Полное руководство по разработке, производству, сборке и тестированию охлаждающих пластин для систем жидкостного охлаждения серверов с искусственным интеллектом.

В стремительно развивающемся мире ИИ-серверы Для высокопроизводительных вычислений эффективное управление температурным режимом имеет решающее значение. Жидкостные охлаждающие холодные пластины Они зарекомендовали себя как превосходное решение для отвода тепла от мощных процессоров в центрах обработки данных и облачных средах. Это подробное руководство охватывает все аспекты, от производства и сборки охлаждающих пластин до требований к разработке и строгих методов тестирования, помогая инженерам и операторам центров обработки данных оптимизировать процессы. Жидкостное охлаждение серверов ИИ системы для обеспечения надежности и производительности.

Независимо от того, проектируете ли вы инфраструктуру искусственного интеллекта следующего поколения или ищете экономически эффективные решения для охлаждения, понимание этого процесса имеет важное значение. технология холодной пластины Это крайне важно для достижения энергоэффективности и стабильно высокой производительности.

I. Изготовление и сборка холодных пластин

1. Введение в технологию холодной плиты

A холодная плита Это радиатор, интегрированный с трубопроводами или каналами, позволяющий охлаждающей жидкости циркулировать и эффективно рассеивать тепло.

Обычно в сборе с охлаждающей пластиной используется теплообменник для жидкости и монтажный кронштейн. Теплообменник для жидкости соединяется с трубопроводами для жидкости посредством таких методов соединения металлов, как сварка, пайка или припой.

Теплообменник с холодными пластинами состоит из основания и верхней крышки.

Основание предназначено для прямого контакта с процессором. Совместимо с... TIM2 Для повышения тепловых характеристик системы охлаждения необходимо нанести термоинтерфейсный материал (термопроводящий материал) между процессором и основанием. Верхняя крышка герметизирует каналы для жидкости и обычно включает в себя соединители для направления потока охлаждающей жидкости через эти каналы.

2. Типы холодных плит

Холодные плиты в основном делятся на интегральные холодные пластины и разъемные холодные пластины:

• Встроенная холодная пластинаТеплообменник и монтажный кронштейн объединены в единое целое и не могут быть разделены. Из-за того, что кронштейн прикреплен к конструкции охлаждающей пластины, его сложно адаптировать к процессорам последующих поколений.
• Раздельная холодная пластинаТеплообменник и монтажный кронштейн являются независимыми компонентами. Такая модульная конструкция позволяет адаптироваться к процессорам нового поколения, перепроектировав только кронштейн, при этом теплообменник используется повторно для экономии средств.

3. Производство холодных плит

Основные процессы сборки верхней крышки и основания пластинчатого теплообменника включают пайку, сварку трением с перемешиванием, пайку и герметизацию уплотнительными кольцами. В таблице ниже (упомянутой в исходном документе) приведены преимущества и недостатки каждого процесса.

Отклонения в производственных процессах и недостаточный контроль за процессами могут привести к дефектам продукции, что повлияет на ее производительность и надежность.

Планы валидации продукции на основе охлаждающих пластин должны включать репрезентативные образцы с производственной линии для оценки производительности и надежности в пределах допустимых параметров технологического процесса.

4. Узел охлаждающей пластины

В состав узла охлаждающей пластины входят сама охлаждающая пластина, трубки системы охлаждения и быстроразъемные соединения. В качестве дополнительных компонентов в проектах заказчика могут использоваться переходные соединители и оборудование для обнаружения утечек. Описание компонентов:

• Трубки системы охлажденияИспользуется для подачи охлаждающей жидкости из контура охлаждения к охлаждающей пластине. В качестве металлических материалов могут использоваться медь или алюминий; в качестве неметаллических вариантов могут использоваться ПТФЭ (политетрафторэтилен), ПЕКС (сшитый полиэтилен) или ЭПДМ (этиленпропилендиеновый мономер). Выбор материала должен соответствовать типу и конструкции соединителя охлаждающей жидкости. Для контроля герметичности трубы и соединители могут быть обмотаны тросами/кабелями для обнаружения утечек.
• Быстрое отключение: Обеспечивает быстрое отсоединение охлаждающей пластины и трубок от контура жидкостного охлаждения и ИТ-оборудования, повышая удобство технического обслуживания.
• Разъемы адаптера (опционально)Используется для соединения трубок системы охлаждения и быстроразъемных соединений в сборе.
• Обнаружение утечек (настоятельно рекомендуется)Система оповещает операторов центров обработки данных при обнаружении утечек.

5. Система охлаждения с использованием технологии холодных пластин.

Система охлаждения с использованием охлаждающих пластин включает в себя ИТ-оборудование (ITE), охлаждающие пластины, трубки для охлаждающей жидкости, быстроразъемные соединения (QD), коллекторы лопаток, вторичные контуры охлаждения, блоки распределения охлаждающей жидкости (CDU), системы водоснабжения объекта (FWS) и градирни или чиллеры.

Эта система подает к холодным пластинам охлаждающую жидкость, стабильную по температуре и давлению. Все материалы, контактирующие с охлаждающей жидкостью и находящиеся в контакте с ней, должны быть совместимы.

II. Требования к разработке охлаждающей пластины

1. Механические требования

1) Механическая конструкция холодной пластины

Холодильные пластины должны соответствовать всем конструктивным требованиям, указанным поставщиком процессора для решений по рассеиванию тепла (см. ключевые параметры в руководствах по тепловому и механическому проектированию процессоров, такие как масса, плоскостность и т. д.). Дополнительные требования включают:

• Соответствие конструктивным особенностям изделия, зоне ограничения доступа (KOZ) и документу по контролю интерфейса (ICD) для монтажного оборудования.
• Механическая нагрузка, создаваемая крепежными элементами процессора, должна соответствовать требованиям к нагрузке на корпус в течение всего срока службы охлаждающей пластины.
• Процедуры установки и демонтажа должны соответствовать конструктивным и производственным требованиям к процессору.
• Плоскостность нижней поверхности основания может влиять на механические и тепловые характеристики; технические характеристики должны определяться в соответствии с требованиями к производительности.
• Для обеспечения механических и термических характеристик необходимо указать среднюю шероховатость (Ra) нижней поверхности основания.
• Размеры по осям X и Y контактной зоны с теплораспределительной крышкой процессора или областью кристалла влияют на тепловые характеристики (синяя линия на рисунке 6 обозначает теплораспределительную крышку процессора или область кристалла).

• Высота охлаждающей пластины должна соответствовать высоте корпуса изделия и измеряться от основания до верхней части гидравлических соединителей.

2) Соединители охлаждающей пластины для жидкости

Обязательные условия:

• В ходе гидростатических испытаний не было обнаружено утечек или деформаций в местах соединения соединителя с теплообменником и соединителя с трубкой.
• Конструкция должна предотвращать застой жидкости или кавитацию.

3) Интеграция контура охлаждения с помощью холодной пластины

Соображения:

• Положение и ориентация разъема должны соответствовать прокладке трубок системы охлаждения изделия.
• Для предотвращения коррозии необходимо свести к минимуму разницу потенциалов электродов в контактирующих с жидкостью металлах; при использовании разнородных металлов настоятельно рекомендуется комплексная проверка на коррозию.
• Во избежание гальванической коррозии разность электрохимических потенциалов на любой границе раздела металл-металл не должна превышать 0.15 В.
• Толщина, высота и расстояние между ребрами в микроканальных охлаждающих пластинах влияют на пропускную способность и перепад давления.
• Падение давления в сборке должно быть ниже давления жидкости, подаваемой насосом.
• Необходимо понимать изменения расхода охлаждающей жидкости в зависимости от температуры (как показано на рисунке 8), чтобы корректировать расчеты с учетом сезонных изменений.

4) Требования к внешнему виду холодной пластины

• Гладкая поверхность верхней крышки, без видимых дефектов или деформаций.
• Нижняя поверхность основания не имеет видимых дефектов или деформаций.
• Монтажный кронштейн без видимых дефектов или деформаций.
• Жидкостные соединители без видимых дефектов или деформаций.

2. Требования к тепловым характеристикам

Характеристики охлаждающей пластины должны соответствовать требованиям к температуре процессора на протяжении всего срока службы. Ключевые температурные граничные условия:

• Максимально допустимая температура согласно техническим характеристикам процессора.
• Температура и расход охлаждающей жидкости, обеспечиваемые системой.
• Максимальная скорость потока на входе < 1.5 м/с во избежание эрозии.

3. Требования к надежности

1) Гидростатическое давление

Соответствует стандарту IEC FDIS 62368-1; после испытаний не обнаружено утечек или деформаций; размеры статистически эквивалентны до и после испытаний.

2) Коррозия

• Совместимость с жидкостями: Смоченные поверхности химически совместимы и коррозионностойки; поддерживают концентрацию биоцидов и ингибиторов.
• Испытание солевым туманом по стандарту ASTM B117: отсутствие коррозии, точечной коррозии или изменения цвета; рекомендуется проведение гидростатических испытаний после испытания.

3) Динамические характеристики

• Ударные характеристики: По результатам испытаний гидростатические и термические показатели статистически эквивалентны.
• Вибрация: аналогичные требования.

4) Циклирование температуры

Рекомендуется проводить гидростатические испытания после проверки на герметичность.

III. Методы испытаний на холодной пластине

1. Механические испытания

1. Размерное тестирование Убедитесь, что размеры охлаждающей пластины соответствуют требованиям к изделию, используя следующие методы:
2. Измерьте высоту холодной пластины с помощью штангенциркуля.
3. Измерьте длину, ширину, шаг и высоту внутренних каналов для потока жидкости с помощью штангенциркуля.
4. Для подтверждения отсутствия деформаций, повреждений или загрязнений в ребрах каналов для потока жидкости используйте рентгеновское или аналогичное визуализационное исследование.
5. Структурное тестирование Для проверки ключевых конструктивных требований к системе теплоотвода с использованием охлаждающей пластины (таких как масса, плоскостность и т. д.) обратитесь к техническим характеристикам процессора и используйте методы испытаний, рекомендованные в технических характеристиках.
6. Испытания интеграции холодной пластины Для обеспечения соответствия конструкции требованиям к сборке, охлаждающая пластина должна пройти следующие проверки:
7. Для обнаружения производственных дефектов в пластинчатом теплообменнике (таких как пустоты, загрязнения каналов, качество сварки и т. д.) используйте рентгеновский или аналогичные методы анализа.
8. При сборке двухкомпонентных охлаждающих пластин убедитесь в отсутствии помех между теплообменником и монтажным кронштеном.
9. Проверьте, соответствуют ли технические характеристики разъема (такие как размеры, конструкция штуцера, ориентация при установке и т. д.) требованиям к конструкции изделия.
10. Интегрируйте охлаждающую пластину в узел охлаждающей пластины изделия и проведите гидростатическое испытание, чтобы подтвердить отсутствие утечек между теплообменником, соединителями и трубками системы охлаждения.
11. Внешний вид тестирования
12. Проведите визуальный осмотр внешней поверхности холодной пластины в соответствии со стандартами заводской проверки внешнего вида.
13. Погрузите пластинчатый теплообменник в ультразвуковое очистное устройство (или аналогичное оборудование), промойте чистой жидкостью и убедитесь, что вытекающая жидкость не изменила цвет и что взвешенные частицы в промывочной жидкости имеют размер менее 50 мкм.

2. Тестирование производительности

1) Тестирование тепловых характеристик

Нанесите термопасту TIM2, установите на функциональный процессор, стабилизируйте, запишите параметры. Тепловое сопротивление рассчитывается следующим образом:

R = (Tc – TL) / Q

(где R в °C/Вт, Tc — температура корпуса, TL — температура на входе, Q — мощность).

Проведите тестирование при различных скоростях потока (см. пример на рисунке 9).

2) Испытание на падение давления жидкости

Настройте лабораторный контур TCS (см. рисунок 10a/b); измерьте перепад давления.

Падение давления должно обеспечивать положительный поток.

3. Проверка надежности

1) Испытание гидростатическим давлением

Гидростатическое испытание является ключевым методом проверки качества и надежности для обнаружения утечек в нормальных и ожидаемых условиях эксплуатации. В качестве критериев могут использоваться следующие два отраслевых стандарта:

Европейский стандарт EN 1779 [7] (Методы обнаружения утечек с использованием газа под давлением):

• Испытание на падение давления: Измерьте падение общего давления на холодной пластине; рекомендуется, чтобы падение давления не превышало 0.5%.
• Проверка на герметичность погружением: создайте давление на охлаждающую пластину и погрузите ее в жидкость, обнаруживая утечки по появлению пузырьков или потоков пузырьков.

Стандарт UL Solutions IEC FDIS 62368-1 [8] (Указывается время создания давления и коэффициенты безопасности для гидростатического испытания на герметичность):

• Накачайте охлаждающую пластину до максимального рабочего давления, выдержите 5 минут и проверьте наличие утечек в охлаждающей пластине и разъемах.
• Создайте на охлаждающей пластине давление, в 3 раза превышающее максимальное рабочее давление, выдержите в течение 2 минут и проверьте наличие утечек в охлаждающей пластине и разъемах.

В качестве среды для проведения испытаний может использоваться газ или охлаждающая жидкость.

2) Испытания на коррозию

Тестирование на совместимость жидкостейСистемы жидкостного охлаждения с охлаждающей пластиной состоят из металла и полимерных/эластомерных материалов, которые контактируют с охлаждающей жидкостью. Надежность охлаждающей пластины зависит от химической совместимости охлаждающей жидкости со всеми контактирующими с ней материалами — охлаждающая жидкость должна обеспечивать надежную защиту металлических компонентов от коррозии и не должна вызывать выщелачивание загрязняющих веществ из полимерных/эластомерных материалов (некоторые полимерные/эластомерные материалы могут поглощать ингибиторы коррозии из охлаждающей жидкости, снижая их эффективность).

Рекомендуемые методы оценки совместимости жидкостей включают:

• Проведение испытаний на коррозию и совместимость материалов охлаждающей жидкости с металлами в соответствии со стандартом ASTM D2570, оценка воздействия циркулирующей охлаждающей жидкости на металлические образцы и выявление гальванической коррозии в контролируемых лабораторных условиях.
• Измерение концентрации ионов металлов в растворе с использованием метода индуктивно связанной плазмы (ICP) в соответствии со стандартами ASTM D6130 и D5185 позволяет выявлять ранние признаки коррозии и разрабатывать планы профилактического обслуживания.
• Для оценки степени деградации охлаждающей жидкости в результате превращения этиленгликоля в гликолевую кислоту необходимо проверить значение pH и резервную щелочность охлаждающей жидкости в соответствии со стандартами ASTM D1287 и D1121.
• Для определения концентрации хлорид-ионов и других анионов в охлаждающей жидкости используйте ионную хроматографию в соответствии со стандартом ASTM D5827, чтобы оценить содержание активных анионов, вызывающих точечную коррозию металла.
• Используйте газовую хроматографию (ГХ) и жидкостную хроматографию (ЖХ) для анализа охлаждающей жидкости, отслеживания концентрации органических ингибиторов коррозии и идентификации других осажденных органических загрязнителей [9].

Тестирование соленых брызгПроведите испытания в камере солевого тумана в соответствии со стандартом ASTM B117 для оценки коррозионной стойкости внешнего поверхностного покрытия охлаждающей пластины (пассивация или анодирование поверхности охлаждающей пластины могут снизить риск коррозии в солевом тумане).

Условия испытаний следующие:

• Загерметизируйте входное и выходное отверстия охлаждающей пластины и поместите образец в камеру для солевого тумана при температуре 35 °C.
• Массовая концентрация раствора NaCl: 5%.
• Значение pH раствора NaCl: 6.5–7.2.
• Скорость осаждения солевого тумана: приблизительно 2 мл/час/80 см².
• Продолжительность испытательного воздействия: 8 часов.

После испытаний в солевом тумане необходимо измерить тепловые характеристики охлаждающей пластины, чтобы убедиться в отсутствии статистически значимой термической деградации. Рекомендуется одновременно провести гидростатические испытания для выявления потенциальных утечек, вызванных деградацией материала вследствие коррозии.

3) Динамическое тестирование

Ударное испытаниеУстановите охлаждающую пластину на соответствующий процессорный блок представительной платы и проведите испытания на ударопрочность в соответствии с требованиями к проверке изделия. После испытаний визуально проверьте, соответствует ли внешний вид охлаждающей пластины требованиям и не повреждены ли процессорный блок и плата. Проведите гидростатическое испытание охлаждающей пластины в установленном состоянии, чтобы убедиться, что ударное воздействие не вызвало утечек в охлаждающей пластине или разъемах.

Вибрационные испытанияУстановите охлаждающую пластину на соответствующий процессорный блок представительной платы и проведите вибрационные испытания в соответствии с требованиями валидации продукта. После испытаний визуально проверьте, соответствует ли внешний вид охлаждающей пластины требованиям и не повреждены ли процессорный блок и плата. Проведите гидростатическое испытание охлаждающей пластины в установленном состоянии, чтобы убедиться, что вибрационная нагрузка не привела к протечкам в охлаждающей пластине или разъемах.

4) Испытания на температурные циклы

Нанесите рекомендуемый термоинтерфейсный материал TIM2 на охлаждающую пластину и установите ее на функциональный процессорный блок типовой платы. Проведите испытания на температурные или силовые циклы в соответствии с требованиями валидации продукта — диапазон температур должен охватывать экстремальные рабочие температуры охлаждающей пластины, а количество циклов должно соответствовать расчетному количеству силовых циклов за весь срок службы процессора. После испытаний тепловые характеристики охлаждающей пластины должны соответствовать требованиям валидации продукта. Проведите гидростатическое испытание охлаждающей пластины в установленном состоянии, чтобы убедиться, что температурные циклы не привели к протечкам в охлаждающей пластине или разъемах.