Guía completa para el desarrollo, fabricación, ensamblaje y pruebas de placas frías de refrigeración líquida para servidores de IA

En el mundo en rápida evolución de servidores de IA Y en la informática de alto rendimiento, la gestión térmica eficaz es fundamental. Placas frías de refrigeración líquida Se han convertido en una solución superior para disipar el calor de procesadores de alta potencia en centros de datos y entornos de nube. Esta guía detallada abarca todo, desde la fabricación y el ensamblaje de placas frías hasta los requisitos de desarrollo y los rigurosos métodos de prueba, ayudando a ingenieros y operadores de centros de datos a optimizar... Refrigeración líquida para servidores con IA Sistemas de confiabilidad y rendimiento.

Ya sea que esté diseñando una infraestructura de IA de próxima generación o buscando soluciones de enfriamiento rentables, comprender tecnología de placa fría es esencial para lograr la eficiencia energética y un alto rendimiento sostenido.

I. Fabricación y montaje de placas frías

1. Introducción a la placa fría

A plato frio es un disipador de calor integrado con tuberías o canales de flujo, que permite que el refrigerante fluya y disipe el calor de manera eficiente.

Un conjunto de placa fría generalmente consta de un intercambiador de calor de fluido y un soporte de montaje. El intercambiador de calor de fluido se conecta a las tuberías de fluido mediante procesos de unión de metales, como soldadura, soldadura fuerte o soldadura blanda.

El intercambiador de calor de placas frías se compone de una base y una cubierta superior.

La base está diseñada para el contacto directo con el procesador. Compatible TIM2 Se debe aplicar material de interfaz térmica (TI) entre el procesador y la base para mejorar el rendimiento térmico de la placa fría. La cubierta superior sella los canales de fluido y suele incorporar conectores para dirigir el flujo de refrigerante a través de ellos.

2. Tipos de placas frías

Las placas frías se dividen principalmente en placas frías integrales  y placas frías de tipo dividido:

• Placa fría integralEl intercambiador de calor de fluidos y el soporte de montaje están integrados en una sola pieza y no pueden separarse. Debido a que el soporte está vinculado al diseño de la placa fría, resulta difícil adaptarlo a las generaciones posteriores de procesadores.
• Placa fría de tipo divididoEl intercambiador de calor de fluidos y el soporte de montaje son componentes independientes. Este diseño modular permite la adaptación a procesadores de nueva generación rediseñando únicamente el soporte, a la vez que se reutiliza el intercambiador de calor para ahorrar costos.

3. Fabricación de placas frías

Los principales procesos de ensamblaje de la cubierta superior y la base del intercambiador de calor de placas frías incluyen soldadura fuerte, soldadura por fricción y agitación, soldadura blanda y sellado con juntas tóricas. La siguiente tabla (referenciada en el documento original) describe las ventajas y desventajas de cada proceso.

Las desviaciones en los procesos de fabricación y un control insuficiente del proceso pueden provocar defectos en el producto, afectando el rendimiento y la confiabilidad.

Los planes de validación de productos de placa fría deben incluir muestras representativas de la línea de producción para evaluar el rendimiento y la confiabilidad dentro de los límites de control del proceso.

4. Conjunto de placa fría

El conjunto de placa fría consta de la placa fría, los tubos de refrigerante y las desconexiones rápidas. Los componentes opcionales en los diseños del cliente pueden incluir conectores adaptadores y hardware de detección de fugas. Descripción de los componentes:

• Tubos de refrigeranteSe utiliza para suministrar refrigerante desde el circuito de refrigeración hasta la placa fría. Los materiales metálicos pueden ser cobre o aluminio; las opciones no metálicas incluyen PTFE (politetrafluoroetileno), PEX (polietileno reticulado) o EPDM (monómero de etileno propileno dieno). La selección del material debe coincidir con el tipo y diseño del conector de fluido de la placa fría. Se pueden enrollar cables/cuerdas de detección de fugas alrededor de tuberías y conectores para fines de monitoreo.
• Desconexiones rápidas:Facilitar la desconexión rápida de la placa fría y los tubos del circuito de refrigeración líquida y del equipo de TI, mejorando la capacidad de mantenimiento.
• Conectores adaptadores (opcionales):Se utiliza para conectar tubos de refrigerante y desconexiones rápidas en el conjunto.
• Detección de fugas (muy recomendable):Alerta a los operadores del centro de datos al detectar fugas.

5. Sistema de enfriamiento con tecnología de placa fría

El sistema de enfriamiento de placa fría incluye equipos de TI (ITE), placas frías, tubos de refrigerante, desconexiones rápidas (QD), colectores de cuchillas, circuitos de enfriamiento secundarios, unidades de distribución de refrigerante (CDU), sistemas de agua de instalaciones (FWS) y torres de enfriamiento o enfriadores.

Este sistema proporciona refrigerante estable a temperatura y presión a las placas frías. Todos los materiales húmedos en contacto con el refrigerante deben ser compatibles.

II. Requisitos de desarrollo de la placa fría

1. Requisitos mecánicos

1) Diseño mecánico de placa fría

Las placas frías deben cumplir todos los requisitos estructurales especificados por el proveedor del procesador para soluciones de disipación de calor (consulte las métricas clave en las directrices de diseño térmico y mecánico del procesador, como masa, planitud, etc.). Los requisitos adicionales incluyen:

• Cumplimiento del diseño del producto, zona de exclusión (KOZ) y documento de control de interfaz (ICD) para hardware de montaje.
• La carga mecánica aplicada por el hardware de montaje al procesador debe cumplir con los requisitos de carga del paquete durante la vida útil de la placa fría.
• Los procedimientos de instalación y extracción deben cumplir con las pautas de diseño y fabricación del procesador.
• La planitud de la superficie inferior de la base puede afectar el rendimiento mecánico y térmico; las especificaciones deben definirse según los requisitos de rendimiento.
• Se debe especificar la rugosidad promedio (Ra) de la superficie inferior de la base para el rendimiento mecánico y térmico.
• Las dimensiones X e Y del área de contacto con el IHS del procesador o la región de la matriz afectan el rendimiento térmico (el contorno azul en la Figura 6 a la que se hace referencia representa el área del IHS del procesador o la región de la matriz).

• La altura de la placa fría debe adaptarse al chasis del producto, medida desde la parte inferior de la base hasta la parte superior de los conectores de fluido.

2) Conectores de fluido de placa fría

Requisitos:

• No se observan fugas ni deformaciones en las interfaces conector-intercambiador de calor y conector-tubo durante las pruebas hidrostáticas.
• El diseño debe evitar el estancamiento o cavitación del fluido.

3) Integración del circuito de enfriamiento de placa fría

consideraciones:

• La posición y orientación del conector deben adaptarse al enrutamiento del tubo de refrigerante del producto.
• Las diferencias de potencial de los electrodos en los metales humedecidos deben minimizarse para evitar la corrosión; si se utilizan metales diferentes, se recomienda enfáticamente la validación de la corrosión integrada.
• La diferencia de potencial electroquímico en cualquier interfaz metal-metal no debe superar los 0.15 V para evitar la corrosión galvánica.
• El espesor, la altura y el espaciado de las aletas en las placas frías de microcanales afectan la capacidad de flujo y la caída de presión.
• La caída de presión del conjunto debe ser inferior a la presión del fluido proporcionada por la bomba.
• Comprenda las variaciones del caudal del refrigerante con la temperatura (como se muestra en la Figura 8) para ajustarlo a los cambios estacionales.

4) Requisitos de apariencia de la placa fría

• Superficie de cubierta superior lisa, sin defectos ni deformaciones visibles.
• Superficie inferior de la base libre de defectos o deformaciones visibles.
• Soporte de montaje libre de defectos visibles o deformaciones.
• Conectores de fluidos libres de defectos visibles o deformaciones.

2. Requisitos de rendimiento térmico

El rendimiento de la placa fría debe cumplir con los requisitos de temperatura del procesador durante toda su vida útil. Condiciones térmicas límite clave:

• Temperatura máxima permitida según las especificaciones del procesador.
• Temperatura y caudal del refrigerante proporcionados por el sistema.
• Velocidad máxima de flujo de entrada < 1.5 m/s para evitar la erosión.

3. Requisitos de confiabilidad

1) Presión hidrostática

Cumple con la norma IEC FDIS 62368-1; no se detectan fugas ni deformaciones después de la prueba; dimensiones estadísticamente equivalentes antes y después.

2) Corrosión

• Compatibilidad de fluidos: Las superficies humedecidas son químicamente compatibles y resistentes a la corrosión; mantienen las concentraciones de biocidas e inhibidores.
• Prueba de niebla salina según ASTM B117: sin corrosión, picaduras ni decoloración; se recomienda realizar una prueba hidrostática posterior a la prueba.

3) Rendimiento dinámico

• Choque: Rendimiento hidrostático y térmico post-prueba estadísticamente equivalente.
• Vibración: Requisitos similares.

4) Ciclos de temperatura

Recomendado; prueba hidrostática posterior para detección de fugas.

III. Métodos de prueba de placa fría

1. Pruebas mecánicas

1. Pruebas dimensionales Verifique que las dimensiones de la placa fría cumplan con los requisitos del producto utilizando los siguientes métodos:
2. Mida la altura de la placa fría utilizando un calibrador vernier.
3. Mida la longitud, el ancho, el paso y la altura de los canales de flujo de fluido internos utilizando un calibrador vernier.
4. Utilice rayos X o técnicas de imágenes similares para confirmar que las aletas del canal de flujo de fluido estén libres de distorsión, deformación o contaminantes.
5. Pruebas estructurales Consulte las especificaciones técnicas del procesador para verificar los requisitos estructurales clave de la solución de disipación de calor de la placa fría (como masa, planitud, etc.) y adopte los métodos de prueba recomendados en las especificaciones.
6. Prueba de integración de placa fría La placa fría debe someterse a las siguientes verificaciones para garantizar que el diseño cumpla con los requisitos de ensamblaje:
7. Utilice rayos X o métodos de análisis similares para detectar defectos de fabricación en el intercambiador de calor de placas frías (como huecos, contaminantes del canal, calidad de la soldadura, etc.).
8. Para placas frías de dos piezas, verifique que no haya interferencia entre el intercambiador de calor y el soporte de montaje durante el ensamblaje.
9. Verifique si las especificaciones del conector (como dimensiones, estructura de púas, orientación de instalación, etc.) cumplen con los requisitos de diseño del producto.
10. Integre la placa fría en el conjunto de placa fría del producto y realice una prueba de presión hidrostática para confirmar que no haya fugas entre el intercambiador de calor, los conectores y los tubos de refrigerante.
11. Prueba de Apariencia
12. Realice una inspección visual de la superficie externa de la placa fría de acuerdo con los estándares de inspección de apariencia de fábrica.
13. Sumerja el intercambiador de calor de placas frías en un dispositivo de limpieza ultrasónico (o equipo equivalente), lávelo con líquido transparente y verifique que el líquido descargado no muestre decoloración y que las partículas suspendidas en el líquido de enjuague sean menores a 50 μm.

2. Prueba de rendimiento

1) Prueba de rendimiento térmico

Aplicar TIM2, instalarlo en un procesador funcional, estabilizarlo y registrar los parámetros. La resistencia térmica se calcula como:

R = (Tc – TL) / Q

(donde R en °C/W, Tc temperatura de la caja, TL temperatura de entrada, Q potencia).

Pruebe a múltiples caudales (consulte el ejemplo de la Figura 9).

2) Prueba de caída de presión de fluido

Configure el circuito TCS del laboratorio (consulte la Figura 10a/b); mida la presión diferencial.

La caída de presión debe permitir un flujo positivo.

3. Pruebas de confiabilidad

1) Prueba de presión hidrostática

La prueba de presión hidrostática es una prueba clave de calidad y confiabilidad para detectar fugas en condiciones de operación normales y esperadas. Puede referirse a las dos siguientes normas de la industria:

Norma europea EN 1779 [7] (Métodos de detección de fugas mediante gas presurizado):

• Prueba de caída de presión: Mida la caída de presión total de la placa fría; se recomienda que la caída de presión no exceda el 0.5%.
• Prueba de burbuja de inmersión: presurizar la placa fría y sumergirla en un fluido, detectando fugas mediante la observación de burbujas o corrientes de burbujas.

Estándar de soluciones UL IEC FDIS 62368-1 [8] (Especifica el tiempo de presurización y los factores de seguridad para la prueba de fugas hidrostática):

• Presurice la placa fría a la presión máxima de trabajo, manténgala así durante 5 minutos y verifique que no haya fugas en la placa fría ni en los conectores.
• Presurice la placa fría a 3 veces la presión máxima de trabajo, manténgala así durante 2 minutos y verifique que no haya fugas en la placa fría ni en los conectores.

El medio de prueba puede ser gas o refrigerante.

2) Prueba de corrosión

Prueba de compatibilidad de fluidosLos sistemas de refrigeración líquida de placa fría se componen de metal y polímeros/elastómeros, todos en contacto con el refrigerante. La fiabilidad de la placa fría depende de la compatibilidad química entre el refrigerante y todos los materiales en contacto con el refrigerante. El refrigerante debe proporcionar una protección fiable contra la corrosión a los componentes metálicos y no debe provocar la filtración de contaminantes de los polímeros/elastómeros (algunos polímeros/elastómeros pueden absorber inhibidores de corrosión del refrigerante, lo que reduce su eficacia).

Los métodos recomendados para evaluar la compatibilidad de fluidos incluyen:

• Realizar pruebas de corrosión y compatibilidad de materiales del refrigerante con metales según la norma ASTM D2570, evaluando los efectos del refrigerante circulante en muestras metálicas y detectando la corrosión galvánica en condiciones de laboratorio controladas.
• Mida las concentraciones de iones metálicos en la solución utilizando el método de plasma acoplado inductivamente (ICP) de acuerdo con las normas ASTM D6130 y D5185 para identificar signos tempranos de corrosión y desarrollar planes de mantenimiento preventivo.
• Pruebe el valor de pH y la alcalinidad de reserva del refrigerante de acuerdo con las normas ASTM D1287 y D1121 para evaluar la degradación del refrigerante debido a la conversión de etilenglicol en ácido glicólico.
• Pruebe los iones de cloruro y otras concentraciones de aniones en el refrigerante utilizando cromatografía iónica según la norma ASTM D5827 para evaluar el contenido de aniones activos que causan picaduras de metal.
• Utilice cromatografía de gases (GC) y cromatografía líquida (LC) para probar el refrigerante, rastrear concentraciones de inhibidores de corrosión orgánicos e identificar otros contaminantes orgánicos precipitados [9].

Prueba de niebla salina:Realizar pruebas en una cámara de niebla salina según la norma ASTM B117 para evaluar la resistencia a la corrosión del revestimiento de la superficie externa de la placa fría (la pasivación o anodización de la superficie de la placa fría puede reducir el riesgo de corrosión por niebla salina).

Las condiciones de prueba son las siguientes:

• Sella la entrada y la salida de la placa fría y coloca la muestra en una cámara de niebla salina a 35 °C.
• Concentración másica de solución de NaCl: 5%.
• Valor de pH de la solución de NaCl: 6.5–7.2.
• Tasa de deposición de niebla salina: aproximadamente 2 ml/hora/80 cm².
• Duración de la prueba de exposición: 8 horas.

Tras la prueba de niebla salina, mida el rendimiento térmico de la placa fría para garantizar que no se produzca una degradación térmica estadísticamente significativa. Se recomienda realizar simultáneamente una prueba de presión hidrostática para detectar posibles fugas causadas por la degradación del material debido a la corrosión.

3) Pruebas dinámicas

Prueba de choqueMonte la placa de enfriamiento en la pila de CPU correspondiente de una placa de producto representativa y realice una prueba de impacto según los requisitos de validación del producto. Tras la prueba, inspeccione visualmente si la placa cumple con los requisitos y si la pila de CPU y la placa de producto presentan daños. Realice una prueba de presión hidrostática en la placa de enfriamiento instalada para verificar que la tensión de impacto no haya causado fugas en la placa ni en los conectores.

Prueba de vibraciónMonte la placa de enfriamiento en la pila de CPU correspondiente de una placa de producto representativa y realice una prueba de vibración según los requisitos de validación del producto. Tras la prueba, inspeccione visualmente si la placa cumple con los requisitos y si la pila de CPU y la placa de producto presentan daños. Realice una prueba de presión hidrostática en la placa de enfriamiento instalada para verificar que la vibración no haya causado fugas en la placa ni en los conectores.

4) Prueba de ciclos de temperatura

Aplique el material TIM2 recomendado a la placa fría y móntela en una pila de procesadores funcional de una placa base representativa. Realice pruebas de temperatura o ciclos de encendido según los requisitos de validación del producto: el rango de temperatura debe cubrir las temperaturas extremas de funcionamiento de la placa fría y el número de ciclos debe coincidir con los ciclos de encendido estimados durante la vida útil del procesador. Tras la prueba, el rendimiento térmico de la placa fría debe cumplir con los requisitos de validación del producto. Realice una prueba de presión hidrostática en la placa fría instalada para verificar que la tensión de los ciclos de temperatura no haya causado fugas en la placa fría ni en los conectores.