Wydajne rozwiązanie termiczne do chłodzenia komunikacji 5G
Rozpraszanie ciepła jest ważnym ogniwem zapewniającym długotrwałe bezpieczne i niezawodne działanie urządzeń i produktów elektronicznych. Jako najgęściej wykorzystywana dziedzina urządzeń rozpraszających ciepło, takich jak chipy, rozwój technologii komunikacyjnych i informatycznych spowodował, że rozpraszanie ciepła lub projektowanie termiczne stało się systematycznym przemysłem. Badania i rozwój w dziedzinie energetyki, bezpieczeństwa, elektroniki użytkowej, motoryzacji, diod LED itp. również coraz częściej kładą nacisk na wydajność cieplną produktów, aby uzyskać większą przewagę konkurencyjną na rynku. Obecnie produkty komunikacyjne i informacyjne 5G rozwijają się w kierunku większej pojemności, wyższej wydajności, efektywności energetycznej i niskiego poziomu hałasu. Rośnie poziom integracji urządzeń, z wydajniejszymi funkcjami jednoukładowymi i znacznie zwiększonym zużyciem energii. Jednak układ staje się coraz bardziej zwarty, a gęstość strumienia ciepła podwoiła się, co stwarza poważne wyzwania dla technologii termicznej.
Tradycyjne systemy termiczne opierają się głównie na materiałach jednofazowych, które przewodzą ciepło z urządzenia na powierzchnię radiatora, a następnie odprowadzają ciepło do otoczenia poprzez konwekcję naturalną (system chłodzenia naturalnego) lub konwekcję wymuszoną (układ chłodzenia wymuszonym powietrzem) poprzez powietrze. Skuteczność przewodzenia ciepła zależy od właściwej przewodności cieplnej materiału i jest przez nią ograniczona.
Technologia wymiany ciepła ze zmianą fazową reprezentowana przez rury cieplne i komorę parową VC (komora parowa) wykorzystuje medium do odparowania w ogrzewanym obszarze i skraplania w chłodzonym obszarze, absorbując lub uwalniając odpowiednie utajone ciepło przemiany fazowej, krążąc na przemian w celu osiągnięcia szybkiej dyfuzji lub migrację ciepła. Pochłanianie i uwalnianie ciepła utajonego jest procesem szybkim i wydajnym, a przy zastosowaniu dwufazowego przekazywania ciepła zwykle wybiera się płyny robocze o wyższym cieple utajonym, co skutkuje bardzo dużą wydajnością wymiany ciepła. Równoważna przewodność cieplna może osiągnąć ponad 2000 W/m · K
Komora parowa jest obecnie najpowszechniej stosowanym produktem do wymiany ciepła ze zmianą fazową w przemyśle komunikacyjnym i elektronicznym, w przypadku dojrzałych procesów innych niż rury cieplne. Typowy VC to płaska, zamknięta forma, składająca się z powłoki, struktury kapilarnej, konstrukcji wsporczej i płynu roboczego. Poprzez odparowanie, skraplanie i transport kapilarny płynu roboczego osiąga się efektywne przewodzenie ciepła, rozprowadzając ciepło ze skupionego obszaru na całą płaszczyznę konstrukcyjną.
Dzięki zaletom wielkopowierzchniowej charakterystyki kapilarnej oraz dwuwymiarowej lub nawet trójwymiarowej dyfuzji ciepła, VC ma większą zdolność przenoszenia strumienia ciepła, szczególnie do chłodzenia urządzeń elektronicznych o gęstości strumienia ciepła przekraczającej 50W/cm2. Efekt wyrównywania temperatury jest znacznie lepszy niż podłoża rozpraszające ciepło z czystego metalu lub wbudowanych rurek cieplnych, co może znacznie poprawić wydajność radiatorów. W obliczu tendencji rozwojowej, w której gęstość strumienia ciepła chipów przekracza 100 W/cm2, VC jest niewątpliwie kluczową technologią wspierającą poprawę wydajności sprzętu komunikacyjnego.
Wyższa wydajność VC często odpowiada lokalnemu zagęszczeniu struktury kapilarnej w strefie parowania odpowiadającej lokalizacji źródła ciepła. Oprócz zwiększania siły kapilarnej i refluksu cieczy, powierzchnia tych struktur kapilarnych zwiększa również obszar parowania i zwiększa szybkość parowania. Z tej perspektywy projekt obejmuje również warstwę materiału kapilarnego pokrywającą zewnętrzną część zaszyfrowanej struktury z czystego metalu. Ponieważ czyste metale, zwłaszcza czysta miedź, mają wyższą przewodność cieplną niż struktury kapilarne, wewnętrzny czysty metal skuteczniej przewodzi ciepło do powierzchniowej struktury kapilarnej, a wytrzymałość czystych metali jest również lepsza. Istnieją różne formy tego typu konstrukcji, a zdolność przenoszenia strumienia ciepła VC może sięgać 30-100W/cm2.
Wraz z trendem rozwojowym chipów o wysokim zużyciu energii i dużej gęstości strumienia ciepła, istnieje większe zapotrzebowanie na wydajność wyrównywania temperatury VC. Projekt optymalizacji VC musi poprawić wydajność kapilar, jednocześnie zwiększając efektywność przewodzenia ciepła i transportu gazu i cieczy z wielu aspektów materiałów i konstrukcji, tym samym znacznie zmniejszając opór cieplny VC. Tylko wtedy różnica temperatur między źródłem ciepła a zimną powierzchnią VC może być nadal porównywalna z obecnym poziomem w warunkach zastosowania o niskiej gęstości strumienia ciepła, nawet gdy robocza gęstość strumienia ciepła zostanie podwojona lub nawet zwielokrotniona.
