AI 서버 액체 냉각 콜드 플레이트 개발, 제조, 조립 및 테스트에 대한 종합 가이드

빠르게 발전하는 세상 속에서 AI 서버 고성능 컴퓨팅 환경에서는 효과적인 열 관리가 매우 중요합니다. 액체 냉각 냉각판 데이터 센터 및 클라우드 환경에서 고성능 프로세서의 열을 효과적으로 발산하는 데 있어 콜드 플레이트가 탁월한 솔루션으로 부상했습니다. 이 심층 가이드는 콜드 플레이트 제조 및 조립부터 개발 요구 사항, 엄격한 테스트 방법까지 모든 것을 다루어 엔지니어와 데이터 센터 운영자가 최적화할 수 있도록 지원합니다. AI 서버 액체 냉각 신뢰성과 성능을 위한 시스템.

차세대 AI 인프라를 설계하든 비용 효율적인 냉각 솔루션을 찾든, 이해하는 것이 중요합니다. 콜드 플레이트 기술 이는 에너지 효율성과 지속적인 고성능 달성에 필수적입니다.

I. 냉간압연판 제조 및 조립

1. 콜드 플레이트 소개

A 콜드 플레이트 파이프라인 또는 유로와 통합된 방열판으로, 냉각수가 흐르면서 효율적으로 열을 발산할 수 있도록 설계되었습니다.

냉각판 조립체는 일반적으로 유체 열교환기와 장착 브래킷으로 구성됩니다. 유체 열교환기는 용접, 브레이징 또는 납땜과 같은 금속 접합 공정을 통해 유체 파이프라인에 연결됩니다.

냉각판형 열교환기는 베이스와 상부 덮개로 구성됩니다.

베이스는 프로세서와 직접 접촉하도록 설계되었습니다. 호환 가능 TIM2 (열전도성 물질)은 프로세서와 베이스 사이에 도포하여 콜드 플레이트 솔루션의 열 성능을 향상시켜야 합니다. 상단 커버는 유체 채널을 밀봉하고 일반적으로 냉각수가 채널을 통해 흐르도록 유체 커넥터를 통합합니다.

2. 냉각판의 종류

콜드 플레이트는 크게 다음과 같이 나뉩니다. 일체형 냉각판 및 분할형 냉각판:

• 일체형 냉각판유체 열교환기와 장착 브래킷은 일체형으로 제작되어 분리할 수 없습니다. 브래킷이 냉각판 설계와 연동되어 있어 차세대 프로세서와의 호환성이 떨어집니다.
• 분할형 냉각판유체 열교환기와 장착 브래킷은 독립적인 구성 요소입니다. 이러한 모듈식 설계 덕분에 브래킷만 재설계하여 차세대 프로세서에 적용할 수 있으며, 열교환기는 재사용하여 비용을 절감할 수 있습니다.

3. 냉간압연판 제조

냉간판 열교환기의 상부 덮개와 하부 조립에는 브레이징, 마찰교반용접, 납땜, O링 밀봉 등의 주요 공정이 사용됩니다. 아래 표(원문 참조)는 각 공정의 장점과 단점을 요약한 것입니다.

제조 공정의 편차와 불충분한 공정 관리는 제품 결함을 초래하여 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

콜드 플레이트 제품 검증 계획에는 공정 관리 한계 내에서 성능과 신뢰성을 평가하기 위해 생산 라인에서 채취한 대표 샘플이 포함되어야 합니다.

4. 냉각판 조립

냉각판 어셈블리는 냉각판, 냉각수 튜브 및 퀵 커넥터로 구성됩니다. 고객 설계에 따라 어댑터 커넥터 및 누출 감지 장치와 같은 구성 요소를 선택적으로 추가할 수 있습니다. 구성 요소 설명:

• 냉각 튜브냉각 루프에서 콜드 플레이트로 냉각수를 전달하는 데 사용됩니다. 금속 재질로는 구리 또는 알루미늄을 사용할 수 있으며, 비금속 재질로는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PEX(가교 폴리에틸렌), EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 모노머) 등이 있습니다. 재질 선택은 콜드 플레이트 유체 커넥터의 유형 및 설계와 일치해야 합니다. 누출 감지를 위해 파이프와 커넥터에 누출 감지 로프/케이블을 감아둘 수 있습니다.
• 빠른 연결 해제냉각판과 튜브를 액체 냉각 루프 및 IT 장비에서 신속하게 분리할 수 있도록 하여 유지보수성을 향상시킵니다.
• 어댑터 커넥터(선택 사항): 조립체에서 냉각수 튜브와 퀵 커넥터를 연결하는 데 사용됩니다.
• 누수 감지 (강력 권장)데이터 유출이 감지되면 데이터 센터 운영자에게 경고합니다.

5. 콜드 플레이트 기술 냉각 시스템

콜드 플레이트 냉각 시스템은 IT 장비(ITE), 콜드 플레이트, 냉각수 튜브, 퀵 커넥터(QD), 블레이드 매니폴드, 2차 냉각 루프, 냉각수 분배 장치(CDU), 설비 용수 시스템(FWS) 및 냉각탑 또는 칠러로 구성됩니다.

이 시스템은 냉각판에 온도 및 압력 안정성이 뛰어난 냉각제를 공급합니다. 냉각제와 접촉하는 모든 재질은 호환되어야 합니다.

II. 콜드 플레이트 개발 요구사항

1. 기계적 요구사항

1) 냉각판 기계 설계

냉각판은 프로세서 공급업체가 지정한 열 방출 솔루션에 대한 모든 구조적 요구 사항을 충족해야 합니다(프로세서의 열 및 기계 설계 지침에 명시된 주요 지표(예: 질량, 평탄도 등) 참조). 추가 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 제품 설계, 접근 금지 구역(KOZ) 및 장착 하드웨어에 대한 인터페이스 제어 문서(ICD)를 준수해야 합니다.
• 장착 하드웨어가 프로세서에 가하는 기계적 하중은 콜드 플레이트의 수명 동안 패키지 하중 요구 사항을 충족해야 합니다.
• 설치 및 제거 절차는 프로세서 설계 및 제조 지침을 준수해야 합니다.
• 바닥면의 평탄도는 기계적 및 열적 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 성능 요구 사항에 따라 사양을 정의해야 합니다.
• 기계적 및 열적 성능을 위해서는 바닥면의 평균 조도(Ra)를 명시해야 합니다.
• 프로세서 IHS 또는 다이 영역과의 접촉면의 X 및 Y 치수는 열 성능에 영향을 미칩니다(참조된 그림 6의 파란색 윤곽선은 프로세서 IHS 또는 다이 영역을 나타냅니다).

• 냉각판의 높이는 제품 섀시에 맞아야 하며, 높이는 바닥면에서 유체 커넥터 상단까지 측정해야 합니다.

2) 냉각판 유체 커넥터

요구 사항:

• 수압 시험 중 커넥터-열교환기 및 커넥터-튜브 접합면에서 누출이나 변형이 발생하지 않았습니다.
• 설계는 유체 정체 또는 공동 현상을 방지해야 합니다.

3) 콜드 플레이트 냉각 루프 통합

고려 사항 :

• 커넥터의 위치와 방향은 제품 냉각 튜브의 배관 경로에 맞춰야 합니다.
• 부식을 방지하기 위해서는 접촉 금속 간의 전극 전위차를 최소화해야 합니다. 서로 다른 금속을 사용하는 경우, 통합적인 부식 검증을 강력히 권장합니다.
• 금속 간 계면에서의 전기화학적 전위차는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 0.15V를 초과해서는 안 됩니다.
• 마이크로채널 냉각판의 핀 두께, 높이 및 간격은 유량 용량과 압력 강하에 영향을 미칩니다.
• 조립 시 압력 강하는 펌프에서 공급되는 유체 압력보다 낮아야 합니다.
• 계절 변화에 맞춰 냉각수 유량 변화를 온도에 따라 이해해야 합니다(참조된 그림 8 참조).

4) 콜드 플레이트 외관 요구사항

• 상단 덮개 표면이 매끄럽고, 눈에 띄는 결함이나 변형이 없습니다.
• 바닥면에는 눈에 띄는 결함이나 변형이 없어야 합니다.
• 장착 브래킷에 눈에 띄는 결함이나 변형이 없습니다.
• 유체 연결 부품에 눈에 띄는 결함이나 변형이 없습니다.

2. 열 성능 요구 사항

콜드 플레이트 성능은 수명 기간 동안 프로세서 온도 요구 사항을 충족해야 합니다. 주요 열 경계 조건:

• 프로세서 사양에 따른 최대 허용 온도.
• 시스템에서 냉각수 온도 및 유량 정보를 제공합니다.
• 침식을 방지하기 위해 최대 유입 유속은 1.5m/s 미만이어야 합니다.

3. 신뢰성 요구 사항

1) 정수압

IEC FDIS 62368-1 표준을 준수하며, 시험 후 누출이나 변형이 감지되지 않았고, 치수는 시험 전후에 통계적으로 동일함.

2) 부식

• 유체 호환성: 접촉면은 화학적으로 호환되고 내식성이 있어야 하며, 살균제 및 억제제 농도를 유지해야 합니다.
• ASTM B117에 따른 염수 분무 시험 결과, 부식, 구멍 또는 변색이 관찰되지 않았습니다. 시험 후 수압 시험을 권장합니다.

3) 동적 성능

• 충격: 시험 후 정수압 및 열 성능은 통계적으로 동일했습니다.
• 진동: 유사한 요구 사항.

4) 온도 순환

권장 사항: 누수 감지를 위해 사후 수압 테스트를 실시하십시오.

III. 냉간판 시험 방법

1. 기계적 테스트

1. 치수 테스트 다음 방법을 사용하여 냉각판 치수가 제품 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.
2. 버니어 캘리퍼스를 사용하여 콜드 플레이트의 높이를 측정하십시오.
3. 버니어 캘리퍼를 사용하여 내부 유체 흐름 채널의 길이, 너비, 피치 및 높이를 측정하십시오.
4. X선 또는 유사한 영상 기술을 사용하여 유체 흐름 채널 핀에 변형, 왜곡 또는 오염 물질이 없는지 확인하십시오.
5. 구조 테스트 프로세서의 기술 사양을 참조하여 콜드 플레이트 방열 솔루션의 주요 구조적 요구 사항(질량, 평탄도 등)을 확인하고, 사양에 권장된 테스트 방법을 사용하십시오.
6. 콜드 플레이트 통합 테스트 냉각판은 설계가 조립 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 다음과 같은 검증을 거쳐야 합니다.
7. X선 또는 유사한 분석 방법을 사용하여 콜드 플레이트 열교환기의 제조 결함(예: 기포, 채널 오염 물질, 용접 품질 등)을 감지합니다.
8. 2피스 냉각판의 경우, 조립 시 열교환기와 장착 브래킷 사이에 간섭이 없는지 확인하십시오.
9. 커넥터 사양(치수, 돌기 구조, 설치 방향 등)이 제품 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.
10. 냉각판을 제품 냉각판 조립체에 통합하고 정수압 테스트를 수행하여 열교환기, 커넥터 및 냉각수 튜브 사이에 누출이 없는지 확인합니다.
11. 외관 테스트
12. 공장 외관 검사 기준에 따라 콜드 플레이트 외부 표면을 육안으로 검사하십시오.
13. 냉각판 열교환기를 초음파 세척 장치(또는 이와 동등한 장비)에 담그고 깨끗한 용액으로 세척한 후, 배출된 용액에 변색이 없고 세척액에 부유하는 입자가 50μm 미만인지 확인합니다.

2. 성능 테스트

1) 열 성능 테스트

TIM2를 도포하고, 정상 작동하는 프로세서에 설치한 후 안정화시키고, 매개변수를 기록합니다. 열 저항은 다음과 같이 계산됩니다.

R = (Tc – TL) / Q

(여기서 R은 °C/W, Tc는 케이스 온도, TL은 입구 온도, Q는 전력입니다.)

다양한 유량에서 테스트하십시오(그림 9 예시 참조).

2) 유체 압력 강하 시험

실험실 TCS 루프를 설치하고(그림 10a/b 참조), 차압을 측정합니다.

압력 강하는 정상적인 흐름을 허용해야 합니다.

3. 신뢰성 테스트

1) 정수압 시험

정수압 시험은 정상적이고 예상되는 작동 조건에서 누출을 감지하는 데 중요한 품질 및 신뢰성 시험입니다. 이 시험은 다음 두 가지 산업 표준을 참조할 수 있습니다.

유럽 ​​표준 EN 1779 [7] (가압 가스를 이용한 누출 감지 방법):

• 압력 감소 시험: 냉각판의 전체 압력 강하를 측정합니다. 압력 강하는 0.5%를 초과하지 않는 것이 좋습니다.
• 침지 기포 시험: 차가운 판에 압력을 가한 후 유체에 담그고, 기포 또는 기포 흐름을 관찰하여 누출 여부를 확인합니다.

UL 솔루션 표준 IEC FDIS 62368-1 [8] (정수압 누출 시험을 위한 가압 시간 및 안전 계수를 명시합니다.)

• 냉각판에 최대 작동 압력까지 압력을 가하고 5분간 유지한 후 냉각판과 연결 부위에 누출이 있는지 확인하십시오.
• 냉각판에 최대 작동 압력의 3배까지 압력을 가하고 2분간 유지한 후 냉각판과 연결부에서 누출이 있는지 확인하십시오.

시험 매체는 기체 또는 냉각제일 수 있습니다.

2) 부식 시험

유체 호환성 테스트콜드 플레이트 액체 냉각 시스템은 금속과 폴리머/엘라스토머 재질로 구성되며, 이 모든 재질은 냉각수와 접촉합니다. 콜드 플레이트의 신뢰성은 냉각수와 접촉하는 모든 재질 간의 화학적 호환성에 달려 있습니다. 냉각수는 금속 부품에 대한 확실한 부식 방지 기능을 제공해야 하며, 폴리머/엘라스토머 재질에서 오염 물질이 용출되지 않도록 해야 합니다(일부 폴리머/엘라스토머 재질은 냉각수에서 부식 억제제를 흡수하여 그 효과를 감소시킬 수 있습니다).

유체 적합성 평가를 위한 권장 방법은 다음과 같습니다.

• ASTM D2570 표준에 따라 냉각수와 금속의 부식 및 재료 적합성 시험을 수행하고, 제어된 실험실 조건에서 순환 냉각수가 금속 시편에 미치는 영향을 평가하고 갈바닉 부식을 감지합니다.
• ASTM D6130 및 D5185 표준에 따라 유도결합 플라즈마(ICP) 방법을 사용하여 용액 내 금속 이온 농도를 측정함으로써 부식의 초기 징후를 파악하고 예방 유지보수 계획을 수립합니다.
• ASTM D1287 및 D1121 표준에 따라 냉각수의 pH 값과 잔류 알칼리도를 측정하여 에틸렌 글리콜이 글리콜산으로 변환됨에 따른 냉각수 열화를 평가하십시오.
• 금속 부식을 유발하는 활성 음이온의 함량을 평가하기 위해 ASTM D5827 표준에 따라 이온 크로마토그래피를 사용하여 냉각수 내 염화 이온 및 기타 음이온 농도를 측정합니다.
• 냉각제를 테스트하고 유기 부식 억제제 농도를 추적하고 기타 침전된 유기 오염 물질을 식별하기 위해 가스 크로마토그래피(GC) 및 액체 크로마토그래피(LC)를 사용합니다[9].

염수분무시험ASTM B117 표준에 따라 염수 분무 챔버에서 시험을 실시하여 콜드 플레이트 외부 표면 코팅의 내식성을 평가합니다(콜드 플레이트 표면의 부동태화 또는 양극 산화 처리는 염수 분무 부식 위험을 줄일 수 있습니다).

테스트 조건은 다음과 같습니다.

• 냉각판의 입구와 출구를 밀봉하고 시료를 35°C 염수 분무 챔버에 넣으십시오.
• 염화나트륨 용액의 질량 농도: 5%.
• 염화나트륨 용액의 pH 값: 6.5~7.2.
• 염수 분무 침적률: 약 2ml/시간/80cm².
• 노출 시험 시간: 8시간.

염수 분무 시험 후, 냉각판의 열 성능을 측정하여 통계적으로 유의미한 열화가 없는지 확인해야 합니다. 부식으로 인한 재료 열화로 발생할 수 있는 누출을 감지하기 위해 수압 시험을 동시에 실시하는 것이 좋습니다.

3) 동적 테스트

충격 테스트대표 제품 보드의 해당 CPU 스택에 콜드 플레이트를 장착하고 제품 검증 요구 사항에 따라 충격 시험을 수행합니다. 시험 후, 콜드 플레이트의 외관이 요구 사항을 충족하는지, CPU 스택 및 제품 보드에 손상이 없는지 육안으로 검사합니다. 설치된 상태의 콜드 플레이트에 수압 시험을 수행하여 충격 응력으로 인해 콜드 플레이트 또는 커넥터에 누출이 발생하지 않았는지 확인합니다.

진동 테스트대표 제품 보드의 해당 CPU 스택에 냉각판을 장착하고 제품 검증 요구 사항에 따라 진동 시험을 수행합니다. 시험 후, 냉각판의 외관이 요구 사항을 충족하는지, CPU 스택 및 제품 보드에 손상이 없는지 육안으로 검사합니다. 설치된 상태의 냉각판에 수압 시험을 실시하여 진동 응력으로 인해 냉각판이나 커넥터에 누출이 발생하지 않았는지 확인합니다.

4) 온도 순환 테스트

권장되는 TIM2 재료를 콜드 플레이트에 도포하고 대표 제품 보드의 기능성 프로세서 스택에 장착합니다. 제품 검증 요구 사항에 따라 온도 또는 전력 사이클링 테스트를 수행합니다. 온도 범위는 콜드 플레이트의 극한 작동 온도를 포함해야 하며, 사이클 횟수는 프로세서의 수명 동안 예상되는 전력 사이클링 횟수와 일치해야 합니다. 테스트 후 콜드 플레이트의 열 성능이 제품 검증 요구 사항을 충족해야 합니다. 설치된 상태의 콜드 플레이트에 수압 테스트를 수행하여 온도 사이클링 스트레스로 인해 콜드 플레이트 또는 커넥터에 누출이 발생하지 않았는지 확인합니다.