Поскольку плотность мощности электронных устройств продолжает расти, проектирование рассеивания тепла стало ключевым звеном, влияющим на надежность и срок службы системы. Как профессиональный производитель с 19-летним опытом в области управления температурой, мы объединяем типичные инженерные случаи с опытом многофизического полевого моделирования, чтобы глубоко проанализировать пять основных технических недоразумений, которые инженеры склонны упускать из виду в сценариях высокой мощности, и предоставить решения, соответствующие отраслевой практике.

Заблуждение 1: Злоупотребление материалами с высокой теплопроводностью, отклонение расчета теплового сопротивления интерфейса

Типичная проблема: Чрезмерное стремление к теоретическим значениям теплопроводящих материалов, игнорирование инженерной реальности теплового сопротивления контакта интерфейса.

Анализ случая: Некий модуль рассеивания тепла автомобильного лазерного радара использует чистую медную подложку (теплопроводность 401 Вт/м·К), но толщина покрытия материала теплового интерфейса (TIM) не контролируется точно (проектная 0,1 мм, фактическое отклонение ±0,05 мм), а измеренное тепловое сопротивление контакта достигает 0,6 °C·см²/Вт, в результате чего температура перехода ПЛИС превышает стандартную на 22%. После перехода на предварительно сформированные термопрокладки (допуск ±0,02 мм, тепловое сопротивление <0,03 °C·см²/Вт) и объединения с процессом вакуумного спекания температура перехода снижается на 17 °C, а среднее время безотказной работы (MTBF) увеличивается до 100 000 часов.

План оптимизации:

Выбор материала: в соответствии со стандартом ASTM D5470 измеряется тепловое сопротивление TIM, и предпочтительными являются материалы с фазовым переходом или наполненные металлом эластомеры.

Управление процессом: используйте автоматическое дозирующее оборудование (точность ±3%), чтобы обеспечить допуск по толщине <10% и избежать воздушных зазоров.

Заблуждение 2: Несоответствие организации воздушного потока в системе воздушного охлаждения, локальные горячие точки выходят из-под контроля

Типичная проблема: слепое размещение вентиляторов, игнорирование согласования импеданса канала потока и эффекта разделения пограничного слоя.

Пример проектирования: кластер графических процессоров центра обработки данных использует 4 вентилятора 12038 (объем воздуха 200 куб. футов в минуту), но из-за неправильной конструкции угла воздуховода (прямой угол изгиба 90°) фактический эффективный объем воздуха составляет всего 65% от номинального значения, а локальная разница температур достигает 40°C. После оптимизации моделирования CFD воздуховод изменяется на постепенно расширяющийся канал потока (угол диффузии <7°), и принимается ступенчатое расположение ребер (градиент интервала увеличивается с 2 мм до 3,5 мм), общее сопротивление воздуха снижается на 30%, а разница температур в горячих точках контролируется в пределах 8°C.

Основная стратегия:

Проектирование поля потока: Испытания в аэродинамической трубе проводятся в соответствии со стандартом ISO 5801 для оптимизации соотношения площади входа и выхода (рекомендуется 1:1,2).

Динамическое управление: на основе кривой Q-H вентилятора с ШИМ точка сопротивления системы подбирается в соответствии с диапазоном максимальной эффективности (обычно 60–80 % от максимального объема воздуха).

Заблуждение 3: Несоблюдение требований по защите окружающей среды ускоряет старение материала

Типичная проблема: внимание уделяется только первоначальным характеристикам рассеивания тепла, при этом игнорируются эффекты долгосрочного воздействия окружающей среды, такие как влажность, жара, пыль и соляной туман.

Анализ случая: преобразователь морской ветровой энергии использует радиатор из алюминиевого сплава 6061 (поверхность анодирована). После работы в условиях соляного тумана в течение 6 месяцев оксидный слой отслоился, что привело к увеличению контактного теплового сопротивления на 50%, а частота отказов IGBT резко возросла. Переход на алюминиевый сплав 5052 (стойкость к соляному туману >1000 ч) и напыление полиуретановой трехкомпонентной краски (толщина 50 мкм, в соответствии со стандартом IEC 60068-2-11) снизила частоту отказов в полевых условиях за 3 года на 75%.

Конструктивные особенности:

Технология покрытия: плазменное напыление керамического покрытия Al2O3 (теплопроводность 30 Вт/м·К, термостойкость >800 °C) используется в условиях высоких температур.

Конструкция уплотнения: уровень защиты IP69K (двухпроходное силиконовое уплотнение + предохранительный клапан) для обеспечения нулевого проникновения пыли/водяного пара.

Заблуждение 4: Отсутствие моделирования переходной тепловой нагрузки и неправильный выбор материалов с фазовым переходом

Типичная проблема: Решение по рассеиванию тепла, разработанное с помощью моделирования стационарного состояния, не может справиться с импульсами мощности на уровне миллисекунд.

Измеренные данные: Твердотельный усилитель мощности подвергается воздействию импульсной нагрузки 2 мс при 2000 Вт в базовой станции 5G. Переходное повышение температуры традиционного решения с алюминиевой подложкой достигает 55 °C, в то время как микрокапсульный материал с фазовым переходом (композит парафин/графен, скрытая теплота фазового перехода 220 Дж/г) в сочетании с переходным термическим моделированием (длительность переходного шага ANSYS Icepak 1 мс) используется для управления повышением температуры до 18 °C, что соответствует требованиям испытаний на ударопрочность MIL-STD-810G.

Технология динамического управления:

Упаковка с фазовым переходом: сотовая структура используется для инкапсуляции материала с фазовым переходом (пористость>70%), чтобы избежать утечки жидкости и повысить эффективность диффузии тепла.

Калибровка модели: Граничные условия моделирования корректируются на основе инфракрасного тепловидения (частота дискретизации 100 Гц), погрешность составляет <±1,5°C

Заблуждение 5: Оценка TCO односторонняя и игнорирует скрытые затраты на эксплуатацию и обслуживание

Типичная проблема: сравнивается только начальная стоимость оборудования, а потери от потребления энергии/обслуживания/простоев не подсчитываются.

Сравнение затрат: изначально на заводе по производству полупроводников использовались шкафы с воздушным охлаждением (первоначальная стоимость 500 000 юаней) с годовым счетом за электроэнергию в 1,2 млн юаней (PUE=1,8). После модернизации до двухфазного иммерсионного жидкостного охлаждения (первоначальная стоимость 1,8 млн юаней) годовой счет за электроэнергию снизился до 450 000 юаней (PUE=1,05), а из-за снижения нагрузки на кондиционирование воздуха в чистых помещениях годовая совокупная экономия достигла 900 000 юаней, а дополнительные инвестиции могут быть окуплены за 2,1 года (IRR>25%).

Модель принятия решения:

Усовершенствованное моделирование: Внедрение моделирования Монте-Карло для количественной оценки влияния частоты отказов оборудования (распределение Вейбулла) на совокупную стоимость владения.

Наложение политик: В сочетании с механизмами налога на выбросы углерода (такими как EU CBAM) выбросы углерода жидкостными системами охлаждения за весь их жизненный цикл сокращаются на 60%, и получается дополнительная субсидия в размере 15%

Заключение: модернизация парадигмы теплового проектирования с основанной на опыте на основанную на данных

Стандартизированный процесс: внедрение стандарта теплового испытания JESD51-14 на этапе концептуального проектирования для избежания доработок в дальнейшем (проектный цикл определенного оптического модуля сокращается на 30%).

Многопрофильное сотрудничество: благодаря объединению COMSOL Multiphysics электромагнитных потерь (извлечение HFSS) и поля тепловой деформации эффективность рассеивания тепла радиолокационного компонента TR повышается на 40%.

Интеллектуальная эксплуатация и обслуживание: развертывание датчиков температуры волоконно-оптической решетки (точность ±0,1 °C) и цифровых платформ двойников для прогнозирования неисправностей (неожиданное время простоя суперкомпьютерного центра сокращается на 90%).

Благодаря строгому инженерному мышлению и полносвязной проверке данных инженеры-тепловики могут точно избегать «невидимых убийц» и закладывать основу для высоконадежных систем. Как специалисты отрасли, мы стремимся предоставлять комплексные решения от материалов до систем и совместно с клиентами решать проблемы терморегулирования.

Мы будем регулярно обновлять технологии и информацию о тепловых проектах и оптимизации, и делиться этой информацией с вами для справки. Благодарим вас за интерес к компании Walmate.