Guia completo para o desenvolvimento, fabricação, montagem e teste de placas frias de refrigeração líquida para servidores com IA.

No mundo em rápida evolução da Servidores de IA Em computação de alto desempenho, o gerenciamento térmico eficaz é fundamental. placas frias de resfriamento líquido As placas frias surgiram como uma solução superior para dissipar o calor de processadores de alta potência em data centers e ambientes de nuvem. Este guia completo abrange tudo, desde a fabricação e montagem das placas frias até os requisitos de desenvolvimento e métodos de teste rigorosos, ajudando engenheiros e operadores de data centers a otimizar o desempenho. Refrigeração líquida para servidores de IA Sistemas para confiabilidade e desempenho.

Seja para projetar a infraestrutura de IA de última geração ou para buscar soluções de resfriamento econômicas, entender tecnologia de placa fria É essencial para alcançar a eficiência energética e um alto desempenho sustentado.

I. Fabricação e Montagem de Placas Frias

1. Introdução à placa fria

A prato frio É um dissipador de calor integrado a tubulações ou canais de fluxo, permitindo que o líquido refrigerante flua através dele e dissipe o calor de forma eficiente.

Um conjunto de placa fria normalmente consiste em um trocador de calor de fluido e um suporte de montagem. O trocador de calor de fluido é conectado às tubulações de fluido por meio de processos de união de metais, como soldagem, brasagem ou solda.

O trocador de calor de placa fria é composto por uma base e uma tampa superior.

A base foi projetada para contato direto com o processador. Um modelo compatível. TIM2 O material de interface térmica (TIM) deve ser aplicado entre o processador e a base para melhorar o desempenho térmico da placa fria. A tampa superior veda os canais de fluido e geralmente integra conectores para direcionar o fluxo do líquido refrigerante através dos canais.

2. Tipos de placas frias

As placas frias dividem-se principalmente em placas frias integrais e no placas frias do tipo dividido:

• Placa fria integralO trocador de calor de fluido e o suporte de montagem são integrados em uma única peça e não podem ser separados. Devido ao suporte estar vinculado ao design da placa fria, é difícil adaptá-lo a gerações subsequentes de processadores.
• Placa fria bipartidaO trocador de calor de fluido e o suporte de montagem são componentes independentes. Esse design modular permite a adaptação a processadores de nova geração, bastando redesenhar o suporte, enquanto o trocador de calor é reutilizado, gerando economia de custos.

3. Fabricação de chapas frias

Os principais processos de montagem da tampa superior e da base do trocador de calor de placas frias incluem brasagem, soldagem por fricção, soldagem com estanho e vedação com anel O. A tabela abaixo (referenciada no documento original) descreve as vantagens e desvantagens de cada processo.

Desvios nos processos de fabricação e controle insuficiente dos processos podem levar a defeitos nos produtos, afetando o desempenho e a confiabilidade.

Os planos de validação de produtos de placas frias devem incluir amostras representativas da linha de produção para avaliar o desempenho e a confiabilidade dentro dos limites de controle do processo.

4. Montagem da placa fria

O conjunto da placa fria consiste na placa fria, tubos de refrigeração e engates rápidos. Componentes opcionais em projetos personalizados podem incluir conectores adaptadores e dispositivos de detecção de vazamentos. Descrição dos componentes:

• Tubos de refrigeraçãoUtilizado para conduzir o fluido refrigerante do circuito de refrigeração até a placa fria. Os materiais metálicos podem ser cobre ou alumínio; opções não metálicas incluem PTFE (politetrafluoroetileno), PEX (polietileno reticulado) ou EPDM (monômero de etileno-propileno-dieno). A seleção do material deve ser compatível com o tipo e o design do conector de fluido da placa fria. Cabos/cordas de detecção de vazamentos podem ser enrolados em torno de tubos e conectores para monitoramento.
• Desconexões RápidasFacilitar a desconexão rápida da placa fria e dos tubos do circuito de refrigeração líquida e dos equipamentos de TI, melhorando a capacidade de manutenção.
• Conectores adaptadores (opcional)Utilizado para conectar tubos de refrigeração e engates rápidos na montagem.
• Detecção de vazamentos (altamente recomendada)Alerta os operadores do centro de dados ao detectar vazamentos.

5. Sistema de Refrigeração com Tecnologia de Placa Fria

O sistema de refrigeração por placa fria compreende equipamentos de TI (ITE), placas frias, tubos de refrigeração, engates rápidos (QDs), manifolds de lâminas, circuitos de refrigeração secundários, unidades de distribuição de fluido refrigerante (CDU), sistemas de água predial (FWS) e torres de resfriamento ou chillers.

Este sistema fornece fluido refrigerante estável em termos de temperatura e pressão para as placas frias. Todos os materiais em contato com o fluido refrigerante devem ser compatíveis.

II. Requisitos de desenvolvimento da placa fria

1. Requisitos Mecânicos

1) Projeto Mecânico da Placa Fria

As placas frias devem atender a todos os requisitos estruturais especificados pelo fornecedor do processador para soluções de dissipação de calor (consulte as principais métricas nas diretrizes de projeto térmico e mecânico do processador, como massa, planicidade etc.). Requisitos adicionais incluem:

• Conformidade com o projeto do produto, a Zona de Exclusão (KOZ) e o Documento de Controle de Interface (ICD) para o hardware de montagem.
• A carga mecânica aplicada pelos componentes de montagem ao processador deve atender aos requisitos de carga do pacote durante toda a vida útil da placa fria.
• Os procedimentos de instalação e remoção devem estar em conformidade com as diretrizes de projeto e fabricação do processador.
• A planicidade da superfície inferior da base pode afetar o desempenho mecânico e térmico; as especificações devem ser definidas de acordo com os requisitos de desempenho.
• A rugosidade média (Ra) da superfície inferior da base deve ser especificada para o desempenho mecânico e térmico.
• As dimensões X e Y da área de contato com o IHS do processador ou com a região do chip afetam o desempenho térmico (o contorno azul na Figura 6 representa a área do IHS ou do chip do processador).

• A altura da placa fria deve ser compatível com o chassi do produto, medida da base inferior até a parte superior dos conectores de fluido.

2) Conectores de fluido para placa fria

Requisitos:

• Não foram observados vazamentos ou deformações nas interfaces conector-trocador de calor e conector-tubo durante os testes hidrostáticos.
• O projeto deve evitar a estagnação ou cavitação do fluido.

3) Integração do circuito de resfriamento por placa fria

Considerações:

• A posição e a orientação do conector devem ser compatíveis com o trajeto do tubo de refrigeração do produto.
• As diferenças de potencial entre os eletrodos nos metais em contato com o fluido devem ser minimizadas para evitar a corrosão; caso sejam utilizados metais diferentes, recomenda-se fortemente a validação integrada da corrosão.
• A diferença de potencial eletroquímico em qualquer interface metal-metal não deve exceder 0.15 V para evitar corrosão galvânica.
• A espessura, a altura e o espaçamento das aletas em placas frias de microcanais afetam a capacidade de fluxo e a queda de pressão.
• A queda de pressão no conjunto deve ser inferior à pressão do fluido fornecida pela bomba.
• Compreender as variações da taxa de fluxo do fluido refrigerante com a temperatura (conforme a Figura 8 referenciada) para fazer ajustes em função das mudanças sazonais.

4) Requisitos de aparência da chapa fria

• Superfície da tampa superior lisa, sem defeitos ou deformações visíveis.
• Superfície inferior da base livre de defeitos ou deformações visíveis.
• Suporte de montagem sem defeitos ou deformações visíveis.
• Conectores de fluido sem defeitos ou deformações visíveis.

2. Requisitos de desempenho térmico

O desempenho da placa fria deve atender aos requisitos de temperatura do processador durante toda a sua vida útil. Principais condições de contorno térmico:

• Temperatura máxima permitida de acordo com as especificações do processador.
• Temperatura e vazão do líquido refrigerante fornecidas pelo sistema.
• Velocidade máxima do fluxo de entrada < 1.5 m/s para evitar erosão.

3. Requisitos de confiabilidade

1) Pressão hidrostática

Em conformidade com a norma IEC FDIS 62368-1; sem vazamentos ou deformações detectáveis ​​após o teste; dimensões estatisticamente equivalentes antes e depois.

2) Corrosão

• Compatibilidade com fluidos: Superfícies molhadas quimicamente compatíveis e resistentes à corrosão; manter as concentrações de biocida e inibidor.
• Teste de névoa salina conforme ASTM B117: Sem corrosão, pitting ou descoloração; recomenda-se teste hidrostático pós-exame.

3) Desempenho Dinâmico

• Choque: O desempenho hidrostático e térmico pós-teste foi estatisticamente equivalente.
• Vibração: Requisitos semelhantes.

4) Ciclos de temperatura

Recomendado; teste hidrostático pós-exame para detecção de vazamentos.

III. Métodos de teste em placa fria

1. Teste Mecânico

1. Teste Dimensional Verifique se as dimensões da placa fria atendem aos requisitos do produto utilizando os seguintes métodos:
2. Meça a altura da placa fria usando um paquímetro.
3. Meça o comprimento, a largura, o espaçamento e a altura dos canais internos de fluxo de fluido usando um paquímetro.
4. Utilize técnicas de imagem como raios X para confirmar que as aletas do canal de fluxo de fluido estão livres de distorções, deformações ou contaminantes.
5. Testes Estruturais Consulte as especificações técnicas do processador para verificar os principais requisitos estruturais da solução de dissipação de calor da placa fria (como massa, planicidade, etc.) e adote os métodos de teste recomendados nas especificações.
6. Teste de integração da placa fria A placa fria deve passar pelas seguintes verificações para garantir que o projeto atenda aos requisitos de montagem:
7. Utilize métodos de análise por raios X ou similares para detectar defeitos de fabricação no trocador de calor de placas frias (como vazios, contaminantes nos canais, qualidade da soldagem, etc.).
8. Para placas frias de duas peças, verifique se não há interferência entre o trocador de calor e o suporte de montagem durante a montagem.
9. Verifique se as especificações do conector (como dimensões, estrutura da farpa, orientação de instalação, etc.) atendem aos requisitos de projeto do produto.
10. Integre a placa fria ao conjunto da placa fria do produto e realize um teste de pressão hidrostática para confirmar que não há vazamentos entre o trocador de calor, os conectores e os tubos de refrigeração.
11. Teste de aparência
12. Realizar inspeção visual da superfície externa da placa fria de acordo com os padrões de inspeção de aparência da fábrica.
13. Mergulhe o trocador de calor de placas frias em um dispositivo de limpeza ultrassônica (ou equipamento equivalente), enxágue com fluido limpo e verifique se o fluido descarregado não apresenta descoloração e se as partículas em suspensão no líquido de enxágue são menores que 50 μm.

2. Teste de desempenho

1) Teste de desempenho térmico

Aplique a pasta térmica TIM2, instale-a em um processador funcional, estabilize e registre os parâmetros. A resistência térmica foi calculada como:

R = (Tc – TL) / Q

(onde R em °C/W, Tc temperatura da carcaça, TL temperatura de entrada, Q potência).

Teste com múltiplas taxas de fluxo (ver exemplo na Figura 9).

2) Teste de queda de pressão do fluido

Configure o circuito TCS de laboratório (conforme Figura 10a/b); meça a pressão diferencial.

A queda de pressão deve permitir um fluxo positivo.

3. Teste de confiabilidade

1) Teste de pressão hidrostática

O teste de pressão hidrostática é um teste fundamental de qualidade e confiabilidade para detectar vazamentos em condições normais e esperadas de operação. Ele pode ser realizado de acordo com as duas normas da indústria a seguir:

Norma Europeia EN 1779 [7] (Métodos de detecção de vazamentos usando gás pressurizado):

• Teste de queda de pressão: Meça a queda na pressão total da placa fria; recomenda-se que a queda de pressão não exceda 0.5%.
• Teste de imersão em bolhas: Pressurize a placa fria e mergulhe-a em um fluido, detectando vazamentos pela observação de bolhas ou fluxos de bolhas.

UL Solutions Standard IEC FDIS 62368-1 [8] (Especifica o tempo de pressurização e os fatores de segurança para o teste de vazamento hidrostático):

• Pressurize a placa fria até a pressão máxima de trabalho, mantenha por 5 minutos e verifique se há vazamentos na placa fria e nas conexões.
• Pressurize a placa fria a 3 vezes a pressão máxima de trabalho, mantenha por 2 minutos e verifique se há vazamentos na placa fria e nas conexões.

O meio de teste pode ser gás ou líquido refrigerante.

2) Teste de corrosão

Testes de compatibilidade de fluidosOs sistemas de refrigeração líquida com placa fria são compostos por metal e materiais poliméricos/elastômeros, todos em contato com o fluido refrigerante. A confiabilidade da placa fria depende da compatibilidade química entre o fluido refrigerante e todos os materiais em contato com ele — o fluido refrigerante deve fornecer proteção confiável contra corrosão para os componentes metálicos e não deve causar a lixiviação de contaminantes dos materiais poliméricos/elastômeros (alguns materiais poliméricos/elastômeros podem absorver inibidores de corrosão do fluido refrigerante, reduzindo sua eficácia).

Os métodos recomendados para avaliar a compatibilidade de fluidos incluem:

• Realizar testes de corrosão e compatibilidade de materiais do fluido refrigerante com metais de acordo com a norma ASTM D2570, avaliando os efeitos da circulação do fluido refrigerante em amostras metálicas e detectando a corrosão galvânica em condições controladas de laboratório.
• Medir as concentrações de íons metálicos na solução usando o método de Plasma Acoplado Indutivamente (ICP) de acordo com as normas ASTM D6130 e D5185 para identificar sinais precoces de corrosão e desenvolver planos de manutenção preventiva.
• Analise o valor do pH e a alcalinidade de reserva do líquido de arrefecimento de acordo com as normas ASTM D1287 e D1121 para avaliar a degradação do líquido de arrefecimento devido à conversão do etilenoglicol em ácido glicólico.
• Analise as concentrações de íons cloreto e outros ânions no fluido refrigerante usando cromatografia iônica, de acordo com a norma ASTM D5827, para avaliar o teor de ânions ativos que causam corrosão por pite em metais.
• Use cromatografia gasosa (GC) e cromatografia líquida (LC) para testar o refrigerante, rastrear concentrações de inibidores de corrosão orgânicos e identificar outros contaminantes orgânicos precipitados [9].

Teste de pulverização de salRealizar testes em câmara de névoa salina de acordo com a norma ASTM B117 para avaliar a resistência à corrosão do revestimento da superfície externa da placa fria (a passivação ou anodização da superfície da placa fria pode reduzir o risco de corrosão por névoa salina).

As condições de teste são as seguintes:

• Vede a entrada e a saída da placa fria e coloque a amostra em uma câmara de névoa salina a 35°C.
• Concentração mássica da solução de NaCl: 5%.
• Valor de pH da solução de NaCl: 6.5–7.2.
• Taxa de deposição de névoa salina: aproximadamente 2 ml/hora/80 cm².
• Duração do teste de exposição: 8 horas.

Após o teste de névoa salina, meça o desempenho térmico da placa fria para garantir que não haja degradação térmica estatisticamente significativa. Recomenda-se realizar simultaneamente um teste de pressão hidrostática para detectar possíveis vazamentos causados ​​pela degradação do material devido à corrosão.

3) Testes de dinâmica

Teste de choqueMonte a placa fria no soquete da CPU correspondente de uma placa-mãe representativa do produto e realize testes de choque de acordo com os requisitos de validação do produto. Após o teste, inspecione visualmente se a aparência da placa fria atende aos requisitos e se o soquete da CPU e a placa-mãe do produto foram danificados. Realize um teste de pressão hidrostática na placa fria instalada para verificar se o estresse por choque não causou vazamentos na placa fria ou nos conectores.

Teste de vibraçãoMonte a placa fria no soquete da CPU correspondente de uma placa-mãe representativa do produto e realize testes de vibração de acordo com os requisitos de validação do produto. Após os testes, inspecione visualmente se a aparência da placa fria atende aos requisitos e se o soquete da CPU e a placa-mãe do produto apresentam danos. Realize um teste de pressão hidrostática na placa fria instalada para verificar se a vibração não causou vazamentos na placa fria ou nos conectores.

4) Teste de ciclagem térmica

Aplique o material TIM2 recomendado na placa fria e monte-a em uma pilha de processador funcional de uma placa de produto representativa. Realize testes de temperatura ou ciclos de energia de acordo com os requisitos de validação do produto — a faixa de temperatura deve abranger as temperaturas operacionais extremas da placa fria e o número de ciclos deve corresponder aos ciclos de energia estimados durante a vida útil do processador. Após os testes, o desempenho térmico da placa fria deve atender aos requisitos de validação do produto. Realize um teste de pressão hidrostática na placa fria instalada para verificar se o estresse dos ciclos de temperatura não causou vazamentos na placa fria ou nos conectores.