Guide complet sur le développement, la fabrication, l'assemblage et les tests des plaques froides de refroidissement liquide pour serveurs d'IA

Dans le monde en évolution rapide de Serveurs IA Dans le domaine du calcul haute performance, une gestion thermique efficace est essentielle. plaques froides à refroidissement liquide Les plaques froides se sont imposées comme une solution optimale pour dissiper la chaleur des processeurs haute puissance dans les centres de données et les environnements cloud. Ce guide complet aborde tous les aspects, de la fabrication et l'assemblage des plaques froides aux exigences de développement et aux méthodes de test rigoureuses, aidant ainsi les ingénieurs et les opérateurs de centres de données à optimiser leur fonctionnement. Refroidissement liquide des serveurs d'IA Des systèmes pour la fiabilité et la performance.

Que vous conceviez une infrastructure d'IA de nouvelle génération ou que vous recherchiez des solutions de refroidissement économiques, il est essentiel de comprendre technologie des plaques froides est essentiel pour atteindre l'efficacité énergétique et des performances élevées et durables.

I. Fabrication et assemblage de plaques froides

1. Introduction à la plaque froide

A assiette froide Il s'agit d'un dissipateur thermique intégré à des canalisations ou des canaux d'écoulement, permettant au liquide de refroidissement de circuler et de dissiper efficacement la chaleur.

Un ensemble de plaque froide se compose généralement d'un échangeur de chaleur à fluide et d'un support de fixation. L'échangeur de chaleur est raccordé aux canalisations de fluide par des procédés d'assemblage métallique tels que le soudage, le brasage ou le soudage tendre.

L'échangeur de chaleur à plaque froide comprend une base et un couvercle supérieur.

La base est conçue pour un contact direct avec le processeur. Un compatible TIM2 Un matériau d'interface thermique (UIT) doit être appliqué entre le processeur et le socle afin d'améliorer les performances thermiques du système de refroidissement par plaque froide. Le couvercle supérieur assure l'étanchéité des canaux de fluide et intègre généralement des connecteurs pour diriger la circulation du liquide de refroidissement dans ces canaux.

2. Types de plaques froides

Les plaques froides sont principalement divisées en plaques froides intégrées et plaques froides de type divisé:

• Plaque froide intégréeL'échangeur de chaleur et son support de fixation forment une seule pièce et ne peuvent être séparés. Le support étant lié à la conception de la plaque froide, son adaptation aux générations suivantes de processeurs s'avère complexe.
• Plaque froide de type diviséL'échangeur de chaleur et son support de fixation sont des composants indépendants. Cette conception modulaire permet l'adaptation aux processeurs de nouvelle génération en modifiant uniquement le support, tout en réutilisant l'échangeur de chaleur pour réduire les coûts.

3. Fabrication de plaques froides

Les principaux procédés d'assemblage du couvercle supérieur et du socle de l'échangeur de chaleur à plaque froide comprennent le brasage, le soudage par friction-malaxage, le soudage tendre et l'étanchéité par joint torique. Le tableau ci-dessous (cité dans le document original) présente les avantages et les inconvénients de chaque procédé.

Des écarts dans les processus de fabrication et un contrôle insuffisant de ces processus peuvent entraîner des défauts de fabrication, affectant ainsi les performances et la fiabilité des produits.

Les plans de validation des produits à plaques froides doivent inclure des échantillons représentatifs de la chaîne de production afin d'évaluer les performances et la fiabilité dans les limites de contrôle du processus.

4. Assemblage de la plaque froide

L'ensemble de plaque froide comprend la plaque froide, les tubes de refroidissement et les raccords rapides. Les composants optionnels, selon les spécifications du client, peuvent inclure des connecteurs adaptateurs et un système de détection de fuites. Description des composants :

• Tubes de liquide de refroidissementCe tuyau sert à acheminer le fluide de refroidissement du circuit de refroidissement vers la plaque froide. Les matériaux métalliques peuvent être le cuivre ou l'aluminium ; les matériaux non métalliques incluent le PTFE (polytétrafluoroéthylène), le PEX (polyéthylène réticulé) ou l'EPDM (éthylène-propylène-diène monomère). Le choix du matériau doit correspondre au type et à la conception du raccord de fluide de la plaque froide. Des câbles de détection de fuites peuvent être enroulés autour des tuyaux et des raccords pour la surveillance.
• Déconnexions rapidesFaciliter la déconnexion rapide de la plaque froide et des tubes du circuit de refroidissement liquide et des équipements informatiques, améliorant ainsi la maintenabilité.
• Connecteurs adaptateurs (en option): Utilisé pour raccorder les tubes de liquide de refroidissement et les raccords rapides dans l'ensemble.
• Détection des fuites (fortement recommandée)Alerte les opérateurs de centres de données en cas de détection de fuites.

5. Système de refroidissement à plaque froide

Le système de refroidissement à plaques froides comprend des équipements informatiques (ITE), des plaques froides, des tubes de refroidissement, des raccords rapides (QD), des collecteurs de lames, des boucles de refroidissement secondaires, des unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU), des systèmes d'eau de l'installation (FWS) et des tours de refroidissement ou des refroidisseurs.

Ce système fournit un fluide de refroidissement stable en température et en pression aux plaques froides. Tous les matériaux en contact avec le fluide de refroidissement doivent être compatibles.

II. Exigences de développement des plaques froides

1. Exigences mécaniques

1) Conception mécanique de la plaque froide

Les plaques froides doivent satisfaire à toutes les exigences structurelles spécifiées par le fournisseur du processeur pour les solutions de dissipation thermique (se référer aux paramètres clés des directives de conception thermique et mécanique du processeur, tels que la masse, la planéité, etc.). Des exigences supplémentaires incluent :

• Conformité avec la conception du produit, la zone d'exclusion (KOZ) et le document de contrôle d'interface (ICD) pour le matériel de montage.
• La charge mécanique appliquée par le matériel de montage au processeur doit satisfaire aux exigences de charge du boîtier pendant toute la durée de vie de la plaque froide.
• Les procédures d'installation et de retrait doivent être conformes aux directives de conception et de fabrication du processeur.
• La planéité de la surface inférieure du socle peut affecter les performances mécaniques et thermiques ; les spécifications doivent être définies en fonction des exigences de performance.
• La rugosité moyenne (Ra) de la surface inférieure de la base doit être spécifiée pour les performances mécaniques et thermiques.
• Les dimensions X et Y de la zone de contact avec l'IHS du processeur ou la région de la puce affectent les performances thermiques (le contour bleu dans la figure 6 référencée représente la zone IHS ou la zone de la puce du processeur).

• La hauteur de la plaque froide doit correspondre au châssis du produit, mesurée de la base jusqu'au sommet des connecteurs de fluide.

2) Connecteurs de fluide à plaque froide

Exigences :

• Aucune fuite ni déformation n'a été constatée aux interfaces connecteur-échangeur de chaleur et connecteur-tube lors des essais hydrostatiques.
• La conception doit empêcher la stagnation ou la cavitation du fluide.

3) Intégration de la boucle de refroidissement à plaque froide

Considérations techniques

• La position et l'orientation du connecteur doivent permettre le passage du tube de refroidissement du produit.
• Les différences de potentiel d'électrode dans les métaux en contact avec le fluide doivent être minimisées afin de prévenir la corrosion ; si des métaux dissemblables sont utilisés, une validation intégrée de la corrosion est fortement recommandée.
• La différence de potentiel électrochimique à toute interface métal-métal ne doit pas dépasser 0.15 V pour éviter la corrosion galvanique.
• L'épaisseur, la hauteur et l'espacement des ailettes des plaques froides à microcanaux influent sur le débit et la perte de charge.
• La chute de pression de l'assemblage doit être inférieure à la pression du fluide fourni par la pompe.
• Comprendre les variations du débit du liquide de refroidissement en fonction de la température (comme dans la figure 8 référencée) afin de s'adapter aux changements saisonniers.

4) Exigences relatives à l'apparence des plaques froides

• Surface de couverture lisse, sans défauts ni déformations visibles.
• Surface inférieure de la base exempte de défauts ou de déformations visibles.
• Support de montage exempt de défauts ou de déformations visibles.
• Connecteurs de fluides exempts de défauts ou de déformations visibles.

2. Exigences de performance thermique

Les performances de la plaque froide doivent satisfaire aux exigences de température du processeur tout au long de sa durée de vie. Principales conditions aux limites thermiques :

• Température maximale admissible selon les spécifications du processeur.
• Température et débit du liquide de refroidissement fournis par le système.
• Vitesse d'écoulement maximale à l'entrée < 1.5 m/s pour éviter l'érosion.

3. Exigences en matière de fiabilité

1) Pression hydrostatique

Conforme à la norme IEC FDIS 62368-1 ; aucune fuite ni déformation détectable après l’essai ; dimensions statistiquement équivalentes avant et après.

2) Corrosion

• Compatibilité des fluides : Surfaces mouillées chimiquement compatibles et résistantes à la corrosion ; maintien des concentrations de biocide et d'inhibiteur.
• Test au brouillard salin selon la norme ASTM B117 : aucune corrosion, piqûre ou décoloration ; un test hydrostatique post-essai est recommandé.

3) Performances dynamiques

• Choc : Les performances hydrostatiques et thermiques après test sont statistiquement équivalentes.
• Vibrations : Exigences similaires.

4) Cycles de température

Recommandé : test hydrostatique post-essai pour détecter les fuites.

III. Méthodes d'essai à plaque froide

1. Tests mécaniques

1. Tests dimensionnels Vérifiez que les dimensions de la plaque froide répondent aux exigences du produit en utilisant les méthodes suivantes :
2. Mesurez la hauteur de la plaque froide à l'aide d'un pied à coulisse.
3. Mesurez la longueur, la largeur, le pas et la hauteur des canaux d'écoulement de fluide internes à l'aide d'un pied à coulisse.
4. Utilisez des techniques d'imagerie par rayons X ou similaires pour confirmer que les ailettes du canal d'écoulement du fluide sont exemptes de distorsion, de déformation ou de contaminants.
5. Test structurel Se référer aux spécifications techniques du processeur pour vérifier les exigences structurelles clés de la solution de dissipation thermique de la plaque froide (telles que la masse, la planéité, etc.) et adopter les méthodes de test recommandées dans les spécifications.
6. Tests d'intégration de plaques froides La plaque froide doit subir les vérifications suivantes pour garantir que sa conception répond aux exigences d'assemblage :
7. Utiliser les rayons X ou des méthodes d'analyse similaires pour détecter les défauts de fabrication de l'échangeur de chaleur à plaque froide (tels que les vides, les contaminants des canaux, la qualité de la soudure, etc.).
8. Pour les plaques froides en deux parties, vérifiez qu'il n'y a pas d'interférence entre l'échangeur de chaleur et le support de montage lors de l'assemblage.
9. Vérifiez si les spécifications du connecteur (telles que les dimensions, la structure de la barbe, l'orientation d'installation, etc.) répondent aux exigences de conception du produit.
10. Intégrez la plaque froide dans l'ensemble de plaque froide du produit et effectuez un test de pression hydrostatique pour confirmer l'absence de fuites entre l'échangeur de chaleur, les connecteurs et les tubes de liquide de refroidissement.
11. Test d'apparence
12. Effectuer un contrôle visuel de la surface externe de la plaque froide conformément aux normes d'inspection d'aspect du fabricant.
13. Immerger l'échangeur de chaleur à plaque froide dans un appareil de nettoyage à ultrasons (ou un équipement équivalent), rincer avec un liquide clair et vérifier que le liquide rejeté ne présente aucune décoloration et que les particules en suspension dans le liquide de rinçage sont inférieures à 50 μm.

2. Tests de performances

1) Tests de performance thermique

Appliquer TIM2, installer sur le processeur fonctionnel, stabiliser, enregistrer les paramètres. La résistance thermique est calculée comme suit :

R = (Tc – TL) / Q

(où R en °C/W, Tc température du boîtier, TL température d'entrée, Q puissance).

Test à plusieurs débits (voir l'exemple de la figure 9).

2) Essai de perte de charge du fluide

Configurer la boucle TCS du laboratoire (référencée Figure 10a/b) ; mesurer la pression différentielle.

La chute de pression doit permettre un débit positif.

3. Tests de fiabilité

1) Essai de pression hydrostatique

L'essai de pression hydrostatique est un test de qualité et de fiabilité essentiel pour détecter les fuites dans des conditions de fonctionnement normales et prévues. Il peut être réalisé selon les deux normes industrielles suivantes :

Norme européenne EN 1779 [7] (Méthodes de détection des fuites utilisant du gaz sous pression) :

• Test de chute de pression : Mesurer la chute de pression totale de la plaque froide ; il est recommandé que la chute de pression ne dépasse pas 0.5 %.
• Test de bulles par immersion : pressuriser la plaque froide et l’immerger dans un fluide, en détectant les fuites par l’observation de bulles ou de courants de bulles.

Norme UL Solutions IEC FDIS 62368-1 [8] (Spécifie le temps de pressurisation et les facteurs de sécurité pour les essais d'étanchéité hydrostatique) :

• Mettez la plaque froide sous pression maximale, maintenez-la pendant 5 minutes et vérifiez l'absence de fuites au niveau de la plaque froide et des connecteurs.
• Mettez la plaque froide sous pression à 3 fois la pression de service maximale, maintenez-la pendant 2 minutes et vérifiez l'absence de fuites au niveau de la plaque froide et des connecteurs.

Le fluide de test peut être un gaz ou un liquide de refroidissement.

2) Essais de corrosion

Tests de compatibilité des fluidesLes systèmes de refroidissement liquide à plaque froide sont composés de métaux et de matériaux polymères/élastomères, tous en contact avec le fluide de refroidissement. La fiabilité de la plaque froide repose sur la compatibilité chimique entre le fluide de refroidissement et tous les matériaux en contact avec le fluide. Ce dernier doit assurer une protection anticorrosion efficace des composants métalliques et ne doit pas entraîner la lixiviation de contaminants par les matériaux polymères/élastomères (certains polymères/élastomères peuvent absorber les inhibiteurs de corrosion présents dans le fluide de refroidissement, réduisant ainsi leur efficacité).

Les méthodes recommandées pour évaluer la compatibilité des fluides comprennent :

• Effectuer des tests de corrosion et de compatibilité des matériaux du liquide de refroidissement avec les métaux selon la norme ASTM D2570, en évaluant les effets du liquide de refroidissement en circulation sur les échantillons métalliques et en détectant la corrosion galvanique dans des conditions de laboratoire contrôlées.
• Mesurer les concentrations d'ions métalliques dans la solution à l'aide de la méthode du plasma à couplage inductif (ICP) conformément aux normes ASTM D6130 et D5185 afin d'identifier les premiers signes de corrosion et d'élaborer des plans de maintenance préventive.
• Tester la valeur du pH et l'alcalinité de réserve du liquide de refroidissement selon les normes ASTM D1287 et D1121 pour évaluer la dégradation du liquide de refroidissement due à la conversion de l'éthylène glycol en acide glycolique.
• Tester les concentrations d'ions chlorure et d'autres anions dans le liquide de refroidissement en utilisant la chromatographie ionique selon la norme ASTM D5827 pour évaluer la teneur en anions actifs qui provoquent la corrosion par piqûres du métal.
• Utilisez la chromatographie en phase gazeuse (GC) et la chromatographie liquide (LC) pour tester le liquide de refroidissement, suivre les concentrations d'inhibiteurs de corrosion organiques et identifier d'autres contaminants organiques précipités [9].

Test de brouillard salin: Effectuer des tests dans une chambre de brouillard salin conformément à la norme ASTM B117 pour évaluer la résistance à la corrosion du revêtement de surface externe de la plaque froide (la passivation ou l'anodisation de la surface de la plaque froide peut réduire le risque de corrosion par brouillard salin).

Les conditions de test sont les suivantes :

• Scellez l'entrée et la sortie de la plaque froide et placez l'échantillon dans une chambre de brouillard salin à 35 °C.
• Concentration massique de la solution de NaCl : 5 %.
• Valeur du pH de la solution de NaCl : 6.5–7.2.
• Taux de dépôt des embruns salés : environ 2 ml/heure/80 cm².
• Durée du test d'exposition : 8 heures.

Après l'essai au brouillard salin, mesurez les performances thermiques de la plaque froide afin de vérifier l'absence de dégradation thermique statistiquement significative. Il est recommandé d'effectuer simultanément un essai de pression hydrostatique pour détecter d'éventuelles fuites dues à la corrosion.

3) Tests dynamiques

Test de chocMontez la plaque froide sur le processeur correspondant d'une carte mère représentative et effectuez des tests de choc conformément aux exigences de validation du produit. Après les tests, vérifiez visuellement que l'aspect de la plaque froide est conforme aux exigences et que le processeur et la carte mère ne sont pas endommagés. Effectuez un test de pression hydrostatique sur la plaque froide une fois installée afin de vérifier que les chocs n'ont pas provoqué de fuites au niveau de la plaque froide ou des connecteurs.

Test de vibrationMontez la plaque froide sur le processeur correspondant d'une carte mère représentative et effectuez des tests de vibration conformément aux exigences de validation du produit. Après les tests, vérifiez visuellement que l'aspect de la plaque froide est conforme aux exigences et que le processeur et la carte mère ne sont pas endommagés. Effectuez un test de pression hydrostatique sur la plaque froide une fois installée afin de vérifier que les vibrations n'ont pas provoqué de fuites au niveau de la plaque froide ou des connecteurs.

4) Tests de cyclage thermique

Appliquez le matériau TIM2 recommandé sur la plaque froide et montez-la sur un processeur fonctionnel d'une carte de produit représentative. Effectuez des tests de cyclage thermique ou électrique conformément aux exigences de validation du produit : la plage de températures doit couvrir les températures de fonctionnement extrêmes de la plaque froide et le nombre de cycles doit correspondre aux cycles de puissance estimés sur la durée de vie du processeur. Après les tests, les performances thermiques de la plaque froide doivent satisfaire aux exigences de validation du produit. Effectuez un test de pression hydrostatique sur la plaque froide une fois installée afin de vérifier que les contraintes liées aux cycles thermiques n'ont pas provoqué de fuites au niveau de la plaque froide ou des connecteurs.