Тепловые расчеты конструкций ЭВМ
Основные теплофизические задачи конструирования ЭВМ.
Проверочный расчет температуры микросхемы при жидком охлаждении.
В конструкциях ЭВМ, реализованных с использованием средних и больших
интегральных схем при большом коэффициенте заполнения объема, не удается
обеспечить нормальную температуру комплектующих элементов даже принудительным
воздушным охлаждением. Вследствие этого все чаще стали использовать жидкостное
охлаждение. Анализ конструкции с жидкостным охлаждением. Один из вариантов такой
конструкции показан на рис.6.19. К каркасу стойки крепят металлические плиты
(обычно алюминиевые),в них проходят змеевики, образующие контур жидкостного
охлаждения. Хладагентом является дистиллированная вода. Над змеевиками сделаны
пазы, которые служат направляющими для типовых элементов замены каркасной
конструкции с теплоотводящими шинами .
Рис 6.19. Конструкция стойки с жидкостным охлаждением
Сочленение каркаса ТЭЗ с "холодной" плитой образует "тепловой разъем".
Тепловая энергия, выделяемая ИС, передается к "холодной" плите кондукцией
через "тепловой разъем", поэтому он должен иметь небольшое тепловое
сопротивление ."Тепловой разъем выполняют в виде небольшого пластинчатого
теплового соединителя (рис.6.20),теплостоком которого является каркас субблока,
а теплоприемником - "холодная" плита. Зазор между пластинами заполняется
теплоотводящей смазкой с большим коэффициентом теплопроводности. Для
многокристальных модулей СБИС при удельной мощности более 105
Вт/м2 ,что соответствует, например, мощности кристалла 8 Вт и
коэффициенту заполнения монтажной плоскости 0,15 и больше при площади
основания кристалла 8х8 мм, также необходимо использовать жидкостное
охлаждение.
Рис 6.20.Фрагмент панели с тепловым разъемом
Конструкция многокристального модуля с жидкостным охлаждением показана на
рис.6.21. Микроканалы для охлаждающей жидкости располагаются в нижней части
многослойной подложки из окиси алюминия между сквозными металлизированными
отверстиями для межслойных соединений. Толщина охлаждающей секции (подложка и
кристалл СБИС) около 1 мм. Подложка имеет размеры 105х85 мм, содержит 6
проводящих слоев,900 контактов ввода/вывода и 29 микроканалов. При скорости
потока охлаждающей жидкости 1 л/мин корпус может рассеивать мощность более 400
Вт. Подложки устанавливают друг над другом в горизонтальном положении.
1-многослойная подложка из окиси алюминия;
2-жидкостный соединитель;
3-контактные площадки;
4-проволочные соединения;
5-кристаллы;
6-распределительный канал;
7-межсоединения;
8-микроканалы для охлаждающей жидкости
Рис 6.21. Многокристальный керамический модуль
Для их монтажа используют стойку из трех вертикально расположенных печатных
плат. Контактные площадки на лицевой и тыльной сторонах подложек служат для
подключения последних к печатным платам.
Определение температуры основания интегральной схемы.
Рассмотрим задачу поверочного расчета температуры основания ИС при
заданных: объемном расходе жидкости Gv, температуре на входе в "холодную"
плиту θвх, тепловой энергии, выделяемой ИС и субблоками, и геометрических
размерах конструкции. Будем предполагать, что отводом теплоты в окружающую среду
конвекцией с воздухом и излучением можно пренебречь, т.е. тепловая энергия,
выделяемая ИС, полностью передается кондукцией "холодной" плите и от нее
вынужденной конвекцией протекающей в трубе жидкости. Температура воды по
длине трубы постоянна. Температура верхней и нижней частей каркаса субблока
(теплостоков) одинакова.
Методика определения теплового сопротивления от ИС к корпусу блока
была рассмотрена ранее, поэтому сделаем некоторые упрощения: будем пренебрегать
тепловыми сопротивлениями зазора между основаниями ИС и теплоотводящей шиной
и контакта теплоотводящей шины с каркасом субблока. В соответствии с
конструктивной реализацией ТЭЗ и блока с учетом сделанных допущений передача
тепловой энергии от ИС к жидкостному хладоносителю будет происходить через
верхний и нижний "тепловые разъемы" . Поскольку конструкция симметрична,
тепловая схема будет иметь вид, показанный на рис.6.22, где Rтр - тепловое
сопротивление стенки труба-основание теплоприемника;R3 - тепловое сопротивление
зазора пластичного теплового соединителя (ПТС);Rk - тепловое сопротивление
стенки каркаса субблока; Rшiв и Rшiн - тепловые сопротивления верхней и
θi нижней частей теплоотводящей шины, θi и θс.к - температуры основания ИС и
стенки канала.
Приведем методику определения температуры основания i-й интегральной схемы
к-го субблока исходя из известной температуры воды на входе в плиту блока. На
основании (6.44) температура воды на входе в канал к-го субблока 0,5R3
к-1
θвхк=θвх+0,5∑ Фj/(Cp*ρ*Gv), (6,76)
i=1
к-1
где ∑ Фj - тепловая энергия, выделяемая предыдущими ТЭЗ.
i=1
На оси канала к-го субблока температура воды
θо.к=θвхк+0,5Фк/(2Cp*ρ*Gv), (6,77) -
где Фк - тепловая энергия, выделяемая к-ым ТЭЗ.
Рис 6.22. Схема соединения тепловых сопротивлений при передаче тепловой
энергии от ИС к стенке трубы.
По (6.43)cкорость течения воды в канале (м/с)
v=Gv/F,
где F=πd2/4 - площадь поперечного сечения трубы.
По (6.21) значение критерия Рейнольдса
Re=v*d/vж.
По (6.40) или (6.41) в зависимости от значения критерия
Рейнольдса
подсчитаем значение критерия Нуссельта, из (6.18) - коэффициент
теплообмена конвекцией в трубе [Вт/(м2*К)] : α=Nu*λж/d. Площадь поверхности
трубы (одного колена змеевика) S=πdl.
На основании (6.12) температура стенки к-го канала ТЭЗ
θск=θо.к+0,5Фк/(αS). (6.78)
Температура каркаса субблока
θск=θо.к+0,5ФкR ,
где R =0,5(Rтр+Rз+Rк); Rтр=(h1+0,5d)/(λ1*b*l);
R3=δ3/(λ3Fптс); Fптс=2m*h3*l; Rк=h2/(λ2*b*l);
λ1,λ3 и λ2 - коэффициенты теплопроводности материала плиты, теплопроводящей
смазки зазора пластинчатого теплового соединителя каркаса субблока; m - число
пластин теплового разъема .
Тепловые сопротивления теплопроводящей шины от i-ой интегральной схемы к
верхней и нижней частям каркаса субблока соответственно будут:
Rшiв=xi/(λш*Sш); Rшiн=(L-xi)/(λш*Sш),
где λш - коэффициент теплопроводности шины; Sш=bш*δш - площадь ее поперечного
сечения.
Так как тепловые сопротивления включены параллельно, то
Rmi∑=Rшi⦦Rшiн=xi(L-xi)/(λшSшL).
Собственный перегрев i-ой интегральной схемы относительно температуры
каркаса субблока
Δθic=ФiRшi =Фi*xi(L-xi)(λшSшL).
Используя принцип суперпозиции температурных полей, находим
наведенный
перегрев i-ой интегральной схемы от n интегральных схем, расположенных на одной
шине с i-й;
n
Δθiн=1/(λшSшL)∑ Фi*xi(L-xi). (6.79)
j=1
Температура основания i-й ИС
n+1
θi=θк+1/(λшSшL)∑ Фi*xi(L-xi). (6.80)
j=1