蒸發(fā)冷卻技術應用于大型電子設備冷卻中的材料相容性研究

張 鵬，阮 琳，熊 斌

(1．中國科學院大學，北京100190;2．中國科學院電工研究所，北京100190)

蒸發(fā)冷卻技術應用于大型電子設備冷卻中的材料相容性研究

張 鵬1，2，阮 琳2，熊 斌2

(1．中國科學院大學，北京100190;2．中國科學院電工研究所，北京100190)

隨著電子芯片功耗不斷增大，散熱問題已經(jīng)成為電子設備，特別是大型高密度電子設備發(fā)展的瓶頸問題。中國科學院電工研究所自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻技術，其利用冷卻介質的相變潛熱帶走熱量，冷卻能力較傳統(tǒng)風冷等冷卻技術有很大優(yōu)勢。其在電子設備上的應用首要問題之一是冷卻介質與電力電子器件材料之間的相容性問題。本文詳細介紹了蒸發(fā)冷卻介質與電子設備材料相容性實驗研究情況，并對實驗結果進行了分析，為蒸發(fā)冷卻介質與IT設備材料的相容性篩選提供了指導，這將為未來蒸發(fā)冷卻技術應用于大型電子設備的冷卻提供重要技術支撐。

材料相容性;蒸發(fā)冷卻;電子設備

1 引言

隨著云時代的來臨，大數(shù)據(jù)(Big Data)及其管理和處理能力的發(fā)展，已經(jīng)成為影響國家科技進步和社會發(fā)展不容忽視的挑戰(zhàn)。然而隨著數(shù)據(jù)中心和計算中心規(guī)模的擴大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、噪音，特別是能耗問題日顯突出，傳統(tǒng)的冷卻方式遇到了前所未有的發(fā)展瓶頸。電子元器件的發(fā)熱功率越來越大，以CPU為例，目前的CPU發(fā)熱功率密度已經(jīng)高達104～105W/m2［1］，并還有繼續(xù)增加的趨勢，而且大多數(shù)電子設備故障也都是由于芯片過熱燒毀引起的［2］。電子設備的冷卻越來越成為制約其發(fā)展的瓶頸問題，電子設備小型化、高密度化的發(fā)展趨勢也進一步加劇了這個問題［3］。在一些大型的服務器集群、超級計算機等設備中，傳統(tǒng)的風冷已經(jīng)暴露出不可逾越的弊端:如大噪音、高能耗、冷卻不均勻等問題［4］。這就為高效安全的冷卻技術應用于大型電子設備的冷卻提供了契機。

相比于傳統(tǒng)的冷卻技術，蒸發(fā)冷卻技術利用冷卻介質的相變潛熱帶走更多熱量，具有很大的換熱優(yōu)勢，同時將蒸發(fā)冷卻技術應用于大型電子設備的冷卻具有重大的戰(zhàn)略意義和創(chuàng)新性［5］。

蒸發(fā)冷卻技術根據(jù)不同的應用場合有多種具體的應用形式，如管內(nèi)冷、全浸式、噴淋式、貼壁式等等［5-7］。中國科學院電工研究所從1958年開始蒸發(fā)冷卻技術的研究與推廣應用，已經(jīng)成功將其應用在水力發(fā)電和火力發(fā)電的工業(yè)運行設備中，積累了大量的工業(yè)應用經(jīng)驗。在多數(shù)應用形式中，冷卻介質都需直接與被冷卻對象接觸，即冷卻介質直接從發(fā)熱體表面吸熱氣化帶走熱量，此類換熱環(huán)節(jié)最少、換熱最為高效。但是由于直接接觸，冷卻介質與被冷卻對象材料之間的長期共存，并保證各自的應用性能基本不變就顯得尤為重要。這里將冷卻介質與冷卻對象材料之間的共存性稱為材料的相容性。

除了冷卻介質本身的物理化學穩(wěn)定性、環(huán)保特性、換熱性能、絕緣性能等等之外，冷卻介質與各種電子材料會否發(fā)生物理或化學反應是相容性問題的關鍵。經(jīng)過多年的工程實踐，蒸發(fā)冷卻技術在電工裝備上應用，已經(jīng)形成了完備的介質篩選技術路線，但隨著技術拓展應用于電子設備，加之電力電子器件及電子線路板的材料種類眾多，制作工藝特殊，更有別于大型電工裝備，故作者所在科研團隊針對這一特殊應用領域的關鍵性問題設計了多種實驗裝置并進行了專題研究，實驗研究和介質篩選歷經(jīng)近三年的時間，探索出了一條合理的IT設備蒸發(fā)冷卻技術應用介質篩選技術路線。本文將詳細介紹實驗裝置的設計、實驗過程、實驗結果以及分析結論。實驗結論為蒸發(fā)冷卻介質與IT設備材料的相容性篩選提供了指導，這將為未來蒸發(fā)冷卻技術在超級計算中心或大型數(shù)據(jù)中心的安全應用提供重要技術支持。

2 實驗設計

2.1 實驗目的與要求

為了考察冷卻介質與電子材料之間會否發(fā)生物理化學反應，實驗設計的基本要求如下:

(1)材料種類完備:未來冷卻中可能與冷卻介質接觸的所有材料均需作為實驗對象進行驗證。

(2)冷卻介質的純凈與實驗材料與實驗裝置的潔凈:待檢驗的介質應保證成分純凈。實驗器件材料自身潔凈。實驗裝置一般采用帶有觀察窗的不銹鋼腔體，其密閉腔體及附屬器件內(nèi)保證潔凈。若裝置重復使用，在重新使用前需進行全面的清潔。

(3)高溫環(huán)境:營造一個適當?shù)母邷貝毫迎h(huán)境，以便加快可能發(fā)生的物理化學變化。

(4)帶電工作:未來無論采用噴淋方案或其他接觸冷卻的方案，介質冷卻的都是正在工作的電子元器件。所以實驗中的電子元器件在這個實驗過程中應保證帶電工作狀態(tài)，以模擬未來真實的工作情況。

(5)考核周期:需要經(jīng)過一定時間的考核驗證才能夠體現(xiàn)出材料間的相容性能。

2.2 電子材料的分析與分類

電子設備中需要冷卻的部分主要是各種封裝的電子芯片，然而與冷卻介質接觸的卻不止芯片本身。除芯片外，一般還包括印刷電路板(PCB)、電阻、電解電容、存儲設備、焊錫、助焊劑以及其他一些金屬接頭和線纜等等多種材料。材料種類非常龐雜，各種材料都需進行相容性驗證。

值得一提的是，電子設備的外存儲器一般選用傳統(tǒng)的機械硬盤，如圖1所示。機械硬盤主要由磁盤、主軸馬達、磁頭以及背面的控制電路板組成。內(nèi)部結構精密復雜，并且其內(nèi)部對外并非密封，而是通過所謂呼吸孔來維持內(nèi)外的壓力平衡。這樣的結構下，液態(tài)的冷卻介質很容易通過呼吸孔進入其內(nèi)部，極有可能導致原本工作在空氣中的馬達和磁頭無法正常工作。

幸運的是，隨著電子技術的發(fā)展，目前已經(jīng)可以使用外部接口相同、讀寫速度更快的固態(tài)硬盤(SSD)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械硬盤，如圖2所示。與機械硬盤相比，固態(tài)硬盤結構非常簡潔，其內(nèi)部只有一塊印刷電路板及其上面集成的存儲芯片，僅從材料組成上看與普通的電路板沒有區(qū)別。

圖1 傳統(tǒng)機械硬盤結構Fig．1 Structure of traditional mechanical hard disk drive

圖2 固態(tài)硬盤結構Fig．2 Structure of solid state drive(SSD)

2.3 實驗裝置設計

圖3所示為實驗裝置的結構示意圖。

圖3 實驗裝置結構示意圖Fig．3 Structure diagram of experimental device

介質在加熱器的加熱下處于沸騰狀態(tài)，以營造高溫環(huán)境，加速可能發(fā)生的各種相容性問題。氣化的介質到達上端的冷凝器后冷凝回流，完成循環(huán)。

為了全面地包括上述所有待檢驗的電子材料，本實驗采用臺式機的主機作為實驗對象。具體地講，實驗材料包括臺式機主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、系統(tǒng)引導U盤以及必要的連接線纜。并通過真空轉接頭將主板電源引入、測溫線和顯示器數(shù)據(jù)線以及USB線引出，這樣便可使實驗過程中臺式機電腦主板24h帶電運行。此外其一直運行有測試程序，以便使CPU、內(nèi)存處于滿負荷工作狀態(tài)。檢測軟件本身也可實時監(jiān)控硬件狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)硬件上出現(xiàn)的相容性問題。

實驗裝置是帶有觀察窗的全密封不銹鋼腔體。通過觀察窗也可以直觀地看到可能出現(xiàn)的變化。如圖4所示。

圖4 實驗裝置設計3D圖Fig．4 3D design drawings of experimental device

3 實驗過程

實驗共進行了七輪、歷時近三年(第七輪仍在進行中)。每輪實驗選用不同種類不同參數(shù)的冷卻介質。每輪實驗的時間均超過2000h。每輪實驗還記錄了在這種高溫環(huán)境中，主板上 CPU的工作溫度。表1列出了到目前為止的實驗情況。CPU正常的工作溫度也從側面證明了蒸發(fā)冷卻技術良好的冷卻效果。

表1 實驗過程列表Tab．1 Experimental process

4 實驗現(xiàn)象與分析

在數(shù)輪的實驗過程中，不同介質也出現(xiàn)了各種相容性問題。下文依次歸類說明實驗現(xiàn)象及其初步分析。

4.1 塑料制品相容性問題

實驗材料中有很多地方是塑料制品，如多數(shù)線纜的外皮、大量固定件(內(nèi)存插座、CPU插座)、U盤和硬盤的外殼等等。每輪實驗中幾乎所有塑料制品都出現(xiàn)了相容性問題(老化、變質)。特別是線纜的塑料外表皮，普遍出現(xiàn)了變脆變硬的現(xiàn)象，也有被漂白或分解變細的情況。圖5是某個品牌U盤的塑料外殼，在第二輪實驗過程中其與F-B介質發(fā)生明顯反應，本來堅硬的外殼變得非常柔軟，這也是實驗至今最嚴重的相容性問題。此外，在第二輪實驗中也出現(xiàn)了一些固定件變脆、易折斷的現(xiàn)象。

圖5 U盤塑料外殼與介質發(fā)生明顯反應Fig．5 Experimental phenomena of U disk plastic shell

從塑料制品出現(xiàn)的相容性問題來看，有以下三點分析說明:

(1)各種塑料制品在介質中的老化現(xiàn)象不同，有些甚至沒有明顯的老化。這說明塑料材質多種多樣，質量參差不齊。

(2)除了介質F-B與塑料有明顯的反應外，其他介質也有使塑料制品老化現(xiàn)象，但情況不明顯。

(3)實際上，即使在空氣中運行，塑料制品這樣長時間受熱也會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，但不可否認介質確實加速了塑料的老化。

總的來說，冷卻介質與一般塑料制品都存在老化(變脆變硬)等相容性問題。但是塑料本身不承擔實際的電子功能，往往只是起固定、保護、絕緣作用，即使其老化也基本不影響這些功能，也就是說，這對于蒸發(fā)冷卻技術應用于電子設備的冷卻不起關鍵性影響。在實驗中并不是所有塑料制品出現(xiàn)老化現(xiàn)象，在未來成熟的應用中，完全可以定制使用相容性較好的塑料品種規(guī)避這一問題。

4.2 硬盤相容性問題

正如在上述材料分析中所述，傳統(tǒng)硬盤內(nèi)部機械結構精密復雜，而且對外不密封，不論是氣態(tài)介質還是液態(tài)介質極易進入，導致其無法正常工作。第一輪實驗僅采用U盤引導系統(tǒng)，沒有檢驗這一問題，而是在第二輪實驗中做了檢驗。第二輪實驗開始的當天處于氣態(tài)和液態(tài)的上下兩塊機械硬盤均被損壞而無法工作，換上固態(tài)硬盤(SSD)后問題得以解決。

顯然，如果電子設備的冷卻采用蒸發(fā)冷卻技術時，其外存儲系統(tǒng)便不能采用傳統(tǒng)的機械硬盤，而必須使用SSD。雖然SSD目前容量不大而且價格不菲，但其擁有更快的讀寫速度，是未來硬盤的趨勢?？梢灶A見其容量和價格隨著量產(chǎn)和推廣將會逐漸得到市場的認可，最終也必然會淘汰傳統(tǒng)的機械硬盤。

4.3 介質F-C錫焊點不相容

第三輪實驗結束后，開腔發(fā)現(xiàn)主板上所有錫焊點失去原有金屬光澤，變灰變白，有些還覆蓋有棕黃色物質，如圖6所示。現(xiàn)象說明介質F-C極有可能腐蝕焊錫。然而電子元器件與電路板電氣連接時，一般都采用錫焊，若介質與焊錫不相容，就不能應用于直接與電子元器件接觸的場合。

圖6 主板上錫焊點被腐蝕Fig．6 Eroded solder of main board

5 結論

經(jīng)過近三年七輪的實驗研究，一共完成了5種備選冷卻介質的篩選工作。雖然其中某些介質被認定與電子材料存在嚴重的相容性問題，但值得慶幸的是已經(jīng)確定了3種沸點各不相同的冷卻介質可以用于電子設備的冷卻，充實了電子設備蒸發(fā)冷卻技術應用的介質選型庫。而且篩選出的介質也分別在實驗室的TC3600噴淋蒸發(fā)冷卻超級計算機樣機上(如圖7所示)進行了實際應用考驗，沒有出現(xiàn)任何問題。更重要的是本文研究成果形成了行之有效的電子材料與冷卻介質的相容性規(guī)范，為今后進一步的篩選工作提供依據(jù)。這些都為不久的將來，蒸發(fā)冷卻技術應用于電子設備的冷卻提供了重要支持，特別是為在大型數(shù)據(jù)中心和超級計算中心的 IT設備上應用提供了強有力的技術保障。

圖7 TC3600噴淋式蒸發(fā)冷卻超級計算機Fig．7 TC3600 spray evaporative cooling supercomputer

［1］李慶友，王文，周根明 (Li Qingyou，Wang Wen，Zhou Genming)．電子元器件散熱方法研究 (Status of techniques on heat dissipation in electronic components) ［J］．電子器件 (Electron Devices)，2005，28(4): 937-941．

［2］雷俊禧，朱東生，王長宏，等 (Lei Junxi，Zhu Dongsheng，Wang Changhong，et al．)．電子芯片液體冷卻技術研究進展 (Research progress on chip liquid cooling technology)［J］．科學技術與工程 (Science Technology and Engineering)，2008，8(15):4256-4263．

［3］Richard C Chu．A review of IBM sponsored research and development projects for computer cooling［A］．Fifteenth IEEE SEMI-THERM Symposium［C］．1999.151-165．

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［5］阮琳 (Ruan Lin)．大型水輪發(fā)電機蒸發(fā)冷卻內(nèi)冷系統(tǒng)的基礎理論研究及自循環(huán)系統(tǒng)的仿真計算 (The basic theory research of the inner evaporative cooling system for large hydro-generator and the simulation of the CLSC system) ［D］．北京:中國科學院研究生院(Bejing:GUCAS)，2004．

［6］郭永獻 (Guo Yongxian)．噴淋液膜流動理論及電子器件噴淋冷卻實驗研究 (Spray liquid-film flow theory and experimental study of spray cooling of electronic devices) ［D］．西安:西安電子科技大學 (Xi’an: Xidian University)，2009．

［7］Zhang Peng，Ruan Lin，Gu Guobiao．Experimental study on two-phase spray cooling for the cooling of high-heatflux electronic chip［A］．ICEMS2011［C］．Beijing，China，2011.

Material compatibility research of evaporative cooling technology applied to large electronic equipment cooling

ZHANG Peng1，2，RUAN Lin2，XIONG Bin2
(1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

With the development of the electronics and information technology，the heat dissipation problem has become the development bottleneck of electronic equipment，especially large-scale high-density electronic devices．E-vaporative cooling technology of the Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，utilizing phase change latent of cooling medium，cooling capacity has the great advantage than traditional air-cooled cooling technology．When it is applied to large electronic equipment cooling，material compatibility is an important problem，which requires the first study．This paper describes materials compatibility experimental research and analysis between cooling media and electronic equipment．And the experimental results provide cooling media screening guidance for electronic equipment，which provide important technical support for evaporative cooling technology applying to large-scale electronic equipment，in future．

material compatibility;evaporative cooling;electronic equipment

TM214

A

1003-3076(2014)04-0076-05

2013-03-14

中國科學院重大科研裝備研制項目《超級計算機蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)研制》

張 鵬 (1985-)，男，河南籍，博士研究生，研究方向為大型電子設備冷卻;阮 琳 (1976-)，女，甘肅籍，研究員，博士，研究方向為大型電氣與電子設備冷卻。