AIサーバー向け液体冷却コールドプレートの開発、製造、組み立て、テストに関する包括的なガイド

めまぐるしく進化する世界で AIサーバー 高性能コンピューティングでは、効果的な熱管理が重要です。 液体冷却コールドプレート データセンターやクラウド環境における高出力プロセッサの放熱に優れたソリューションとして登場しました。この詳細なガイドでは、コールドプレートの製造と組み立てから開発要件、厳格な試験方法まで、あらゆる側面を網羅し、エンジニアやデータセンター運用者が最適化できるよう支援します。 AIサーバーの液体冷却 信頼性とパフォーマンスのためのシステム。

次世代AIインフラストラクチャを設計する場合でも、コスト効率の高い冷却ソリューションを探している場合でも、 コールドプレート技術 エネルギー効率と持続的な高パフォーマンスを実現するために不可欠です。

I. コールドプレートの製造と組み立て

1. コールドプレートの紹介

A コールドプレート パイプラインや流路と一体化したヒートシンクで、冷媒を流して効率的に熱を放散します。

コールドプレートアセンブリは通常、流体熱交換器と取り付けブラケットで構成されます。流体熱交換器は、溶接、ろう付け、はんだ付けなどの金属接合プロセスを介して流体パイプラインに接続されます。

コールドプレート熱交換器は、ベースとトップカバーで構成されています。

ベースはプロセッサに直接接触するように設計されています。互換性のある TIM2 コールドプレートソリューションの熱性能を向上させるには、プロセッサとベースの間にサーマルインターフェースマテリアル（熱伝導性材料）を塗布する必要があります。トップカバーは流体チャネルを密閉し、通常は流体コネクタを内蔵してチャネルに冷却液を流します。

2. コールドプレートの種類

コールドプレートは主に 一体型コールドプレート および 分割型コールドプレート:

• 一体型コールドプレート流体熱交換器と取り付けブラケットは一体化されており、分離できません。ブラケットはコールドプレートの設計に結びついているため、後継世代のプロセッサへの適応が困難です。
• 分割型コールドプレート流体熱交換器と取り付けブラケットは独立した部品です。このモジュール設計により、ブラケットのみを再設計することで新世代プロセッサへの適応が可能になり、熱交換器は再利用することでコスト削減を実現します。

3. コールドプレート製造

コールドプレート熱交換器のトップカバーとベースの主な組立工程には、ろう付け、摩擦攪拌接合、はんだ付け、Oリングシールなどがあります。以下の表（原文参照）は、各工程の長所と短所をまとめたものです。

製造プロセスの逸脱や不十分なプロセス管理は製品欠陥につながり、パフォーマンスと信頼性に影響を与える可能性があります。

コールド プレート製品の検証計画には、プロセス制御制限内でのパフォーマンスと信頼性を評価するために、生産ラインからの代表的なサンプルを含める必要があります。

4. コールドプレートアセンブリ

コールドプレートアセンブリは、コールドプレート、冷却チューブ、クイックディスコネクトで構成されています。お客様の設計によっては、アダプタコネクタやリーク検出ハードウェアなどのオプション部品が使用される場合があります。コンポーネントの説明：

• 冷却チューブ: 冷却ループからコールドプレートへ冷却液を送るために使用されます。金属材料としては銅またはアルミニウムが、非金属材料としてはPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PEX（架橋ポリエチレン）、EPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー）が挙げられます。材質の選択は、コールドプレートの流体コネクタの種類と設計に適合する必要があります。リーク検出用のロープ／ケーブルをパイプやコネクタに巻き付けてモニタリングすることも可能です。
• クイック切断: 液体冷却ループおよび IT 機器からコールド プレートとチューブを素早く取り外せるようになり、保守性が向上します。
• アダプタコネクタ（オプション）: アセンブリ内の冷却チューブとクイック ディスコネクトを接続するために使用されます。
• リーク検出（強く推奨）: 漏れを検出するとデータセンターのオペレーターに警告します。

5. コールドプレートテクノロジー冷却システム

コールド プレート冷却システムは、IT 機器 (ITE)、コールド プレート、冷却チューブ、クイック ディスコネクト (QD)、ブレード マニホールド、二次冷却ループ、冷却剤分配ユニット (CDU)、施設給水システム (FWS)、および冷却塔またはチラーで構成されます。

このシステムは、温度と圧力が安定した冷却剤をコールドプレートに供給します。冷却剤と接触するすべての接液材料は、適合性を備えている必要があります。

II. コールドプレート開発要件

1. 機械的要件

1) コールドプレートの機械設計

コールドプレートは、プロセッササプライヤーが放熱ソリューションに関して指定するすべての構造要件を満たす必要があります（質量、平坦度など、プロセッサの熱設計および機械設計ガイドラインの主要な指標を参照）。その他の要件には以下が含まれます。

• 製品設計、立ち入り禁止区域 (KOZ)、および取り付けハードウェアに関するインターフェース制御ドキュメント (ICD) に準拠しています。
• プロセッサにハードウェアを取り付けることによって加えられる機械的負荷は、コールド プレートの寿命全体にわたってパッケージ負荷要件を満たす必要があります。
• インストールおよび削除の手順は、プロセッサの設計および製造ガイドラインに準拠する必要があります。
• ベース底面の平坦性は機械的性能および熱的性能に影響を与える可能性があるため、性能要件ごとに仕様を定義する必要があります。
• 機械的性能と熱的性能のために、ベース底面の平均粗さ (Ra) を指定する必要があります。
• プロセッサ IHS またはダイ領域との接触領域の X 寸法と Y 寸法は、熱性能に影響します (参照図 6 の青いアウトラインは、プロセッサ IHS またはダイ領域を表します)。

• コールド プレートの高さは、ベースの底から流体コネクタの上部まで測定して、製品シャーシに適合する必要があります。

2) コールドプレート流体コネクタ

認定要件：

• 水圧試験中にコネクタと熱交換器、およびコネクタとチューブのインターフェースに漏れや変形は発生しません。
• 設計では、流体の停滞やキャビテーションを防止する必要があります。

3) コールドプレート冷却ループの統合

検討事項：

• コネクタの位置と方向は、製品の冷却チューブのルーティングに合わせて調整する必要があります。
• 腐食を防ぐために、濡れた金属の電極電位差を最小限に抑える必要があります。異種金属を使用する場合は、総合的な腐食検証を強く推奨します。
• ガルバニック腐食を防止するために、金属間界面の電気化学的電位差は 0.15V を超えてはなりません。
• マイクロチャネルコールドプレートのフィンの厚さ、高さ、間隔は、流量と圧力降下に影響します。
• アセンブリの圧力降下は、ポンプが提供する流体圧力より低くなければなりません。
• 季節の変化に合わせて調整するには、温度による冷却剤の流量の変化 (図 8 を参照) を理解します。

4) コールドプレートの外観要件

• トップカバーの表面は滑らかで、目に見える欠陥や変形はありません。
• ベース底面に目に見える欠陥や変形がないこと。
• 取り付けブラケットに目に見える欠陥や変形がないこと。
• 流体コネクタに目に見える欠陥や変形はありません。

2. 熱性能要件

コールドプレートの性能は、その寿命全体にわたってプロセッサの温度要件を満たす必要があります。主な熱境界条件：

• プロセッサ仕様からの最大許容温度。
• システムによって提供される冷却剤の温度と流量。
• 侵食を防ぐため、最大入口流速は 1.5 m/s 未満です。

3. 信頼性要件

1) 静水圧

IEC FDIS 62368-1 規格に準拠。試験後、漏れや変形は検出されず、寸法は試験前後で統計的に同等です。

2) 腐食

• 流体の適合性: 濡れた表面は化学的に適合し、耐腐食性があり、殺生物剤と抑制剤の濃度を維持します。
• ASTM B117 準拠の塩水噴霧試験: 腐食、孔食、変色なし。試験後の水圧試験を推奨します。

3) ダイナミクスパフォーマンス

• 衝撃: 試験後の静水圧性能および熱性能は統計的に同等です。
• 振動: 同様の要件。

4) 温度サイクル

漏れ検出のための水圧試験後の推奨。

III. コールドプレート試験方法

1. 機械的試験

1. 寸法試験 次の方法を使用して、コールド プレートの寸法が製品要件を満たしていることを確認します。
2. ノギスを使用してコールドプレートの高さを測定します。
3. ノギスを使用して、内部の流体流路の長さ、幅、ピッチ、高さを測定します。
4. X 線または同様の画像技術を使用して、流体流路フィンに歪み、変形、または汚染物質がないことを確認します。
5. 構造試験 プロセッサの技術仕様を参照して、コールドプレート放熱ソリューションの主要な構造要件 (質量、平坦性など) を確認し、仕様で推奨されているテスト方法を採用します。
6. コールドプレート統合テスト コールド プレートは、設計が組み立て要件を満たしていることを確認するために、次の検証を受ける必要があります。
7. X 線または同様の分析方法を使用して、コールド プレート熱交換器の製造上の欠陥 (ボイド、チャネルの汚染物質、溶接品質など) を検出します。
8. 2 ピースのコールド プレートの場合は、組み立て時に熱交換器と取り付けブラケットの間に干渉がないことを確認してください。
9. コネクタの仕様（寸法、バーブ構造、取り付け方向など）が製品設計要件を満たしているかどうかを確認します。
10. コールド プレートを製品のコールド プレート アセンブリに統合し、静水圧テストを実行して、熱交換器、コネクタ、および冷却チューブ間に漏れがないことを確認します。
11. 外観検査
12. 工場外観検査基準に従ってコールドプレート外面の目視検査を実施します。
13. コールドプレート熱交換器を超音波洗浄装置（または同等の装置）に浸し、透明な液体で洗い流し、排出された液体に変色がないこと、および洗浄液中の浮遊粒子が 50 μm 未満であることを確認します。

2. 性能試験

1) 熱性能試験

TIM2を塗布し、機能プロセッサに取り付け、安定化し、パラメータを記録します。熱抵抗は以下のように計算されます。

R = (Tc – TL) / Q

(ここで、R は°C/W、Tc ケース温度、TL 入口温度、Q 電力)。

複数の流量でテストします（図 9 の例を参照）。

2) 流体圧力降下試験

ラボの TCS ループをセットアップし (図 10a/b を参照)、差圧を測定します。

圧力降下により正の流れが可能になる必要があります。

3. 信頼性試験

1) 静水圧試験

静水圧試験は、通常および想定される動作条件下での漏れを検出するための重要な品質および信頼性試験です。以下の2つの業界規格を参照できます。

欧州規格EN 1779 [7] （加圧ガスを用いた漏れ検出方法）：

• 圧力低下テスト: コールド プレートの全圧力の低下を測定します。圧力低下は 0.5% を超えないようにすることが推奨されます。
• 浸漬バブルテスト: コールド プレートを加圧して流体に浸し、泡または泡の流れを観察して漏れを検出します。

ULソリューション規格 IEC FDIS 62368-1 [8] (水圧漏れ試験の加圧時間と安全係数を指定します):

• コールド プレートを最大動作圧力まで加圧し、5 分間保持して、コールド プレートとコネクタの漏れがないか確認します。
• コールド プレートを最大動作圧力の 3 倍まで加圧し、2 分間保持して、コールド プレートとコネクタの漏れがないか確認します。

試験媒体としてはガスまたは冷却剤が考えられます。

2) 腐食試験

流体適合性試験コールドプレート液冷システムは、金属とポリマー/エラストマー材料で構成されており、これらはすべて冷却剤と接触します。コールドプレートの信頼性は、冷却剤とすべての接液材料との化学的適合性に左右されます。冷却剤は金属部品に対して信頼性の高い腐食保護を提供する必要があり、ポリマー/エラストマー材料から汚染物質を浸出させないことが求められます（一部のポリマー/エラストマー材料は、冷却剤から腐食防止剤を吸収し、その効果を低下させる可能性があります）。

流体の適合性を評価するための推奨方法は以下のとおりです。

• ASTM D2570 規格に従って、冷却剤と金属の腐食および材料適合性試験を実施し、循環冷却剤が金属標本に与える影響を評価し、制御された実験室条件下でガルバニック腐食を検出します。
• ASTM D6130 および D5185 規格に従って誘導結合プラズマ (ICP) 法を使用して溶液中の金属イオン濃度を測定し、腐食の初期兆候を特定して予防保守計画を作成します。
• エチレングリコールからグリコール酸への変換による冷却剤の劣化を評価するために、ASTM D1287 および D1121 規格に従って冷却剤の pH 値と予備アルカリ度をテストします。
• ASTM D5827 規格に従ってイオンクロマトグラフィーを使用して冷却剤中の塩化物イオンおよびその他の陰イオン濃度をテストし、金属のピット腐食を引き起こす活性陰イオンの含有量を評価します。
• ガスクロマトグラフィー（GC）と液体クロマトグラフィー（LC）を使用して、冷却剤をテストし、有機腐食防止剤の濃度を追跡し、その他の沈殿した有機汚染物質を特定します[9]。

塩水噴霧試験: ASTM B117 規格に従って塩水噴霧チャンバーでテストを実施し、コールド プレートの外部表面コーティングの耐腐食性を評価します (コールド プレート表面の不動態化または陽極酸化処理により、塩水噴霧腐食のリスクを軽減できます)。

テスト条件は次のとおりです。

• コールドプレートの入口と出口を密閉し、サンプルを 35°C の塩水噴霧チャンバーに置きます。
• NaCl溶液の質量濃度：5％。
• NaCl溶液のpH値：6.5～7.2。
• 塩水噴霧沈着率：約2ml/時/80cm²。
• 暴露テスト期間: 8 時間。

塩水噴霧試験後、コールドプレートの熱性能を測定し、統計的に有意な熱劣化がないことを確認します。同時に静水圧試験を実施し、腐食による材料劣化に起因する潜在的な漏れを検出することをお勧めします。

3) ダイナミクステスト

衝撃試験：コールドプレートを代表的な製品ボードの対応するCPUスタックに取り付け、製品検証要件に従って衝撃試験を実施します。試験後、コールドプレートの外観が要件を満たしているかどうか、およびCPUスタックと製品ボードに損傷がないかどうかを目視検査します。取り付けた状態のコールドプレートに対して静水圧試験を実施し、衝撃応力によってコールドプレートまたはコネクタに漏れが発生していないことを確認します。

振動試験：コールドプレートを代表的な製品ボードの対応するCPUスタックに取り付け、製品検証要件に従って振動試験を実施します。試験後、コールドプレートの外観が要件を満たしているかどうか、およびCPUスタックと製品ボードに損傷がないかどうかを目視検査します。コールドプレートを取り付けた状態で静水圧試験を実施し、振動応力によってコールドプレートまたはコネクタに漏れが発生していないことを確認します。

4) 温度サイクル試験

推奨TIM2材料をコールドプレートに塗布し、代表的な製品ボードの機能プロセッサスタックに取り付けます。製品検証要件に従って温度またはパワーサイクルテストを実施します。温度範囲はコールドプレートの極端な動作温度をカバーする必要があり、サイクル数はプロセッサの耐用年数における推定パワーサイクル数と一致する必要があります。テスト後、コールドプレートの熱性能は製品検証要件を満たす必要があります。設置状態のコールドプレートに対して静水圧テストを実施し、温度サイクルストレスによってコールドプレートまたはコネクタに漏れが発生していないことを確認します。