Tehnologii de fabricație cu plăci reci și provocări cheie

Pe măsură ce electronica de mare putere continuă să evolueze în industrii precum centrele de date, vehiculele electrice, stocarea energiei și calculul de înaltă performanță, managementul termic a devenit un factor critic în fiabilitatea și eficiența sistemului. Soluțiile tradiționale de răcire cu aer sunt din ce în ce mai insuficiente pentru aplicațiile actuale cu flux termic ridicat. Drept urmare, placa rece cu lichid, cunoscută și sub denumirea de radiator răcit cu lichid, a devenit o componentă esențială a sistemelor moderne de răcire cu placă rece.

Acest articol oferă o prezentare generală cuprinzătoare a tehnologiei plăcilor reci cu lichid, acoperind principiile de funcționare, tipurile tipice de plăci reci, provocările de fabricație și procesele avansate de îmbinare. Este destinat să ajute inginerii și factorii de decizie să înțeleagă mai bine soluțiile de răcire cu lichid cu plăci reci și să selecteze cea mai potrivită abordare pentru aplicațiile lor.

1. Ce este o placă rece cu lichid?

O placă rece cu lichid (denumită și placă de răcire cu lichid sau placă rece cu apă) este un dispozitiv de transfer de căldură care elimină căldura din componentele de mare putere prin circulația agentului de răcire prin canale interne.

Principiul de bază al funcționării răcirii cu placă rece este următorul:

1. Căldura este generată de componente electronice precum procesoare, plăci video, module de alimentare sau baterii

2. căldura este condusă de la dispozitiv la radiatorul cu placă rece prin contact direct

3. lichidul de răcire curge prin canalele interne, absorbind și transportând căldura

4. Lichidul încălzit este transferat către un schimbător de căldură extern pentru disipare

Comparativ cu răcirea cu aer, plăcile de răcire cu apă oferă:

• eficiență mai mare a transferului de căldură

• distribuție mai uniformă a temperaturii

• integrare compactă a sistemului

• performanță superioară pentru medii cu flux termic ridicat

În aplicațiile de calcul, același principiu se aplică în cazul blocurilor de apă pentru procesoare, blocurilor de răcire pentru procesoare și GPU-urilor cu designuri de blocuri de apă, unde un bloc de apă compact răcește direct procesoarele.

2. Tipuri tipice de plăci reci cu lichid și provocările aferente

Diferite aplicații necesită structuri diferite de plăci reci lichide. Selectarea materialelor, proiectarea canalelor interne și metodele de fabricație au un impact direct asupra performanței, costului și fiabilității.

Placă rece lichidă 2.1 tub-in-plate

Designurile de tip tub-în-placă încorporează tuburi metalice într-o placă de bază pentru a forma canale de răcire.

avantaje:

• structură simplă

• cost redus de fabricație

• potrivit pentru aplicații de putere mică spre medie

provocări:

• densitatea limitată a canalelor reduce eficiența răcirii

• Interfețele termice multiple cresc rezistența termică

• Combinațiile de tuburi de cupru și plăci de aluminiu pot cauza coroziune galvanică

• nu este potrivit pentru sistemele de răcire cu placă rece de înaltă performanță

Placă de răcire cu lichid găurită cu pistol 2.2

Găurirea cu pistolul creează canale interne drepte în interiorul unei plăci metalice solide, care sunt apoi sigilate la capete.

avantaje:

• rezistență mecanică ridicată

• suprafețe interne netede ale canalelor

• fiabil pentru sarcini termice moderate

provocări:

• Canalele drepte limitează flexibilitatea designului

• dificil de fabricat plăci mai lungi de 500 mm cu precizie ridicată

• dopurile de capăt sunt puncte potențiale de scurgere

• mai puțin potrivit pentru configurații termice complexe

2.3 placă rece lichidă brazată

O placă rece lichidă brazată este produsă prin prelucrarea canalelor de curgere într-o placă de bază și îmbinarea permanentă a unei plăci de acoperire prin brazare în vid.

avantaje:

• permite designuri complexe de canale interne

• performanță termică excelentă

• distribuție uniformă a temperaturii

• utilizate în mod obișnuit în sistemele de răcire cu plăci reci lichide de înaltă calitate

provocări:

• necesită cuptoare de lipire în vid scumpe

• cicluri lungi de producție (6–8 ore per lot)

• sensibilitate ridicată la curățenia suprafeței și controlul procesului

• costuri de fabricație mai mari și flexibilitate limitată

Placă rece cu tub încorporat de 2,4

În acest design, tuburile îndoite sunt presate, lipite sau lipite într-o placă de bază.

avantaje:

• rutare mai flexibilă a canalelor decât tuburile montate la suprafață

• compatibil cu tuburi din aluminiu, cupru sau oțel inoxidabil

provocări:

• proces complex de asamblare

• Consecvența calității depinde în mare măsură de manopera

• Versiunile brazate sunt costisitoare și dificil de reparat

3. comparație a procesului de fabricație a plăcii reci lichide

Performanța și fiabilitatea unei plăci de răcire cu lichid depind în mare măsură de tehnologia de îmbinare și etanșare a acesteia. Diferitele metode de fabricație oferă compromisuri distincte.

3.1 tehnologii comune de îmbinare

3.2 sudură prin frecare-agitare pentru plăci reci lichide

Sudarea prin frecare-agitare (FSW) este un proces de îmbinare în stare solidă care produce căldură prin frecare mecanică, în loc să topească materialul.

Printre principalele avantaje ale fabricării plăcilor reci cu lichid se numără:

• fără topire, păstrând conductivitatea termică originală

• suduri dense, fără goluri, cu risc aproape zero de scurgeri

• rezistență mecanică ridicată, aproape de materialul de bază

• cicluri scurte de sudare, ideale pentru automatizare

• costuri de fabricație de 2-10 ori mai mici decât cele prin lipire

Tehnologia FSW este din ce în ce mai mult adoptată pentru plăcile de răcire cu lichid OEM, plăcile de răcire cu lichid ODM și plăcile de răcire personalizate pentru volum mare.

4. scenarii de aplicare

Plăcile reci cu lichid sunt utilizate pe scară largă în aplicații care necesită un management termic de înaltă performanță, inclusiv:

• centre de date și servere (bloc de răcire pentru procesor, cele mai bune soluții de blocuri de apă pentru procesor)

• acceleratoare de inteligență artificială și plăci video cu sisteme waterblock

• electronică de putere pentru vehicule electrice

• pachete de baterii și sisteme de stocare a energiei

• echipamente de telecomunicații și infrastructură 5g

• surse de alimentare industriale și invertoare

5. factori cheie atunci când alegeți o placă rece cu lichid

Atunci când se selectează o placă de răcire cu lichid personalizată, trebuie evaluați următorii factori:

• sarcina termică și densitatea fluxului de căldură

• tipul de lichid de răcire și presiunea de funcționare

• condițiile de mediu

• cerințe de fiabilitate și durată de viață

• obiective de cost și volumul producției

• nevoile de personalizare și integrare

Colaborarea cu un producător experimentat de plăci reci cu lichid asigură un echilibru optim între performanță, fiabilitate și cost.

Placa rece cu lichid este o componentă critică în sistemele moderne de răcire cu lichid cu placă rece. În timp ce soluțiile tradiționale, cum ar fi modelele cu țeavă în placă și cele cu găurire prin pistol, rămân viabile pentru anumite aplicații, procesele avansate, cum ar fi lipirea în vid și sudarea prin frecare-agitare, impulsionează industria.

Printre acestea, plăcile de răcire cu lichid sudate prin frecare oferă cel mai bun echilibru între:

• performanță termică

• rezistență mecanică

• fiabilitate fără scurgeri

• eficiența costurilor

Pe măsură ce cererea de răcire de înaltă performanță continuă să crească, plăcile de răcire personalizate, plăcile de răcire cu lichid OEM și plăcile de răcire cu lichid ODM vor juca un rol din ce în ce mai important în soluțiile de management termic de generație următoare.