тепловых потоков.

В современных силовых модулях для промышленных применений уровень рассеиваемой мощности на один квадратный сантиметр площади корпуса достиг нескольких сотен ватт. Тепловые потери современных микропроцессоров в компьютерах (главный процессор, видеопроцессор) имеют такой же порядок. Мощные лазерные диоды и сверхъяркие светодиоды генерируют больше тепловой энергии на единицу площади, чем самые мощные силовые модули. Возможности обычных систем воздушного охлаждения практически исчерпаны, но проблемы рассеивания тепла могут быть во многом решены с помощью жидкостных систем охлаждения. Ситуация в современной электронике напоминает ситуацию в автомобильном двигателестроении: по мере роста мощности двигателей все меньше оставалось автомобилей с воздушными системами охлаждения, и сегодня такой способ теплоотвода воспринимается как экзотика.

Теплоотвод в корпусах электронных приборов

Пути теплоотвода зависят от технологии сборки и конструкции корпуса модуля. Основными типами сборки являются так называемый «chip on board» (COB) — контактными площадками вверх и «flip-chip» (FC) — контактными площадками вниз. Как показано на рис. 1, теплоотвод в COB идет с нижней поверхности кристалла через слой припоя 1 и далее через материал основания-подложки. В корпусе FC теплоотвод осуществляется с верхней поверхности кристалла через промежуточный слой теплопроводного материала (thermal interface material — TIM) и крышку во внешнюю среду. Основание корпуса COB и крышка корпуса FC при повышении теплоотдачи модуля должны присоединяться к радиатору, распределяющему тепло во внешнюю среду. Технология COB используется в промышленной силовой электронике: полевые МОП-транзисторы, диоды, IGBT-транзисторы, мощные светодиоды и лазерные диоды. Технология FС — основа корпусов СБИС миРИС.1кропроцессоров, графических процессоров и микросхем памяти, применяемых в стационарных и переносных компьютерах.

Физические основы систем охлаждения электронных полупроводниковых приборов

Физическими условиями, определяющими применение той или иной системы охлаждения прибора, являются максимально допустимая рабочая температура прибора и максимальное количество теплоты, генерируемое с единицы площади прибора. На рис. 2а упрощенно показана зависимость между плотностью потока тепла и рабочей температурой различных типов приборов. Самые высокие характеристики — у лазерных диодов, которые имеют тепловыделение до 400 Вт/см². Такие диоды необходимо охлаждать до сравнительно невысоких температур — 50-60 °C. Главные процессоры компьютеров по характеристикам тепловыделения также приближаются к силовым приборам, но с более низкой рабочей температурой. Данные по светодиодам на рис. 2 являются характеристиками дискретных устройств. В будущем кристаллы из SiC должны иметь гораздо более высокие рабочие температуры, а следовательно, и допустимые тепловые потери.

Рис. 1. Принцип осуществления теплоотвода для модулей СОВ и FC конструкций

Физические условия, определяющие применение системы охлаждения, зависят от максимального рассеивания тепла на единицу площади контакта, температуры окружающей среды и максимально допустимого объема изделия.

На рис. 2b приведена упрощенная схема, показывающая эффективность разных типов систем охлаждения по значению максимального рассеивания тепла на единицу площади и по объему, занимаемому этой системой при данной производительности. С точки зрения максимального теплоотвода при минимальном объеме системы охлаждения самым эффективным решением является микроканальный охладитель.

Естественная конвекция требует объема, более чем в 100 раз превышающего объем жидкостного теплообменника, при этом значение рассеивания тепла на единицу площади в случае естественной конвекции наихудшее.

Другие типы систем охлаждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение. Эффективность пассивных систем охлаждения сильно зависит от внешних условий, активные способы теплоотвода не имеют таких ограничений. Существуют еще две технологии для промышленных применений — это системы охлаждения с термоэлектрическими элементами (элементы Пельтье) и компрессорные системы охлаждения. Недавно появились сообщения об экспериментальных термоакустических системах охлаждения в космических аппаратах [1]. В таблице 1 приводится краткий анализ преимуществ, недостатков и областей применения каждого из типов систем теплоотвода.

Лучшее из решений на сегодня — жидкостные системы охлаждения

Из рис. 2a видно, что жидкостные системы охлаждения позволяют рассеивать максимальное количество теплоты прямо с поверхности нагретого компонента. Ниже приводятся три показательных примера применения жидкостных систем охлаждения.

Пример 1. Системы охлаждения лазерных диодов

На рис. 3a показана конструкция мощной линейки лазерных диодов с водяной системой охлаждения. Диоды смонтированы на охладителе посредством сверхтонкого слоя припоя. Жидкость подается в нижний штуцер в конце радиатора, затем поднимается и выводится через верхний штуцер. На рис. 3b показано реальное изделие, на рис. 3c — внутренняя структура системы охлаждения. Слои микроканального охладителя представляют собой тонкие медные листы, протравленные химическим методом. Слои меди соединены между собой с применением технологии прямой эвтектической связи Direct Bonding Copper (DBС). Распределение температуры при тепловыделении 40 Вт и расходе воды 0,3 л/мин показано на рис. 4. В этом случае из-за ограниченного объема системы жидкостное охлаждение признано единственным приемлемым вариантом.

Рис. 4. Распределение температуры при работе лазерного диода

Пример 2. Системы охлаждения силовых модулей

На рис. 5a и 5b показаны силовые модули, у которых изолирующая подложка из нитрида алюминия является неотъемлемой частью микроканальной системы охлаждения. Внутренняя структура представляет собой шестиугольные соты, протравленные в нескольких слоях меди, соединенных друг с другом по технологии DBC [2, 3]. Тепловое сопротивление такого модуля составляет всего лишь 36% от сравнимого по мощности стандартного модуля, установленного на подложку с водяной системой охлаждения (рис. 6). По сравнению со стандартным модулем, имеющим воздушную систему охлаждения, тепловое сопротивление в данном случае уменьшено на 90%. Модуль, показанный на иллюстрации, работает с током 450 A и охлаждается жидкостью, которая может иметь температуру на входе вплоть до 80 °C. К тому же сокращение расстояния от кристалла до теплоотводящей жидкости системы существенно уменьшает габариты модуля.

Рис. 6. Сравнение значений тепловых сопротивлений силовых модулей различных конструкций

Пример 3. Системы охлаждения процессоров компьютеров

Компоненты современных компьютеров, такие как центральный процессор, северный мост и графический процессор, достигли значений плотности рассеиваемой мощности 100 Вт/см². Тепловыделение микропроцессоров будущего может достигнуть значения 200 Вт/см² [4]. Традиционные системы, в которых используется вентилятор и металлический радиатор, устанавливаемый на процессор, достигли своего предела, обусловленного массой, занимаемым объемом, критическим уровнем температуры внутри корпуса компьютера и, главное, уровнем шума. Серверы, содержащие десятки процессоров, выделяют несколько киловатт тепла, рассеиваемого в помещении, которое, в свою очередь, охлаждается мощной системой кондиционирования. Подобный метод организации работы сервера также подходит к своему пределу. Жидкостные системы охлаждения позволяют переносить тепло в любое место, где можно установить теплообменник. На рис. 7 показан стационарный компьютер, оснащенный системой жидкостного охлаждения центрального и графического процессора. Такая система рассеивает около 150 Вт тепловой мощности этих двух СБИС. На рис. 8 показан охладитель системы охлаждения в комплекте с фитингами и соединительными трубками. Толщина охладителя — 3 мм, масса — 51г. Внутренняя структура, полученная наложением и спеканием слоев протравленной меди, аналогична образцу на рис. 2. Тепловое сопротивление металлической структуры меньше, чем у охладителя на рис. 2, поскольку в ней отсутствует слой изолирующей керамики.

Рис. 7. Персональный компьютер с жидкостной системой охлаждения ЦП и видеопроцессора

Рис. 8. Внешний вид микроканальных охладителей ЦП

Преимуществами представленной системы жидкостного охлаждения являются:

• низкий уровень шума (< 25 дБ), и, соответственно, возможность применения системы в графических станциях и компьютерных аудиокомплексах высшего класса;
• низкая нагрузка на печатную плату (масса охладителя на 70-90% меньше, чем традиционного вентилятора с радиатором);
• рассеивание тепловой мощности до 150 Вт;
• возможность работы одной системы с несколькими СБИС, при этом увеличивается только количество самих охладителей.

Комбинация различных систем охлаждения — решение, удовлетворяющее самым жестким требованиям

Характеристики пассивного охладителя зависят от разницы температур радиатора и внешней среды. На рис. 9a показано распределение тепла обычных систем охлаждения, в которых радиатор прикреплен к верхней стороне компонента. Внутренний объем корпуса нагревается, горячий воздух из корпуса направляется во внешнюю среду и нагревает окружающий воздух. Атмосфера используется как неограниченный теплообменник — когда воздух в помещении нагревается выше комфортного предела, в ход идут системы вентиляции, кондиционеры.

Второй тип системы охлаждения, как было рассмотрено выше, может состоять из жидкостного охладителя, фитингов, трубок и теплообменника, расположенного вне корпуса, предназначенного для охлаждения жидкости после переноса тепла от прибора (рис. 9b). В этом случае температура во внутреннем объеме корпуса остается низкой, нагревается только окружающий воздух.

При конструировании систем охлаждения мощных серверов, генерирующих несколько киловатт тепла, имеет смысл рассматривать комбинированные системы, в которых жидкостные охладители связаны с термоэлектрическими или компрессорными теплообменниками. В этом случае теплоотвод от жидкости в контуре системы охлаждения прибора производится термоэлектрическим элементом или компрессором (рис. 9с). Комбинированные системы уже сейчас используются для охлаждения мощных лазерных диодов [5].

Такое универсальное решение находит все большее применение в стойках серверов. Небольшие легкие жидкостные охладители монтируются на микропроцессорах сервера [6]. На рис. 10 показана серийно выпускаемая фирмой Rittal стойка, оборудованная жидкостной системой охлаждения. В ней вода на микроканальные охладители подается через систему компрессорного охлаждения.

Рис. 10. Система компрессорного охлаждения серверной стоик

Заключение

За последние десятилетия тепловая мощность полупроводниковых приборов возросла в сотни раз. Законы теплотехники говорят о том, что пассивная воздушная системы охлаждения достигла своего физического предела. Для развития техники необходимы иные принципы построения систем охлаждения. В поиске выхода все больше конструкторов приборов обращаются к жидкостным системам охлаждению — решению, успешно применяемому во многих областях электроники уже сегодня.