การออกแบบการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับแอสเซมบลีเซิร์ฟเวอร์ PCB

กลยุทธ์การออกแบบความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับแอสเซมบลีเซิร์ฟเวอร์ PCB

Server PCB ทำงานภายใต้โหลดสูงอย่างต่อเนื่องพร้อมโปรเซสเซอร์โมดูลหน่วยความจำและตัวควบคุมพลังงานที่สร้างความร้อนที่สำคัญ การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการลดลงของประสิทธิภาพความล้มเหลวของส่วนประกอบหรือการหยุดทำงานของระบบ การบรรลุเป้าหมายนี้จำเป็นต้องมีการปรับเค้าโครง PCB ให้เหมาะสมการเลือกวัสดุขั้นสูงและการรวมโซลูชันการระบายความร้อนที่เป็นนวัตกรรมที่ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมเซิร์ฟเวอร์ที่หนาแน่น

การวางตำแหน่งส่วนประกอบที่ดีที่สุดและเค้าโครง PCB เพื่อประสิทธิภาพการไหลของอากาศ
การจัดเรียงส่วนประกอบที่สร้างความร้อนบนเซิร์ฟเวอร์ PCB ส่งผลกระทบโดยตรงต่อรูปแบบการไหลของอากาศและประสิทธิภาพการระบายความร้อน องค์ประกอบที่ใช้พลังงานสูงเช่นซีพียู, GPU และหน่วยงานกำกับดูแลแรงดันไฟฟ้าควรอยู่ในตำแหน่งให้สอดคล้องกับทิศทางการไหลเวียนของอากาศหลักของแชสซีเซิร์ฟเวอร์ ตัวอย่างเช่นการวางโปรเซสเซอร์ใกล้ช่องระบายอากาศของไอดีทำให้มั่นใจได้ว่าอากาศเย็นจะมาถึงพวกเขาก่อนลดการเปิดรับแสงที่อุ่นจากส่วนประกอบใกล้เคียง

ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบมีความสำคัญเท่าเทียมกัน การกวาดล้างที่เพียงพอรอบ ๆ ชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงช่วยให้อากาศไหลเวียนได้อย่างอิสระลดฮอตสปอต สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดค่าหลายโปรเซสเซอร์ซึ่งความร้อนจากซีพียูหนึ่งอาจส่งผลกระทบต่อหน่วยที่อยู่ติดกันหากการไหลเวียนของอากาศถูก จำกัด นักออกแบบใช้การจำลองการเปลี่ยนแปลงของของเหลว (CFD) เพื่อจำลองการไหลเวียนของอากาศและการกระจายอุณหภูมิโดยระบุตำแหน่งส่วนประกอบที่ดีที่สุดก่อนการสร้างต้นแบบทางกายภาพ

การติดตามการกำหนดเส้นทางและผ่านการจัดวางยังมีผลต่อประสิทธิภาพความร้อน ร่องรอยทองแดงหนาและความแตกต่างหลายอย่างลดความต้านทานไฟฟ้าซึ่งจะช่วยลดการกระจายพลังงานเป็นความร้อน สำหรับส่วนประกอบที่หิวโหยผู้ออกแบบอาจเพิ่มจำนวนของความร้อน vias ที่เชื่อมต่อแผ่นส่วนประกอบกับระนาบพื้นภายในเพิ่มการนำความร้อนออกจากพื้นผิว วิธีการนี้มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนพื้นผิว (SMDs) ที่มีพื้นที่สัมผัสความร้อนที่ จำกัด

วัสดุอินเตอร์เฟสความร้อนขั้นสูงและโครงสร้างการกระจายความร้อน
วัสดุอินเตอร์เฟสความร้อน (TIMS) เชื่อมช่องว่างระหว่างส่วนประกอบและอ่างล้างมือความร้อนปรับปรุงการนำความร้อนและลดความต้านทานการสัมผัส Tims แบบดั้งเดิมเช่นจาระบีความร้อนกำลังได้รับการเสริมหรือแทนที่ด้วยวัสดุเปลี่ยนเฟส (PCMs) และ epoxies ที่เต็มไปด้วยโลหะซึ่งให้ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นและความน่าเชื่อถือที่ยาวนานขึ้นภายใต้อุณหภูมิสูงอย่างยั่งยืน ตัวอย่างเช่นการเปลี่ยน PCMS จากสถานะของแข็งเป็นของเหลวที่อุณหภูมิในการทำงานเติมช่องว่างอากาศด้วยกล้องจุลทรรศน์และสร้างความมั่นใจว่าสัมผัสความร้อนที่สอดคล้องกัน

การออกแบบ Sink Heat ในเซิร์ฟเวอร์ PCBs พัฒนาขึ้นเพื่อจัดการกับข้อ จำกัด ด้านพื้นที่และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ห้องไอซึ่งใช้หลักการการระบายความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสจะถูกรวมเข้ากับอ่างล้างจานเพื่อความร้อนเพื่อกระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวขนาดใหญ่ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับโปรเซสเซอร์ที่มีการสร้างความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอเช่นผู้ที่มีแกนกราฟิกแบบบูรณาการ นอกจากนี้ท่อความร้อนที่ฝังอยู่ภายในพื้นผิว PCB หรือแพ็คเกจส่วนประกอบถ่ายโอนความร้อนไปยังพื้นที่ทำความเย็นระยะไกลทำให้สามารถออกแบบเค้าโครงที่ยืดหยุ่นได้มากขึ้น

สำหรับเซิร์ฟเวอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงโซลูชันการระบายความร้อนของเหลวกำลังได้รับแรงฉุด แผ่นเย็น Microchannel ที่ติดอยู่กับพื้นผิว PCB ไหลเวียนน้ำหล่อเย็นเพื่อดูดซับความร้อนโดยตรงจากส่วนประกอบ ระบบเหล่านี้ต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำและการประกอบกันรั่วที่แม่นยำ แต่ให้ประสิทธิภาพความร้อนที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับการระบายความร้อนของอากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งในชั้นวางที่บรรจุหนาแน่น ในระหว่างการประกอบ PCB ผู้ผลิตใช้ระบบจ่ายอัตโนมัติเพื่อใช้ TIMS อย่างสม่ำเสมอและกาวที่ไวต่อแรงดันเพื่อรักษาความปลอดภัยแผ่นเย็นโดยไม่ทำลายส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน

การจัดการความร้อนแบบไดนามิกและระบบตรวจสอบแบบเรียลไทม์
เซิร์ฟเวอร์ที่ทันสมัยได้รวมเทคนิคการจัดการความร้อนแบบไดนามิก (DTM) เพื่อปรับทรัพยากรการระบายความร้อนให้เข้ากับความต้องการปริมาณงานแบบเรียลไทม์ เซ็นเซอร์อุณหภูมิแบบฝังตัวบน PCB ตรวจสอบส่วนประกอบที่สำคัญการป้อนข้อมูลไปยังอัลกอริทึมเฟิร์มแวร์ที่ปรับความเร็วพัดลมการใช้พลังงานหรือความถี่นาฬิกาเพื่อรักษาอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่นหาก CPU เกินขีด จำกัด ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าระบบอาจลดแรงดันไฟฟ้าหรือความถี่ (การควบคุมปริมาณ) ในขณะที่เพิ่มพัดลม RPM เพื่อกระจายความร้อนได้เร็วขึ้น

อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องเพิ่ม DTM โดยการทำนายแนวโน้มความร้อนตามรูปแบบการใช้งานในอดีต ระบบเหล่านี้เรียนรู้ที่จะคาดการณ์อุณหภูมิแหลมในระหว่างการโหลดสูงสุดปรับพารามิเตอร์การระบายความร้อนล่วงหน้าเพื่อป้องกันการลดลงของประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่นงานการประมวลผลแบทช์เซิร์ฟเวอร์ในชั่วข้ามคืนอาจลดความเร็วของพัดลมในช่วงเวลากิจกรรมต่ำเพื่อประหยัดพลังงานจากนั้นเพิ่มขึ้นเมื่อการคำนวณทวีความรุนแรงมากขึ้น

ความซ้ำซ้อนในการตรวจสอบความร้อนทำให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือ เซ็นเซอร์หลายตัวติดตามส่วนประกอบหรือโซนเดียวกันโดยมีการอ่านการตรวจสอบข้ามระบบเพื่อตรวจจับความผิดพลาด หากเซ็นเซอร์ล้มเหลว DTM สามารถพึ่งพาแหล่งข้อมูลทางเลือกเพื่อรักษาการทำงานที่ปลอดภัย ในระหว่างการทดสอบ PCB ผู้ผลิตตรวจสอบความถูกต้องของเซ็นเซอร์ในช่วงอุณหภูมิการทำงานเต็มรูปแบบเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่สอดคล้องกันในศูนย์ข้อมูลที่มีสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

การรวมตัวของอ่างล้างมือด้วยความร้อนกับสารตั้งต้น PCB สำหรับการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น
การฝังอ่างล้างจานความร้อนโดยตรงลงในสารตั้งต้น PCB ช่วยลดความต้านทานความร้อนระหว่างส่วนประกอบและสารละลายทำความเย็น วิธีการนี้มักจะเกี่ยวข้องกับการใช้ PCBs โลหะคอร์ (MCPCBS) ซึ่งเป็นชั้นโลหะนำไฟฟ้าที่นำไฟฟ้า (เช่นอลูมิเนียมหรือทองแดง) แทนที่วัสดุ FR4 แบบดั้งเดิม แกนโลหะทำหน้าที่เป็นตัวกระจายความร้อนดึงความร้อนออกไปจากส่วนประกอบและกระจายผ่านแชสซีหรืออ่างล้างมือที่ติดตั้ง

สำหรับ PCB แบบหลายชั้นนักออกแบบรวม Vias ความร้อนที่แทรกซึมทุกเลเยอร์สร้างเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำสำหรับการถ่ายเทความร้อน Vias เหล่านี้มักจะเต็มไปด้วยอีพ็อกซี่นำไฟฟ้าหรือประสานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด ในการออกแบบบางอย่าง PCB เองทำหน้าที่เป็นอ่างล้างจานด้วยพื้นที่ทองแดงที่สัมผัสกับด้านหลังที่ให้บริการเป็นพื้นผิวการกระจายความร้อน นี่เป็นเรื่องธรรมดาในเซิร์ฟเวอร์ที่มีพื้นที่ต่ำซึ่งมีพื้นที่สำหรับการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม

การทดสอบประสิทธิภาพการระบายความร้อนของอ่างล้างมือแบบรวมนั้นเกี่ยวข้องกับความร้อนด้วยอินฟราเรดและเครื่องมือจำลองความร้อน กล้องอินฟราเรดแมปการกระจายอุณหภูมิข้ามพื้นผิว PCB เน้นพื้นที่ที่การสะสมความร้อนเกินขีด จำกัด การออกแบบ วิศวกรใช้ข้อมูลนี้เพื่อปรับแต่งผ่านรูปแบบปรับตำแหน่งส่วนประกอบหรือแก้ไขรูปทรงเรขาคณิตของฮีทซิงค์ก่อนที่จะเสร็จสิ้นการออกแบบสำหรับการผลิตจำนวนมาก

ด้วยการรวมเค้าโครงส่วนประกอบเชิงกลยุทธ์ TIMS ขั้นสูงการจัดการความร้อนแบบไดนามิกและเทคนิคการกระจายความร้อนระดับพื้นผิวผู้ผลิตสามารถสร้างชุดประกอบ PCB เซิร์ฟเวอร์ที่รักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมแม้ภายใต้ปริมาณงานที่รุนแรง