Tecnologias de fabricação de placas frias e principais desafios

Com a evolução contínua da eletrônica de alta potência em setores como data centers, veículos elétricos, armazenamento de energia e computação de alto desempenho, o gerenciamento térmico tornou-se um fator crítico para a confiabilidade e eficiência dos sistemas. As soluções tradicionais de resfriamento a ar são cada vez mais insuficientes para as aplicações atuais de alto fluxo térmico. Como resultado, a placa fria líquida, também conhecida como dissipador de calor resfriado a líquido, tornou-se um componente essencial dos modernos sistemas de resfriamento com placa fria.

Este artigo oferece uma visão geral abrangente da tecnologia de placas frias com refrigeração líquida, abordando princípios de funcionamento, tipos típicos de placas frias, desafios de fabricação e processoos avançados de união. Seu objetivo é auxiliar engenheiros e tomadores de decisão a compreender melhor as soluções de refrigeração líquida com placas frias e selecionar a abordagem mais adequada para suas aplicações.

1. O que é uma placa fria líquida?

Uma placa fria líquida (também chamada de placa de resfriamento líquido ou placa fria de resfriamento a água) é um dispositivo de transferência de calor que remove o calor de componentes de alta potência através da circulação de fluido refrigerante por canais internos.

O princípio básico de funcionamento do resfriamento por placa fria é o seguinte:

1. O calor é gerado por componentes eletrônicos como CPUs, GPUs, módulos de energia ou baterias.

2. O calor é conduzido do dispositivo para o dissipador de calor da placa fria por contato direto.

3. O líquido refrigerante circula por canais internos, absorvendo e dissipando o calor.

4. O líquido aquecido é transferido para um trocador de calor externo para dissipação.

Em comparação com o resfriamento a ar, as placas de resfriamento a água oferecem:

• maior eficiência de transferência de calor

• distribuição de temperatura mais uniforme

• integração de sistema compacto

• Desempenho superior em ambientes de alto fluxo térmico

Em aplicações computacionais, o mesmo princípio é aplicado em blocos de água para CPU, blocos de resfriamento para CPU e GPUs com designs de bloco de água, onde um bloco de água compacto resfria diretamente os processoadores.

2. Tipos típicos de placas frias líquidas e seus desafios

Diferentes aplicações exigem diferentes estruturas de placas frias para líquidos. A seleção de materiais, o projeto dos canais internos e os métodos de fabricação impactam diretamente o desempenho, o custo e a confiabilidade.

2.1 placa fria líquida do tipo tubo-em-placa

Os sistemas de refrigeração do tipo "tubo em placa" incorporam tubos de metal em uma placa de base para formar canais de refrigeração.

vantagens:

• estrutura simples

• baixo custo de fabricação

• Adequado para aplicações de baixa a média potência.

desafios:

• A densidade limitada dos canais reduz a eficiência de resfriamento.

• Múltiplas interfaces térmicas aumentam a resistência térmica.

• A combinação de tubos de cobre e placas de alumínio pode causar corrosão galvânica.

• Não é adequado para sistemas de refrigeração de placa fria de alto desempenho.

2.2 placa de resfriamento líquido perfurada a canhão

A perfuração com canhão cria canais internos retos dentro de uma placa de metal sólida, que são então selados nas extremidades.

vantagens:

• alta resistência mecânica

• superfícies internas lisas do canal

• confiável para cargas térmicas moderadas

desafios:

• Os canais retos limitam a flexibilidade do projeto.

• É difícil fabricar placas com mais de 500 mm de comprimento com alta precisão.

• Os tampões de extremidade são pontos potenciais de vazamento.

• menos adequado para projetos térmicos complexos

2.3 placa fria líquida brasada

Uma placa fria líquida brasada é produzida usinando canais de fluxo em uma placa de base e unindo permanentemente uma placa de cobertura por meio de brasagem a vácuo.

vantagens:

• Permite projetos complexos de canais internos

• excelente desempenho térmico

• distribuição uniforme de temperatura

• Comumente utilizado em sistemas de refrigeração líquida de alta qualidade.

desafios:

• requer fornos de brasagem a vácuo dispendiosos

• ciclos de produção longos (6 a 8 horas por lote)

• alta sensibilidade à limpeza da superfície e ao controle do processoo

• Custo de fabricação mais elevado e flexibilidade limitada

2.4 placa fria de tubo embutido

Nesse projeto, tubos curvados são prensados, soldados ou colados em uma placa de base.

vantagens:

• roteamento de canal mais flexível do que tubos de montagem em superfície

• Compatível com tubos de alumínio, cobre ou aço inoxidável.

desafios:

• processoo de montagem complexo

• A consistência da qualidade depende muito da mão de obra.

• As versões brasadas são caras e difíceis de reparar.

3. Comparação do processoo de fabricação de placas frias líquidas

O desempenho e a confiabilidade de uma placa de resfriamento líquido dependem muito da tecnologia de junção e vedação utilizada. Diferentes métodos de fabricação apresentam vantagens e desvantagens distintas.

3.1 Tecnologias de junção comuns

3.2 Soldagem por fricção para placas frias líquidas

A soldagem por fricção (FSW, do inglês Friction Stir Welding) é um processoo de união no estado sólido que produz calor por meio de fricção mecânica, em vez de fundir o material.

As principais vantagens da fabricação de placas frias líquidas incluem:

• sem derretimento, preservando a condutividade térmica original.

• Soldas densas e sem vazios, com risco de vazamento praticamente nulo.

• Alta resistência mecânica, próxima à do material base.

• Ciclos de soldagem curtos, ideais para automação.

• custos de fabricação 2 a 10 vezes menores do que a brasagem

A tecnologia FSW está sendo cada vez mais adotada para placas frias líquidas OEM, placas de refrigeração líquida ODM e placas frias personalizadas de alto volume.

4. Cenários de aplicação

As placas frias líquidas são amplamente utilizadas em aplicações que exigem gerenciamento térmico de alto desempenho, incluindo:

• Centros de dados e servidores (bloco de resfriamento de CPU, melhores soluções de blocos de água para CPU)

• Aceleradores de IA e GPUs com sistemas de waterblock

• eletrônica de potência para veículos elétricos

• baterias e sistemas de armazenamento de energia

• equipamentos de telecomunicações e infraestrutura 5G

• Fontes de alimentação e inversores industriais

5. Fatores-chave na escolha de uma placa fria para líquidos

Ao selecionar uma placa fria líquida personalizada, os seguintes fatores devem ser avaliados:

• carga térmica e densidade de fluxo de calor

• tipo de fluido refrigerante e pressão de operação

• condições ambientais

• requisitos de confiabilidade e vida útil

• metas de custo e volume de produção

• necessidades de personalização e integração

Trabalhar com um fabricante experiente de placas frias líquidas garante o equilíbrio ideal entre desempenho, confiabilidade e custo.

A placa fria líquida é um componente crítico nos modernos sistemas de refrigeração líquida com placa fria. Embora soluções tradicionais, como tubos embutidos em placas e projetos com furos de canhão, ainda sejam viáveis para certas aplicações, processoos avançados como brasagem a vácuo e soldagem por fricção estão impulsionando o setor.

Dentre essas opções, as placas de resfriamento líquido soldadas por fricção oferecem o melhor equilíbrio entre:

• desempenho térmico

• resistência mecânica

• confiabilidade à prova de vazamentos

• eficiência de custos

Com a crescente demanda por refrigeração de alto desempenho, as placas frias personalizadas, as placas frias líquidas OEM e as placas de refrigeração líquida ODM desempenharão um papel cada vez mais importante nas soluções de gerenciamento térmico de próxima geração.