3M HFE-7100冷却液两相浸没液冷实测

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背景介绍

随着晶体管密度的不断增加，高性能芯片的发热量也急剧增加。传统的风冷已经不能满足高性能芯片的需求。高热容量的液冷更适合于高功率密度的芯片，如CPU (Central Processing Unit)和GPU (Graphic Processing Unit)，其中两相浸入式冷却由于冷却剂的相变导致传热系数高而受到广泛关注。研究者们对大功率芯片的两相浸没冷却进行了大量的研究工作。Huang等采用两相浸没式冷却对CPU进行超频实验，与风冷相比节能高达24%。Ramakrishnan等人对CPU超频条件下空气、冷板和两相浸没冷却的性能进行了评估。结果表明，采用两相浸没冷却，CPU时钟速率可达51%，热阻最小。Sayed等人进行了一项CPU热性能研究，在HFE-7000两相浸没冷却中，表面电镀多孔涂层进行改性，在大功率模式下，与未改性CPU相比，热阻降低了51%。Avalos等人提出了浸没在两相冷却剂中的扩展堆芯型服务器的部署考虑。Lin等人采用两相浸没冷却的方法实现了900w芯片的最大散热，散热率可达200w /cm²。至于影响因素，El-Genk等人做了大量的工作，包括过冷度、倾角、液体性质、散热器性质和表面条件对沸腾的影响。提供了有价值的实验数据，可供参考。

除了实验工作外，许多数值模拟研究也已发表。An等研究了服务器中单芯片和双垂直芯片的沸腾特性。仿真结果表明，由于两个垂直芯片的热耦合，芯片的最大功耗从225 W降低到185 W。Nguyen等人利用Ansys对多相模型中的多芯片模块进行建模和仿真。该数值模型能较好地预测切屑表面的过热度。Sun和Liu等计算了机柜级两相浸没冷却的效率和性能。当前，服务器的计算密度迅速增加，双芯片或多芯片已成为标准配置。虽然已经进行了一些双芯片和多芯片的仿真工作，但目前的研究缺乏相应的实验结果。

本文利用HFE-7100进行了双芯片和单芯片的沸腾实验，研究了垂直放置的两种芯片在过冷10、20和30 K时的差异和相互作用。记录了铜散热器的热功率和温度。用高速摄像机拍摄沸腾的照片，观察不同热流密度和过冷状态下气泡的运动和形态。然后结合沸腾曲线和气泡流分析了底部切屑沸腾对顶部切屑沸腾的影响。

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成果掠影

近日，浪潮集团Gong Weifeng发布了采用3M的HFE-7100冷却液模拟服务器芯片的两相浸没冷却测试数据。本文报道了HFE7100在10、20、30 K过冷条件下的双片和单片沸腾实验结果。比较了不同过冷度下双片和单片沸腾实验得到的沸腾曲线和总换热系数。结果表明，顶部芯片的散热能力与底部芯片相当，且两者之间的散热差距随着热流密度的增大而增大。但液体过冷对最大间隙影响不大。过冷沸腾的最大热流密度差为7 W/cm² ~ 7.2 W/cm²，最大过热度差为3.7 K ~ 5.9 K。在30 K过冷的控制实验中，双芯片顶部芯片的热流密度始终高于单芯片顶部芯片的热流密度，最大提升约为1 W/cm²。在过冷10和20 K时，低热流密度(< 11 W/cm2)时，双芯片中顶部芯片的热流密度高于单芯片中顶部芯片的热流密度，但低于单芯片中的顶部芯片。因此，在设计垂直布置的双芯片或多芯片服务器时，应考虑顶部和底部芯片散热性能的差异和相互作用，并采取适当的控制策略。研究成果以“Two-Phase Immersion Cooling of Simulated Server Chips Using HFE-7100”为题发表在《IEEE》期刊。

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图文导读

图1 热测试模块 (a)截面示意图，(b)装配图。

图1给出了模拟高功率服务器处理器的热测试模块(TTM)。截面示意图（图1a）显示了TTM的内部结构。具有低导热系数的FR4基板和盖切断了压制和隔热的作用。将厚度为4mm的铜散热器安装在尺寸为15mm × 15mm × 1.3 mm的金属陶瓷加热器上，加热器采用的是厚度为0.2 mm的高导热（3.8 W/m K）热界面材料TIM。两个0.6毫米直径的孔，从暴露的表面2.18毫米，深度为3毫米，10毫米的空间钻在铜散热器的一侧，使用k型热电偶测量铜表面温度。利用有限元软件求解了从孔到铜表面的温度下降问题。用两个热电偶测量的补偿温度的平均值作为表面温度曲线。FR4基板和盖子用4个螺栓紧固，保证铜散热器与加热器接触良好。所有连接处均填充环氧树脂，保证密封性。

图2 两相浸没冷却实验设备及装置

如图2所示，两相浸入式冷却系统的实验设施包括：盛有HFE7100的液罐、垂直放置的两个热测试模块、用于加热液体的罐加热器、用于冷却蒸汽的铜盘管冷凝器、与两个k型热电偶连接的温度计(两个k型热电偶放置在TTM的铜散热器附近，用于测量罐内液体温度)、用于调节罐内压力波动的气囊。Siglent SPD3303X-C直流电源与TTM加热器和水箱加热器连接，多通道温度发射器与安装在铜散热器内的四个热电偶连接，Smacq USB1252数据采集单元，最高帧率为1594的10 Gige高速相机用于拍摄沸腾照片，以及一台计算机。在正式实验前，将HFE-7100煮沸至少30分钟，以排除溶解气体。TTM加热器的电压提高了0.6 V。在18.2 V以上，热流密度约为20 W/cm²时，电压增幅降至0.3 V。记录温度变化小于0.2 K、持续10秒时各电压的稳态温度。对于临界热流密度，我们实验中采用El-Genk提出的方法，即在两个稳定温度内增加大于30 K。直流电源的调节精度为0.01 V。表面温度的总测量不确定度为±1.354 K，由热电偶±1 K、温度变送器±0.9 K和数据采集单元±0.152 K组成。

图3 双片沸腾曲线

图3为10、20、30 K过冷ΔTsub双片实验沸腾曲线，ΔTsub = Tb - Tsat。Tb为罐内液温，Tsat为HFE-7100饱和温度（1atm时334.15 K）。x轴表示曲面过热度ΔTsat = Ts - Tsat， Ts为铜散热器的表面温度。在相同的表面过热条件下，随着罐液过冷度的增大，上、下切屑的热流密度q”均增大。在过冷温度为30k和20k时，沸腾曲线上出现了铜表面完全沸腾的转折点。过冷温度对上下切屑沸腾曲线的影响无显著差异

图4 液体过冷对双片沸腾的影响

对于指定过冷度，如图4所示，底部芯片对顶部芯片的影响是明显的。液体过冷（10、20、30 K）时，顶部薄片的沸腾曲线始终低于底部薄片的沸腾曲线。由图可知，在相同的铜散热器过热度下，顶部芯片的散热能力始终低于底部芯片。热流密度Δq″的差异，顶部和底部芯片随着ΔTsat增大，在临界热流密度附近达到最大值Δq″smax。三个过冷组在过冷30k、20k和10k时的Δq″smax分别为7.2 W/cm² （ΔTsat = 21.5 K）、7.2 W/cm² （ΔTsat = 24.1 K）和7 W/cm² （ΔTsat = 26.2 K）。在相同热流密度q”的情况下，芯片顶部表面的过热度ΔTsat高于芯片底部。两个芯片的过热度差ΔTs也随着热流密度q″的增大而增大，并在高热流密度区域达到最大值ΔTsmax （q″> 15 W/cm²）。三个过冷组在过冷30k、20k和10k时的ΔTsmax分别为4.6 K （q″= 16.4 W/cm²）、3.7 K （q″= 22.2 W/cm²）和5.9 K （q″= 18.5 W/cm²）

图5 双片在不同过冷状态下沸腾的照片

图5为液体过冷时双片沸腾实验照片。选择10 W/cm²、21 W/cm²和临界热流密度三种状态。这些数字表明，随着铜表面热流密度或过热度的增加，蒸汽尺寸和积累量增大。虽然液体温度低于HFE-7100的饱和温度，但从底部芯片分离出来的气泡可以到达顶部芯片。芯片上表面气泡比芯片下表面气泡多。晶片表面气泡尺寸差异由10 W/cm²增大到21 W/cm²。然而，在临界热通量阶段，气泡的这些差异是难以识别的。在10 W/cm2和21 W/cm²状态下，铜散热器表面的过热度差约为4 K，顶部散热器的过热度高于底部散热器。当达到临界热流密度时，过热度差分别降至1.4 K （ΔTsub = 30 K）、0.8 K （ΔTsub = 20 K）和-2.8 K （ΔTsub = 10 K）。在所有过冷（10、20、30 K）实验中，两个底晶片均达到临界热流密度状态，然后进入过渡沸腾状态。

图6 双片在不同过冷状态下的总换热系数

从图6可以看出，在ΔTsat < 20 K时，低液温下的底部和顶部芯片的热系数高于高液温下的热系数，而在ΔTsat > 20 K时，这一趋势发生了反转，特别是最大总换热系数hTmax。随着ΔTsub的减小，hTmax增大。

图7 单片沸腾曲线

利用双芯片实验设备进行了单芯片实验。但只有顶部芯片在10、20和30 K的过冷温度下被加热。图7所示的单片沸腾曲线与图4所示的双片实验结果具有相同的规律。沸点曲线在过冷20和30 K时没有明显的转折点。初始沸腾过程相对平稳，铜表面完全沸腾不会突然发生。

图8 不同过冷度下底部芯片对顶部芯片的影响

图8a为液体过冷（10、20、30 K）双芯片与单芯片实验的芯片顶部沸腾曲线对比图，a区为双芯片实验高于单芯片实验的热流密度，b区为单芯片实验高于双芯片实验的热流密度。在图8a （ΔTsub = 30 K）中，在整个沸腾过程中，双芯片实验的热流密度q″高于单芯片实验。两组沸腾实验q″的绝对差值均小于1 W/cm²，且随ΔTsat的增大而减小。图8b、图8c为交点存在于ΔTsub = 20 K和ΔTsub = 10 K的~11 W/cm²下。在ΔTsub = 20 K时，a区和b区q″的最大绝对差值约为1 W/cm²，这与ΔTsub = 30 K时的实验结果相似。ΔTsub = 10 K时，a区和b区q″的最大绝对差分别为1.99 W/cm²和2.8 W/cm²。对于低于交点的芯片功耗，底部芯片的沸腾过程有利于顶部芯片。

图9 10 K过冷时，双芯片和单芯片实验的顶部芯片沸腾照片

图9为双芯片和单芯片实验在ΔTsub = 10 K时的顶部芯片沸腾过程，这是图7中差异显著的条件。图9b中气泡的数量比图9a大，但图9b中自下而上上升的气泡距离铜散热器表面有一定距离。对于图9d和图9f的高热流密度，与单片实验图9c和图9e相比，从底部上升的气泡聚集在芯片顶部表面，并与芯片顶部产生的气泡聚集在一起。

图10 10、20、30 K过冷时的总换热系数

过冷10、20、30 K时单片机总换热系数hT如图10所示。在低ΔTsat区域（<24 K），液体过冷度越高，顶部芯片的温度越高。然后在高ΔTsat （>24 K）区域趋势逆转，直到转变沸腾。其中受试者的作用与双芯片相同。双芯片和单芯片实验的最大总换热系数hTmax如图11所示。图11a中，顶部和底部芯片的hTmax差异在过冷10、20和30 K时几乎一致。因此，在双芯片实验中，顶部芯片的最大散热能力始终低于底部芯片的最大散热能力，并且在不同过冷度下，这种能力的差异不会随着液体的不同而改变。在图11b中，双芯片和单芯片实验的顶部芯片在ΔTsub = 20 K和ΔTsub = 30 K时的hTmax几乎相同，但单芯片实验的顶部芯片的hTmax比双芯片实验的hTmax高0.47 W/cm²K。

图11 双芯片和单芯片在不同过冷度下的最大总传热系数