Avaliação de Graxas térmicas de alto desempenho para aplicações de refrigeração de pacotes da CPU

Avaliação de graxas térmicas de alto desempenho para aplicações de refrigeração de pacotes

da CPU

Abstrato

As graxas térmicas de alto desempenho foram avaliadas em três ambientes separados: laboratório ideal, laboratório in situ e testes de maquinação do sistema para entender melhor como as propriedades térmicas em massa e interfaciais, em combinação com os veículos de teste utilizados, afetam o desempenho térmico resultante. As três metodologias são descritas e as medidas em um material de linha de base relatado.

1.

Introdução

Os materiais termicamente condutores são parte integrante da estratégia de refrigeração eletrônica utilizada para remover o calor dissipado de microprocessadores, DRAM e outros componentes microeletrônicos. Os dados publicados sobre o desempenho de materiais de interface térmica (material de interface térmicas), no entanto, muitas vezes difere do medido no campo ou no laboratório. Números precisos e confiáveis ​​são cruciais para modelagem preditiva e posterior operação de CPUs em computação de alto desempenho

aplicações

1

. Neste artigo, informamos sobre o desempenho térmico de materiais de graxa de alto desempenho em condições de laboratório "ideais", condições de laboratório "in situ" e condições de teste de confiabilidade de campo ou de sistema que incluem ciclos térmicos e testes de estresse. Essas medidas destacam a importância das contribuições para a resistência térmica a partir da planicidade e rugosidade das superfícies de acoplamento, da superfície para a interface térmica e do material para interface térmica em massa, conforme observado por muitos outros pesquisadores

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. Em particular, essas experiências confirmam que são necessários métodos de medição precisos para fornecer valores precisos de condutividade térmica e resistência térmica material de interface térmica para uso em modelos térmicos específicos do sistema. Essas medidas também mostram que, em sistemas reais, o desempenho térmico é dominado pela espessura da linha de ligação (largura de linha de ligação) da junta material de interface térmica formada entre a tampa real e as superfícies do dissipador de calor. Em pacotes de pacote Sun típicos, esta interface térmica é designada como material de interface térmica2.

Os materiais térmicos investigados em laboratório (ideal e in situ) incluem misturas de graxa comercialmente disponíveis e experimentais. Os testes do sistema incluem apenas a graxa comercial de alta performance de linha de base. As medições em materiais com uma gama de condutas térmicas de enchimento e tamanhos de partículas reforçam a importância das propriedades de enchimento no desempenho térmico e reologia. Enquanto as condutividades térmicas em massa variam de 2 a 5 W / mºK para esses materiais, o tamanho, a distribuição e a temperatura da massa de enchimento a condutividade contribui para o desempenho final da material de interface térmica, efetuando o mínimo possível de largura de linha de ligação, molhamento da superfície e a condutividade entre partículas. As preocupações de fabricação e manuseio com graxas incluem sangramento (vazamento capilar do óleo da junção para as bordas da embalagem), secagem da junta, contenção ou aprisionamento das partículas de enchimento dentro da matriz material de interface térmica, migração de materiais de enchimento fora da embalagem e propriedades reológicas (tixotrópico, tensão superficial, capilaridade de espalhamento). Assim, o teste de desempenho inclui uma avaliação da infiltração de óleo nas bordas da embalagem com o tempo decorrido e sob ciclo térmico.

2.

Metodologia de teste

2.1.

Testes laboratoriais ideais No método de laboratório ideal, o ambiente de teste e

a geometria da junção de teste, incluindo as superfícies de acoplamento do bloco de teste, a altura da junção material de interface térmica, a temperatura da junção material de interface térmica e a carga aplicada na articulação material de interface térmica são diretamente controlados. Bulk e interface As propriedades térmicas dos materiais material de interface térmica2 são medidas, seguindo os padrões ASTM D 5470, em um sistema de fluxo de calor protegido Anter 2022 (método de fluxo de calor protegido) equipado com blocos de superfície de precisão (bloco de superfície de precisão)

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. O sistema é mostrado na Figura 1. Os bloco de superfície de precisãos, mostrados na Figura 2, servem como veículo de teste. Os bloco de superfície de precisãos são instrumentados com sensores de Pt dispositivo térmico resistivo de quatro fios (dispositivo térmico resistivo), calibrados separadamente em um banho de precisão e depois colocados em orifícios cilíndricos precisos localizados e dimensionados formados nos bloco de superfície de precisãos por usinagem de eletro-descarga (EDM). Os bloco de superfície de precisãos são intercambiáveis ​​e abrangem uma variedade de rugas e materiais da superfície de acoplamento. Os bloco de superfície de precisãos são quadrados de dois polegadas de diâmetro ou uma polegada e são montados nas superfícies polidas na pilha Anter com uma pasta térmica.

Estas superfícies são efetivamente mantidas a duas temperaturas diferentes até o equilíbrio térmico ser alcançado, um processo que requer aproximadamente 45 minutos por segmento de temperatura. As temperaturas são extrapoladas para a respectiva superfície de acoplamento material de interface térmica a partir de medidas precisas da geometria do bloco e conhecimento da condutividade térmica do material em bloco. Este sistema de laboratório "ideal" é preciso para aproximadamente 0,001 º K / W, permitindo medições em amostras de alto desempenho térmico com espessura de linha de ligação na altura de uso real (na faixa de 10 a 200 microns). Nas medidas aqui relatadas, os materiais material de interface térmica são dispensados entre dois blocos de amostra de OFHC Cu ou Si de 2-in-diam. Cargas compressivas uniformes entre 70 e 1400 kPa são aplicadas através de um conjunto de pistão de ar controlado.

Neste sistema, calços de precisão entre 50 e 250 um de espessura,são usados para controlar o largura de linha de ligação. As medidas de resistência térmica, feitas a três alturas de cais