Tản nhiệt bằng đồng và giải pháp làm mát

Giới thiệu

Đồng từ lâu đã là một trong những vật liệu quan trọng nhất trong làm mát thiết bị điện tử, nhờ khả năng dẫn nhiệt và độ tin cậy vượt trội. Khi mật độ công suất trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, máy chủ và trung tâm dữ liệu AI tiếp tục tăng, đồng đã phát triển từ vật liệu tản nhiệt truyền thống thành một yếu tố cốt lõi cho phép phát triển công nghệ tản nhiệt thế hệ tiếp theo. giải pháp làm mátBài viết này khám phá những nguyên tắc cơ bản về hiệu suất nhiệt của đồng, các loại thành phần chính của đồng và vai trò của nó trong các công nghệ làm mát mới nổi.

Tại sao lại là Đồng? Tính chất Nhiệt của Lõi

• Độ dẫn nhiệt cao:Độ dẫn nhiệt của đồng đạt tới 401 W/(m·K)chỉ đứng sau bạc nhưng giá thành chỉ bằng một phần nhỏ.
• Nhiệt dung riêng:Tại 385 J/(g·K), đồng hấp thụ và lưu trữ nhiệt hiệu quả.
• Điểm nóng chảy:1083°C, vượt xa phạm vi hoạt động của các thiết bị điện tử, đảm bảo tính ổn định.
• Cấu trúc tinh thể:Mạng tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) cho phép electron di chuyển tự do, giúp truyền nhiệt nhanh chóng.

So với nhôm (237 W/(m·K)), đồng mang lại lợi thế hiệu suất rõ ràng trong các ứng dụng mật độ công suất cao như GPU, CPU và trạm gốc 5G.

Linh kiện làm mát lõi đồng

1. Tấm đế đồng

• Chức năng:Tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt (CPU, GPU, module LED).
• Thông số kỹ thuật:Độ dày 3–10 mm; độ phẳng ≤0,05 mm; độ dẫn điện ≥380 W/(m·K).
• Ứng dụng:Bộ làm mát CPU máy chủ, mô-đun LED.

2. Lá đồng

• Chức năng:Lớp tản nhiệt siêu mỏng.
• Thông số kỹ thuật:Độ dày 0,5–0,3 mm; dễ dập.
• Ứng dụng:Làm mát SoC cho điện thoại thông minh, PCB linh hoạt.

3. Khối đồng

• Chức năng:Lưu trữ và khuếch tán nhiệt cục bộ.
• Thông số kỹ thuật:Thể tích 5–50 cm³.
• Ứng dụng:Mô-đun bộ nhớ GPU, mô-đun RF trong trạm gốc 5G.

Linh kiện truyền nhiệt tiên tiến

Ống dẫn nhiệt

• Kết cấu:Ống đồng, bấc thiêu kết, chất lỏng làm việc.
• Hiệu suất:Độ dẫn nhiệt hiệu dụng 5000–10000 W/(m·K).
• Ứng dụng:CPU máy tính xách tay, mô-đun làm mát GPU.

Buồng hơi

• Kết cấu:Khoang đồng phẳng có các kênh siêu nhỏ.
• Thuận lợi:Sự lan tỏa nhiệt 2D; diện tích khuếch tán lớn hơn ống dẫn nhiệt từ 3–5 lần.
• Ứng dụng:Điện thoại thông minh cao cấp, máy tính xách tay siêu mỏng.

Phần mở rộng tản nhiệt bằng đồng

• Vây đồng:Độ dày 1–0,3 mm, được tối ưu hóa cho sự nhiễu loạn và đối lưu.
• Bộ tản nhiệt bằng đồng:Được sử dụng trong các vòng làm mát bằng chất lỏng cho HPC và trung tâm dữ liệu.

Đồng trong hệ thống làm mát bằng chất lỏng

• Tấm đồng lạnh:Thiết kế kênh vi mô (0,5–2 mm) có khả năng xử lý thông lượng nhiệt >100 W/cm².
• Phụ kiện ngắt kết nối nhanh:Đồng mạ niken, thiết kế chống rò rỉ để bảo trì trung tâm dữ liệu.

Công nghệ đồng sáng tạo

• Bấc đồng thiêu kết:Dùng cho ống dẫn nhiệt và buồng hơi.
• Tản nhiệt bằng đồng in 3D:Cấu trúc được tối ưu hóa về mặt cấu trúc với diện tích bề mặt lớn hơn tới 3 lần.
• Mạ đồng trên nhựa/nhôm:Tản nhiệt cục bộ tiết kiệm chi phí.

Đồng trong thiết bị điện tử 3C

• Điện thoại thông minh:Lá đồng + buồng hơi làm giảm nhiệt độ SoC từ 8–12°C so với tấm than chì.
• Máy tính xách tay:Thiết kế kết hợp ống dẫn nhiệt đa năng và buồng hơi đạt được thông lượng nhiệt lên tới 80 W/cm².
• Thiết bị đeo được & Tai nghe TWS:Màng đồng siêu mỏng và lớp phủ đồng cải thiện khả năng truyền nhiệt mà không làm tăng trọng lượng.

Đồng trong máy chủ AI và trung tâm dữ liệu

• Làm mát GPU/CPU:Tấm làm mát GPU NVIDIA H100 sử dụng các kênh đồng siêu nhỏ (đường kính thủy lực 0,5 mm) có điện trở nhiệt cực thấp (0,08°C/W).
• Làm mát ngâm:Ống đồng nguyên chất có lớp phủ thụ động chịu được môi trường chất lỏng điện môi.
• Mô-đun nguồn:Chất nền liên kết đồng trực tiếp (DCB) và thanh đồng cho phép có điện trở thấp và độ tin cậy cao.

Thách thức và định hướng tương lai

• Trọng lượng và chi phí:Đồng nặng hơn và đắt hơn nhôm. Các giải pháp bao gồm vật liệu composite đồng-graphite, đồng xốp và đồng tái chế (tái sử dụng lên đến 95%).
• Sản xuất tiên tiến:In 3D, mối nối nano thiêu kết và mảng đồng vi phun giúp giảm điện trở nhiệt so với gia công truyền thống.
• Vật liệu lai:Vật liệu composite đồng-kim cương và đồng-graphene hướng tới độ dẫn điện cực cao (>600 W/m·K), mặc dù chi phí vẫn là một rào cản.

Phần kết luận

Hiệu suất nhiệt vô song của đồng đảm bảo vai trò liên tục của nó trong làm mát điện tử công suất cao. Trong khi những thách thức về trọng lượng và chi phí vẫn còn, những đổi mới trong vật liệu composite đồng, sản xuất phụ gia và tích hợp làm mát bằng chất lỏngđang chuyển đổi đồng từ vật liệu cơ bản thành một công cụ chiến lược cho việc quản lý nhiệt thế hệ tiếp theo.

Khi các thiết bị 3C đòi hỏi các giải pháp siêu mỏng và máy chủ AI vượt quá 40 kW mỗi giá đỡ, đồng sẽ vẫn là cốt lõi của quản lý nhiệt - phát triển từ những cải tiến gia tăng đến sự đổi mới đột phá thực sự.