เทคโนโลยีการผลิตแผ่นทำความเย็นและความท้าทายที่สำคัญ

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ศูนย์ข้อมูล ยานยนต์ไฟฟ้า การจัดเก็บพลังงาน และการประมวลผลประสิทธิภาพสูง การจัดการความร้อนจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญต่อความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของระบบ โซลูชันการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมนั้นไม่เพียงพอต่อการใช้งานที่มีความร้อนสูงในปัจจุบัน ด้วยเหตุนี้ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว หรือที่เรียกว่าฮีทซิงค์ระบายความร้อนด้วยของเหลว จึงกลายเป็นส่วนประกอบหลักของระบบระบายความร้อนด้วยแผ่นระบายความร้อนสมัยใหม่

บทความนี้ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยครอบคลุมหลักการทำงาน ประเภทของแผ่นระบายความร้อนทั่วไป ความท้าทายในการผลิต และกระบวนการเชื่อมต่อขั้นสูง มีจุดประสงค์เพื่อช่วยให้วิศวกรและผู้มีอำนาจตัดสินใจเข้าใจโซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยใช้แผ่นระบายความร้อนได้ดียิ่งขึ้น และเลือกวิธีการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานของตน

1. แผ่นทำความเย็นแบบเหลวคืออะไร?

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว (หรือเรียกอีกอย่างว่าแผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำ) เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่ช่วยระบายความร้อนออกจากชิ้นส่วนที่มีกำลังสูงโดยการหมุนเวียนสารหล่อเย็นผ่านช่องภายใน

หลักการทำงานพื้นฐานของการระบายความร้อนด้วยแผ่นเย็นมีดังนี้:

1. ความร้อนเกิดจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ซีพียู การ์ดจอ โมดูลจ่ายไฟ หรือแบตเตอรี่

2. ความร้อนจะถูกส่งจากอุปกรณ์ไปยังแผ่นระบายความร้อนผ่านการสัมผัสโดยตรง

3. สารหล่อเย็นไหลผ่านช่องภายใน ดูดซับและระบายความร้อนออกไป

4. ของเหลวที่ร้อนแล้วจะถูกส่งไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายนอกเพื่อระบายความร้อนออกไป

เมื่อเปรียบเทียบกับการระบายความร้อนด้วยอากาศ แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำมีข้อดีดังนี้:

• ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงขึ้น

• การกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น

• การบูรณาการระบบขนาดกะทัดรัด

• ประสิทธิภาพเหนือกว่าในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง

ในการใช้งานด้านคอมพิวเตอร์ หลักการเดียวกันนี้ถูกนำไปใช้กับบล็อกน้ำสำหรับซีพียู บล็อกระบายความร้อนซีพียู และการ์ดจอที่มีบล็อกน้ำ โดยที่บล็อกน้ำขนาดกะทัดรัดจะระบายความร้อนให้กับโปรเซสเซอร์โดยตรง

2. ประเภทของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวทั่วไปและความท้าทายของแต่ละประเภท

การใช้งานที่แตกต่างกันต้องการโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่แตกต่างกัน การเลือกวัสดุ การออกแบบช่องภายใน และวิธีการผลิต ล้วนส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ

2.1 แผ่นทำความเย็นของเหลวแบบท่อในแผ่น

การออกแบบแบบท่อฝังแผ่นฐานจะฝังท่อโลหะลงในแผ่นฐานเพื่อสร้างช่องทางระบายความร้อน

ข้อดี:

• โครงสร้างที่เรียบง่าย

• ต้นทุนการผลิตต่ำ

• เหมาะสำหรับงานที่ใช้พลังงานต่ำถึงปานกลาง

ความท้าทาย:

• ความหนาแน่นของช่องระบายความร้อนที่จำกัดจะลดประสิทธิภาพการระบายความร้อนลง

• อินเทอร์เฟซความร้อนหลายตัวทำให้ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น

• การใช้ท่อทองแดงร่วมกับแผ่นอลูมิเนียมอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้

• ไม่เหมาะสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยแผ่นเย็นประสิทธิภาพสูง

2.2 แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเจาะรูด้วยปืน

การเจาะรูด้วยปืนจะสร้างช่องภายในที่เป็นเส้นตรงภายในแผ่นโลหะแข็ง จากนั้นจึงปิดผนึกปลายทั้งสองข้าง

ข้อดี:

• ความแข็งแรงเชิงกลสูง

• พื้นผิวช่องภายในเรียบ

• เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความร้อนปานกลาง

ความท้าทาย:

• รางตรงจำกัดความยืดหยุ่นในการออกแบบ

• การผลิตแผ่นโลหะที่มีความยาวเกิน 500 มม. ด้วยความแม่นยำสูงนั้นทำได้ยาก

• จุกปิดปลายอาจเป็นจุดรั่วไหลได้

• ไม่เหมาะสมสำหรับโครงสร้างระบายความร้อนที่ซับซ้อน

2.3 แผ่นระบายความร้อนเหลวแบบบัดกรี

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานนั้น ผลิตขึ้นโดยการกลึงช่องทางการไหลลงบนแผ่นฐาน และเชื่อมแผ่นปิดด้านบนเข้ากับแผ่นฐานอย่างถาวรโดยใช้การเชื่อมประสานในสุญญากาศ

ข้อดี:

• ช่วยให้สามารถออกแบบช่องทางภายในที่ซับซ้อนได้

• ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ยอดเยี่ยม

• การกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ

• โดยทั่วไปใช้ในระบบระบายความร้อนด้วยแผ่นเย็นเหลวระดับไฮเอนด์

ความท้าทาย:

• ต้องใช้เตาหลอมเชื่อมประสานสุญญากาศราคาแพง

• วงจรการผลิตยาวนาน (6-8 ชั่วโมงต่อชุด)

• มีความไวสูงต่อความสะอาดของพื้นผิวและการควบคุมกระบวนการ

• ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้นและความยืดหยุ่นที่จำกัด

2.4 แผ่นระบายความร้อนแบบท่อฝัง

ในการออกแบบนี้ ท่อที่ดัดงอจะถูกกด เชื่อม หรือติดเข้ากับแผ่นฐาน

ข้อดี:

• การกำหนดเส้นทางช่องสัญญาณมีความยืดหยุ่นมากกว่าท่อแบบติดตั้งบนพื้นผิว

• ใช้ได้กับท่ออลูมิเนียม ทองแดง หรือสแตนเลส

ความท้าทาย:

• กระบวนการประกอบที่ซับซ้อน

• ความสม่ำเสมอของคุณภาพขึ้นอยู่กับฝีมือเป็นอย่างมาก

• รุ่นที่เชื่อมด้วยวิธีบัดกรีมีราคาแพงและซ่อมแซมยาก

3. การเปรียบเทียบกระบวนการผลิตแผ่นระบายความร้อนแบบเหลว

ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการเชื่อมต่อและการปิดผนึกเป็นอย่างมาก วิธีการผลิตที่แตกต่างกันก็มีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันไป

3.1 เทคโนโลยีการเชื่อมต่อทั่วไป

3.2 การเชื่อมแบบเสียดทานกวนสำหรับแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

การเชื่อมแบบเสียดทานกวน (FSW) เป็นกระบวนการเชื่อมแบบของแข็งที่สร้างความร้อนผ่านแรงเสียดทานเชิงกล แทนที่จะหลอมละลายวัสดุ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการผลิตแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว ได้แก่:

• ไม่เกิดการหลอมเหลว รักษาค่าการนำความร้อนดั้งเดิมไว้

• รอยเชื่อมที่หนาแน่น ปราศจากช่องว่าง และมีความเสี่ยงต่อการรั่วซึมต่ำมาก

• ความแข็งแรงเชิงกลสูง ใกล้เคียงกับวัสดุพื้นฐาน

• รอบการเชื่อมสั้น เหมาะสำหรับระบบอัตโนมัติ

• ต้นทุนการผลิตต่ำกว่าการเชื่อมประสาน 2-10 เท่า

fsw ได้รับการนำไปใช้มากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ OEM, แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ ODM และแผ่นระบายความร้อนแบบกำหนดเองปริมาณมาก

4. สถานการณ์การใช้งาน

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานที่ต้องการการจัดการความร้อนประสิทธิภาพสูง ซึ่งรวมถึง:

• ศูนย์ข้อมูลและเซิร์ฟเวอร์ (บล็อกระบายความร้อน CPU, โซลูชันบล็อกระบายความร้อน CPU ด้วยน้ำที่ดีที่สุด)

• ตัวเร่งความเร็ว AI และ GPU พร้อมระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

• ชุดแบตเตอรี่และระบบจัดเก็บพลังงาน

• อุปกรณ์โทรคมนาคมและโครงสร้างพื้นฐาน 5G

• แหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรมและอินเวอร์เตอร์

5. ปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้แผ่นทำความเย็นแบบเหลว

ในการเลือกแผ่นทำความเย็นเหลวแบบกำหนดเอง ควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้:

• ภาระความร้อนและความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อน

• ชนิดของสารหล่อเย็นและแรงดันใช้งาน

• สภาพแวดล้อม

• ข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน

• เป้าหมายด้านต้นทุนและปริมาณการผลิต

• ความต้องการในการปรับแต่งและการบูรณาการ

การทำงานร่วมกับผู้ผลิตแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่มีประสบการณ์จะช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นระบายความร้อนสมัยใหม่ ในขณะที่วิธีการแบบดั้งเดิม เช่น การออกแบบแบบท่อในแผ่นและการเจาะรูด้วยปืนยังคงใช้งานได้ดีสำหรับบางการใช้งาน กระบวนการขั้นสูง เช่น การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศและการเชื่อมแบบเสียดทานกำลังผลักดันอุตสาหกรรมไปข้างหน้า

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่เชื่อมด้วยวิธี Friction Stir Welding ให้ความสมดุลที่ดีที่สุดในด้านต่างๆ ดังนี้:

• ประสิทธิภาพทางความร้อน

• ความแข็งแรงเชิงกล

• ความน่าเชื่อถือที่ปราศจากการรั่วไหล

• ประสิทธิภาพด้านต้นทุน

เนื่องจากความต้องการระบบระบายความร้อนประสิทธิภาพสูงยังคงเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง แผ่นระบายความร้อนแบบสั่งทำพิเศษ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ OEM และแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ ODM จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในโซลูชันการจัดการความร้อนยุคใหม่