Miten estää korroosiota ja parantaa materiaalien kestävyyttä datakeskuksissa?

Datakeskuksissa käytettävät materiaalit ovat alttiita erilaisille vaurioille, erityisesti korroosiolle, joka voi heikentää niiden luotettavuutta ja suorituskykyä. Erityisesti metalliset ja ei-metalliset materiaalit altistuvat ympäristön epäpuhtauksille ja materiaalien yhteensopimattomuudelle, mikä voi johtaa korroosiovaurioihin. Tämä korroosio voi aiheuttaa merkittäviä ongelmia datakeskuksen laitteistolle ja vaatia kalliita huoltotoimenpiteitä.

Datakeskuksen ilmanlaadun hallinta on yksi tärkeimmistä tekijöistä korroosion estämisessä. Korkean MERV-luokituksen suodattimet (katso Taulukko 3.3) ovat oleellisia estämään korroosiota, erityisesti ilmassa leijuvien partikkelien ja kaasumaisiin epäpuhtauksien vaikutuksesta. Puhdastiloissa, joissa ilmanlaatuvaatimukset ovat vielä tiukempia, käytetään HEPA-suodattimia (High-Efficiency Particulate Air), jotka voivat suodattaa jopa pienempiä hiukkasia kuin MERV 17. Tämä suodatusmenetelmä on elintärkeä datakeskuksen laitteistolle, jossa tarkkuus ja luotettavuus ovat ensiarvoisen tärkeitä.

Materiaalivalinnoissa tulee kiinnittää huomiota erilaisten metallien väliseen galvaaniseen korroosioon. Esimerkiksi, kun eri metalleja yhdistetään, ne voivat aiheuttaa galvaanista korroosiota tietyissä olosuhteissa. Tällöin dielektristen liitosten käyttäminen tai materiaalien fyysinen eristäminen voi merkittävästi vähentää korroosion riskiä. Galvaanisen korroosion estämiseksi voidaan käyttää myös katodista suojausta, jossa käytetään uhraantuvia anodeja tai käytetään virtaa, joka estää korroosion muodostumisen.

DLC-tekniikassa (Distilled Water Cooling) käytetään tislattua vettä jäähdytysjärjestelmissä metallikomponenttien korroosion estämiseksi. Lisäksi jäähdytysfluidien pH-arvon hallinta ja korroosionestoaineiden, kuten Tolyltriazolen, lisääminen jäähdytysnesteisiin voivat suojata metallikomponentteja. On kuitenkin muistettava, että korroosionestoaineet kuluvat ajan myötä, ja niitä on huollettava säännöllisesti, jotta ne täyttävät tehtävänsä tehokkaasti.

Datakeskuksissa, joissa käytetään upotettuja jäähdytysjärjestelmiä, korroosion vähentämiseksi on erityisen tärkeää minimoida kemiallisten nesteiden vuorovaikutus elektroniikkakomponenttien kanssa. Upotettujen jäähdytysjärjestelmien avaintunnusmerkkejä on käsitelty Open Compute -projektissa (OCP), joka tarjoaa ohjeita näiden järjestelmien käyttöön.

Tulevaisuuden datakeskusten rakenteiden ja jäähdytysratkaisujen kehitys vaatii jatkuvaa huomiota materiaalivalintoihin ja teknologioiden kehittämiseen. Tämä ei ole pelkästään kustannuskysymys, vaan myös ympäristövaikutusten ja energiatehokkuuden parantaminen ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat datakeskusten rakenteellisiin valintoihin. Yhä useammissa tapauksissa tutkijat ja insinöörit etenevät kohti entistä kestävämpiä ja tehokkaampia ratkaisuja, jotka voivat taata entistä luotettavamman ja ympäristöystävällisemmän datakeskuksen toiminnan.

Epoksi-muovauskomponenttien ja materiaalien kehitys puolijohdepakkauksessa

Epoksi-muovauskomponentit (EMC) ovat keskeinen osa puolijohteiden pakkauksessa, erityisesti muistipiirien ja muiden komponenttien suojaamisessa. Niiden kehitys on ollut jatkuvassa muutoksessa, erityisesti kun otetaan huomioon elektronisten laitteiden kasvavat vaatimukset, kuten miniaturisaatio, kestävyys ja jäähdytyksen tehostaminen. Nykyään epoksihartsien ja muiden materiaalien ominaisuuksia tarkastellaan entistä tarkemmin, sillä pienet muutokset voivat vaikuttaa merkittävästi pakkausten luotettavuuteen ja pitkäikäisyyteen.

Yksi tärkeimmistä tekijöistä, joka vaikuttaa epoksi-muovauskomponenttien kehitykseen, on materiaalin lämpölaajenemiskerroin (CTE) suhteessa alustan tai piirilevyn CTE:hen. Epoksi-muovauskomponentit ovat keskeisiä pakkausten mekaanisessa kestävyydessä, sillä ne suojaavat herkkiä komponentteja lämpötilan vaihteluista aiheutuvilta vaurioilta. Tämä on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon nykyiset sovellukset, kuten flip-chip-tekniikka, jossa piirit asetetaan suoraan alustan pinnalle, jolloin mekaaninen jännitys ja lämpölaajeneminen voivat aiheuttaa epätoivottuja muodonmuutoksia.

Pakettien lujuuden ennustaminen on haastavaa, sillä se vaatii tarkkaa ymmärrystä siitä, miten epoksi-muovauskomponentin ja muiden materiaalien ominaisuudet vaikuttavat toisiinsa. Lämpötilan vaihtelut ja materiaalien epätasainen laajeneminen voivat johtaa paketin vääntymiseen, mikä puolestaan voi aiheuttaa sirujen vaurioitumisen tai jopa toimintahäiriöitä. Tässä yhteydessä on myös tärkeää huomioida materiaalin mekaaniset ja termiset ominaisuudet, sillä ne vaikuttavat suoraan paketin kykyyn kestää pitkäaikaisia käyttöolosuhteita, erityisesti äärimmäisissä ympäristöissä.

Epoksihartsien ja muiden materiaalien kehityksessä on nähtävissä merkittäviä edistysaskeleita, erityisesti materiaalien lämpöjohtavuuden parantamisessa. Tämän vuoksi yhä useammin tutkitaan vaihtoehtoisia materiaaleja, kuten grafeeni ja hiilinanoputket, jotka tarjoavat huomattavasti parempaa lämpöjohtavuutta verrattuna perinteisiin muovauskomponentteihin. Tällaiset innovaatiot voivat ratkaista monia nykyisiä jäähdytyshaasteita, jotka liittyvät puolijohteiden tehokkuuteen ja luotettavuuteen.

Tulevaisuudessa on kuitenkin tärkeää huomioida, että pelkästään materiaalien lämpöjohtavuuden parantaminen ei riitä. On otettava huomioon myös koko pakkausjärjestelmän toiminta ja sen vaikutus lämmönhallintaan. Tällöin huomio on siirrettävä myös pakkausten suunnitteluun ja siihen, kuinka komponentit voivat toimia yhdessä optimaalisesti lämpötilan säätelyn kannalta.

Epoksihartsien käyttöä koskeva kehitys ei rajoitu pelkästään lämpöjohtavuuden parantamiseen. Myös materiaalien kestävyys ja elinikä ovat avainasemassa. Vauriot, jotka johtuvat esimerkiksi ympäristön kosteudesta, korroosiosta tai mekaanisesta rasituksesta, voivat merkittävästi heikentää puolijohteiden toimintaa. Tästä syystä tutkimus on keskittynyt yhä enemmän EMC-materiaalien kestävyyden parantamiseen, jotta ne voisivat täyttää tulevaisuuden vaatimukset eri sovelluksissa, kuten älylaitteissa ja ajoneuvojen elektroniikassa.

Erityisesti ajoneuvojen ja muiden teollisten sovellusten tarpeet korostavat materiaalien luotettavuutta äärimmäisissä lämpötilaolosuhteissa. Esimerkiksi auton elektroniikka vaatii entistä kestävämpiä pakkausmateriaaleja, jotka pystyvät selviytymään sekä korkeista lämpötiloista että voimakkaista mekaanisista iskuista. Tämän vuoksi epoksi-muovauskomponenttien ja muiden puolijohdemateriaalien kehityksessä on kiinnitettävä huomiota myös kulutuskestävyys- ja lujuusominaisuuksiin.

Kaiken kaikkiaan tulevaisuuden puolijohteiden pakkausten kehitys edellyttää materiaalien ja teknologioiden tiivistä yhteistyötä. Yhä tarkempia mittauksia ja ennustemalleja tarvitaan, jotta voidaan varmistaa pakkausten luotettavuus ja kestävyys. Tämä koskee erityisesti yhä monimutkaisempia ja pienempiä sovelluksia, joissa painopiste on entistä enemmän energiatehokkuudessa, lämpöjohtavuudessa ja ympäristön kestävyydessä. Tällöin myös grafeenin ja muiden innovatiivisten materiaalien rooli tulee korostumaan, sillä ne voivat tarjota ratkaisuja, jotka vievät puolijohdepakkauksia uudelle tasolle.

Miksi juotosliitosten luotettavuus on ratkaisevan tärkeää matalissa lämpötiloissa ja kuinka se kehittyy?

Yksi keskeinen tekijä, joka vaikuttaa juotoksen luotettavuuteen matalissa lämpötiloissa, on intermetallic compound (IMC) -kerroksen kasvu. Tämä kerros, joka muodostuu juotosmetallin ja kiinteän aineen, kuten piin tai kuparin, välille, voi vaikuttaa merkittävästi juotoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Ajan myötä, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, IMC:n paksuus kasvaa ja sen lujuus voi heikentyä. Juotosmateriaalin lujuus voi myös parantua ajan myötä, kun käytetään esimerkiksi indiumia (In) sisältäviä juotoksia, mutta tämä lisää haasteita, koska indiumin alhainen sulamispiste (156,7 °C) ja pehmeys voivat rajoittaa sen kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa.

Matalan lämpötilan juotosliitosten haasteet liittyvät erityisesti siihen, miten nämä materiaalit käyttäytyvät pitkittyneissä cryogeenisissä olosuhteissa. Esimerkiksi SAC305-juotosten lujuus voi parantua liuoksessa oleskelun aikana, mutta pitkällä aikavälillä liitos voi muuttua haurastuneeksi, mikä vaikuttaa negatiivisesti sen luotettavuuteen ja kestävyyteen. Samoin erilaisten alumiini-, kupari- ja hopea-seosten yhdistelmät voivat vaikuttaa merkittävästi juotosten luotettavuuteen ja niiden kykyyn kestää pitkiä matalalämpötilajännityksiä.

Erityisesti cryogeenisissä ympäristöissä, kuten nestemäisessä typessä tai heliumissa, juotosten luotettavuus on kriittinen komponenttien pitkäaikaisessa kestävyydessä. Tällaisissa olosuhteissa juotosmateriaalin on pystyvä säilyttämään riittävä venyvyys ja lujuus pitkään, jotta liitokset eivät murru tai irtoa.

Solder-joint reliability (SJR) on monimutkainen ilmiö, johon vaikuttavat muun muassa juotosmateriaalin valinta, juotoksen paksuus ja lämpötilan vaihtelut. Yksi tärkeä huomioitava seikka on, että juotoksen lujuus ja venyvyys voivat muuttua merkittävästi sen mukaan, kuinka pitkään se on altistunut matalille lämpötiloille. Tämän vuoksi pitkäaikainen tutkimus ja testaaminen ovat tärkeitä, erityisesti silloin, kun valmistetaan muistiyksiköitä, jotka on suunniteltu toimimaan ääriolosuhteissa.

Kun valmistetaan matalalämpötilassa toimivia muistimoduuleja, on tärkeää keskittyä materiaalien valintaan, joka kestää cryogeenisiä olosuhteita pitkällä aikavälillä. Solder-alloyn ja sen liittyvien IMC-kerrosten käyttäytymistä on tarkasteltava huolellisesti, sillä se voi vaikuttaa ratkaisevasti siihen, kuinka luotettavasti muistilaitteet toimivat esimerkiksi avaruuden olosuhteissa tai kvanttitietokoneissa.