Vilka är de mest effektiva kylteknologierna för datacenter och varför är det viktigt att förstå dessa?

MERV (Minimum Efficiency Reporting Value)-betyg används för att beskriva hur effektivt ett luftfilter fångar partiklar i olika storlekar. MERV 8-filter är vanliga för generell luftfiltrering och fångar större partiklar som damm och pollen, medan högre MERV-betyg, som MERV 11–13, används för mer kritiska områden där finare partiklar behöver filtreras. Detta är särskilt viktigt i datacenter, där både luftkvalitet och temperaturreglering spelar en avgörande roll för att skydda känslig elektronisk utrustning. Datafilter i sådana miljöer är ofta tillverkade av syntetiska material som motstår fukt och hindrar mikrobiell tillväxt, vilket gör dem särskilt anpassade för att klara av de påfrestande förhållandena i sådana anläggningar.

Det finns två huvudsakliga typer av DLC: singelfas- och tvåfas-kylning. Singelfas-kylsystem använder en vätska som förblir i flytande form genom hela kylprocessen, medan tvåfas-system involverar vätskor som genomgår en fasövergång (från vätska till gas) när de tar upp värme. Den senare teknologin kan vara mer effektiv i vissa tillämpningar, särskilt i mikrokallkanaler där värmeöverföringen är mest intensiv. Dock finns det utmaningar med tvåfas-system, såsom risken för instabilitet i kylflödet när fasövergången minskar i vissa delar av systemet, vilket kan orsaka problem på både lokal och systemnivå.

Vätskor som används i DLC-system är ofta blandningar av vatten och glykol (både etylenglykol och propylenglykol är vanliga val), som ger en bra balans mellan egenskaper som fryspunkt, korrosionsmotstånd och god värmeöverföring. Korrosionsskador är en stor utmaning i kylsystem, vilket kan leda till nedbrytning av metaller och i värsta fall orsaka misslyckanden i processorer, racks eller hela anläggningar. För att förhindra dessa problem måste kompatibla material användas i hela kylsystemet, och regelbundna inspektioner och underhåll är nödvändiga för att säkerställa att kylvätskan och filtreringen förblir effektiv.

För att minska risken för korrosion på kallplattorna används olika ytbehandlingar som friktionsstörsvetsning (FSW), nickelplätering eller korrosionsinhibitorer, som appliceras på de inre ytorna av kallplattorna. Dessa åtgärder är avgörande för att bibehålla kylsystemets långsiktiga prestanda och pålitlighet. Vid användning av koppar som material för kallplattor är det också viktigt att vara medveten om att korrosionsskador kan leda till blockeringar i mikrokallkanaler, vilket kraftigt försämrar värmeöverföringen och kan orsaka allvarliga systemproblem.

En annan lovande kylteknik är immersion cooling, där hela elektroniska komponenter, som servrar, nedsänks i en dielektrisk vätska. Denna teknik har potential att förbättra energieffektiviteten och hantera den ökande effektdensiteten i moderna datacenter. Immersion cooling kräver specifika material och testsystem, där komponenter som processorer och kretskort måste vara tillverkade av kemiskt stabila material som inte förlorar sin funktion över tid när de är nedsänkta i kylvätskan. Denna teknik kan vara särskilt användbar i datacenter som behöver hantera mycket höga effektbehov och där traditionella luftbaserade kylsystem inte räcker till.

I en typisk vätskekylsystem i datacenter säkerställer en Coolant Distribution Unit (CDU) att kylarvätskan cirkulerar effektivt och exakt för att hantera temperatur och värmeavledning i hela kylsystemet. Värmen leds bort genom kalla plattor som är anslutna till rack eller servrar, där en Facility Water System (FWS) tillhandahåller den kylvattentillförsel som behövs för att hålla systemet i gång. Detta integrerade system är designat för att maximera effektiviteten i datacentrets kylteknologi och förhindra överhettning av känsliga teknologiska komponenter.

För att optimera effektiviteten och säkerställa långsiktig drift är det avgörande att förstå de materialval och tekniska lösningar som används i dessa avancerade kylsystem. Genom att noggrant välja rätt komponenter och genomföra regelbundet underhåll, kan datacenter minimera risken för driftstopp och säkerställa att deras kylsystem fungerar på högsta möjliga nivå.

Hur PCB-material och lödning på moderkort påverkar pålitligheten i elektroniska enheter?

För att förstå hur de mekaniska och elektriska egenskaperna hos PCB-material påverkar hållbarheten hos elektroniska enheter är det viktigt att först definiera de grundläggande parametrarna och testerna som används för att utvärdera materialens prestanda under olika driftsförhållanden. En viktig aspekt av dessa tester är hur PCB-material reagerar på olika temperaturförändringar, mekaniska påfrestningar och termiska expansioner. I detta sammanhang är lödningens hållbarhet, särskilt vid extremt låga eller höga temperaturer, avgörande för långsiktig pålitlighet.

En viktig aspekt som ofta underskattas är hur termisk spänning och CTE-mismatch mellan olika material i ett paket kan orsaka strukturella defekter i lödfogar under både tillverkningsprocessen och den långsiktiga användningen. Detta kan resultera i SMT-defekter, som till exempel "head-in-pillow"-fenomenet, vilket kan försämra de elektriska anslutningarna och till slut leda till funktionsfel. För att minska risken för dessa defekter bör åtgärder som att optimera reflow-profiler, välja låg-CTE material för PCB och använda högflexibla lödpastaalternativ övervägas.

Vid analysen av PCB-material och deras förmåga att motstå mekaniska påfrestningar har Liu et al. genomfört en serie studier som visar hur olika LPDRAM-paketformfaktorer påverkas av PCB:ns CTE och hur dessa påverkar lödfogar och chippens livslängd. Enligt deras forskning är det klart att det finns ett samband mellan PCB-materialets CTE och SJR-prestanda, och att en reducering av CTE-mismatchen kan avsevärt förbättra pålitligheten. En av de mest effektiva metoderna för att uppnå detta är att använda PCB-material med lägre CTE och att förbättra lödfogarnas konstruktion genom att minska die-tjocklek och öka höjden på Cu-stud.

Ytterligare viktiga åtgärder för att förbättra PCB:s hållbarhet inkluderar att använda PCB med lägre modulus och noggrant justera substratens tjocklek och materialval för att optimera temperaturbeständigheten, särskilt vid höga temperaturer. Det är också viktigt att tänka på att PCB:ns ytskikt och lödämnen måste vara tillräckligt motståndskraftiga för att motstå mekaniska påfrestningar vid extremt låga temperaturer, vilket ofta är fallet i kryogena applikationer.

För att säkerställa pålitlighet i framtida applikationer, särskilt vid extremt låga temperaturer som används i kryogeniska datorsystem eller rymdteknik, måste PCB-materialen utvecklas för att behålla sina elektriska och mekaniska egenskaper även vid dessa extrema förhållanden. Särskild uppmärksamhet måste riktas mot materialens brottseghet och kompatibilitet med kryogena vätskor, eftersom dessa faktorer är avgörande för att förhindra skador på lödfogar och för att säkerställa att systemet kan fungera felfritt över tid.

För att ytterligare stärka PCB:ns pålitlighet under långvarig användning vid extrem temperatur bör man också överväga materialens dielektriska egenskaper, eftersom förlust av isoleringskapacitet vid låga temperaturer kan leda till elektriska fel. Detsamma gäller val av lödpasta och ytbehandlingar som kan förbättra lödfogarnas prestanda och minska risken för mekaniska skador under drift.

I synnerhet för framtida cryogena och högt temperaturapplikationer måste PCB-designers och materialforskare ta hänsyn till både system- och paketnivåns pålitlighet och använda innovativa materiallösningar som kan stå emot dessa extrema driftsförhållanden. Det är också avgörande att utföra omfattande tester på både PCB:ns lödfogar och paketets hållbarhet för att säkerställa att de uppfyller industrins, konsumenternas och fordonsindustrins krav på hållbarhet och långsiktig pålitlighet.

Vilka faktorer påverkar hållbarheten hos PCB-material i extremt kalla miljöer?

En annan betydande utmaning är den termiska expansionen mellan kopparledare och substratet. När temperaturen sjunker, expanderar och krymper materialen olika mycket, vilket kan leda till mekaniska spänningar på PCB:n. För att minska dessa risker är det viktigt att noggrant välja substratmaterial och säkerställa att de har rätt termiska egenskaper för att klara av dessa spänningar. Material som FR10 (en typ av PCB med kryogenklass) kan vara en möjlig lösning för detta problem.

För tillämpningar som involverar vätskekylning är det dessutom viktigt att beakta hur PCB:n samverkar med den kemiska vätskan. Långvarig exponering för vätskor kan leda till att material lossnar eller korroderar, vilket påverkar PCB:ns hållbarhet. För att minska dessa risker kan konformbeläggning och användning av material som är mer motståndskraftiga mot kemikalier vara nödvändiga. I framtiden kan innovativa materialval behövas för att säkerställa pålitlig hårdvaruåtergivning i vätskekylda miljöer.

Det är också viktigt att beakta de elektriska egenskaperna hos PCB:n under extrema förhållanden. Vid kryogeniska temperaturer förändras inte bara materialens struktur utan även deras elektriska ledningsförmåga. För att möta dessa krav kan användning av konstantan (en legering av koppar och nickel) vara fördelaktigt, särskilt i flexibla kretskort. Dessa material uppvisar bättre hållbarhet och lägre temperaturberoende resistans, vilket är avgörande för högpresterande tillämpningar som kvantdatorer.

Inom kvantdatorer är det avgörande att hela minnesmodulen är nedsänkt i mycket kalla vätskor, såsom vid 77 K (~ -190 °C). För att säkerställa att sådana moduler fungerar tillförlitligt krävs noggrant val av material för både interconnects och kapsling, eftersom felaktiga materialval kan leda till ökad deformation av modulerna eller problem med lodfogar vid driftstemperaturer på 77 K.

Testning av PCB:s hållbarhet är också en central aspekt av utvecklingen av nya material. Sekventiell testning av komponentnivå kan vara relevant för att bedöma hållbarheten i kombination med olika termiska och fuktiga förhållanden. Detta kan ge värdefull information om PCB:ns långsiktiga prestanda och identifikation av potentiella problemområden, såsom mikrosprickor i lödfogarna, som ofta uppstår vid cyklisk temperatur- och vibrationsbelastning.

För framtida applikationer, som de inom datacenter och SSD-lagring, där vätskekylning är vanligt förekommande, kommer det att vara viktigt att välja material med hög kemisk motståndskraft och noggrant beakta PCB:s resistans mot vätskekorrosion och mekanisk deformation. Med de snabba framstegen inom teknologier för vätskekylning och högpresterande datorer, kommer det att finnas ett ökat behov av att utveckla material som klarar av dessa utmaningar.

Hur påverkar fyllmedel termiska egenskaper i kompositer?

Fyllmedel spelar en avgörande roll i förbättringen av de termiska egenskaperna hos polymerkompositer, särskilt de som används inom elektronik och materialteknik. Epoxikompositer, som ofta används för inslagning och kapsling av elektroniska komponenter, är ett utmärkt exempel på hur valet av fyllmedel kan påverka materialens förmåga att leda bort värme. Termisk ledningsförmåga är en kritisk parameter för dessa kompositer, eftersom den direkt påverkar komponenternas driftstemperatur och därmed deras hållbarhet och funktion.

Boronitrit (BN) och aluminiumoxid (Al2O3) är vanliga fyllmedel som används för att förbättra den termiska ledningsförmågan. Dessa material har överlägsna egenskaper när det gäller att leda värme och bibehålla mekaniska styrkor i höga temperaturer. Boronitrit, i synnerhet hexagonal boronitrit, är särskilt intressant på grund av sina utmärkta termiska och elektriska egenskaper, vilket gör det användbart i avancerade elektroniska förpackningar. Genom att modifiera partiklarna av boronitrit, t.ex. genom att justera isotopkoncentrationer, kan man ytterligare förbättra de termiska egenskaperna och skapa mer effektiva material för specifika tillämpningar.

Utöver de grundläggande fyllmedlen, som boronitrit och aluminiumoxid, har också nanoskaliga fyllmedel som kiselkarbid (SiC) och grafit visat sig ha stor inverkan på kompositernas termiska ledningsförmåga. Nanoskaliga partiklar erbjuder en högre specifik yta och kan ge en mer effektiv termisk överföring genom materialet, vilket är särskilt viktigt i mikroelektroniska komponenter och avancerade minnesmoduler. För att optimera dessa fyllmedel är det viktigt att förstå hur partikelstorleken och deras fördelning i matrisen påverkar den termiska ledningsförmågan.

Studier visar också att förhållandet mellan fyllmedlets storlek och distribution spelar en betydande roll. Om fyllmedlen är ojämnt fördelade i matrisen kan det leda till mikroskopiska defekter som påverkar både den mekaniska styrkan och den termiska ledningen. Därför är det avgörande att kontrollera fördelningen och storleken på partiklarna vid framställningen av kompositer för att maximera deras effektivitet. Till exempel kan ett system med binära fyllmedel, som aluminiumoxid och aluminium-nitrid, ge bättre termisk ledningsförmåga än ett system med en enda typ av fyllmedel.

Förutom förbättringar i den termiska ledningsförmågan är också elektriska egenskaper viktiga att beakta, särskilt i material som används för mikroelektroniska applikationer. För att uppnå en balans mellan elektrisk isolering och termisk ledning, används ofta hybridfyllmedel som kombinerar boronitrit och aluminiumoxid. Dessa kombinationer kan erbjuda en högre termisk ledningsförmåga utan att ge upp elektrisk isolering, vilket är avgörande för många elektroniska tillämpningar.

En annan viktig aspekt att överväga är hur temperaturen påverkar fyllmedlets och kompositens prestanda över tid. Vid högre temperaturer tenderar vissa fyllmedel, som boronkarbid eller kiselkarbid, att behålla sina termiska egenskaper bättre än andra, vilket gör dem mer lämpliga för användning i högtemperaturapplikationer. Detta är särskilt relevant för framtida utveckling av material som används i miljöer med extrema temperaturvariationer eller i applikationer där snabb värmeavledning är avgörande.

En annan faktor som påverkar den långsiktiga hållbarheten hos dessa kompositer är deras förmåga att motstå kemisk nedbrytning, särskilt i aggressiva miljöer. För att förbättra materialens motståndskraft mot kemisk nedbrytning kan ytmodifiering av partiklarna, som boronitrit, vara en effektiv lösning. Genom att modifiera partikelytorna kan man skapa ett skyddande lager som förhindrar korrosion eller andra skador som kan uppstå vid exponering för kemikalier eller höga temperaturer.

En fördjupad förståelse av de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos fyllmedel är därför nödvändig för att designa kompositer med optimala egenskaper för specifika användningar. Det innebär att forskning och utveckling av nya typer av fyllmedel och tekniker för att förbättra deras prestanda kommer att spela en central roll i framtidens materialteknologi, särskilt inom elektronikindustrin och andra högteknologiska områden.