Biến động nhiệt độ nước làm mát ảnh hưởng thế nào đến tỷ lệ sản phẩm tốt của thiết bị điện tử

Trong một nhà máy đóng gói bán dẫn hàng đầu, kỹ sư quy trình Zhang đang nhìn vào đường cong tỷ lệ đạt giảm mạnh trên màn hình. Trong bốn giờ vừa qua, xưởng ép khuôn liên tục xuất hiện ba lô sản phẩm nứt vỡ, khiến lượng chip trị giá hàng trăm nghìn USD trở thành phế phẩm. Tất cả thông số thiết bị sản xuất đều hiển thị bình thường, nhiệt độ và độ ẩm phòng sạch ổn định, ngay cả chuyên gia Nhật Bản nhiều kinh nghiệm nhất cũng chưa tìm ra nguyên nhân.

Cho đến khi Zhang tình cờ nhìn vào hệ thống giám sát tiện ích, anh phát hiện một chi tiết bị mọi người bỏ qua: trong khoảng thời gian tỷ lệ đạt giảm mạnh, nhiệt độ nước ra của tháp giải nhiệt trên mái nhà máy do một trận mưa lớn bất ngờ đã dao động mạnh từ mức đặt 32°C xuống 28°C, sau đó nhanh chóng bật lại lên 34°C sau khi mưa tạnh. Chỉ vài độ dao động nước này, thông qua bộ trao đổi nhiệt, đã truyền đến thiết bị quy trình chính xác và trở thành tác nhân vô hình phá hủy chip.

Trong sản xuất điện tử chính xác, giám đốc nhà máy thường sẵn sàng chi hàng triệu USD để mua thiết bị sản xuất tiên tiến, nhưng lại dễ thỏa hiệp với hệ thống làm mát trị giá vài trăm nghìn USD. Điều họ không biết là một tháp giải nhiệt không ổn định về kiểm soát nhiệt có thể làm mất giá trị nỗ lực của cả dây chuyền sản xuất.

Dao động nhỏ của nhiệt độ nước làm mát truyền qua bộ trao đổi nhiệt đến thiết bị quy trình, gây ứng suất nhiệt vật liệu và tổn thất tỷ lệ đạt.

Phân tích nguyên lý vật lý: Vài độ chênh lệch nhiệt có thể làm nứt chip như thế nào?

Để hiểu sức phá hoại của dao động nhiệt độ nước làm mát đối với thiết bị điện tử, cần đi sâu xuống tầng vi mô của khoa học vật liệu. Trong đóng gói bán dẫn, chẳng hạn liên kết chip và ép khuôn, hoặc trong sản xuất PCB độ chính xác cao, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ bên trong thiết bị thường phải đạt ±0,5°C hoặc thấp hơn.

Khi nhiệt độ nước ra của tháp giải nhiệt dao động mạnh, dao động này sẽ nhanh chóng truyền đến thiết bị quy trình thông qua chiller hoặc mạch làm mát trực tiếp. Theo nguyên lý giãn nở nhiệt trong cơ học vật liệu, các vật liệu khác nhau, chẳng hạn chip silicon, dây dẫn kim loại và vật liệu đóng gói bằng nhựa, có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau rõ rệt. Khi nhiệt độ bên trong thiết bị thay đổi do dao động nhiệt độ nước làm mát, các vật liệu dị thể được liên kết chặt với nhau sẽ giãn nở hoặc co lại ở các mức độ khác nhau.

Biến dạng không đồng nhất này tạo ra ứng suất nhiệt rất lớn tại bề mặt tiếp giáp vật liệu. Khi ứng suất nhiệt vượt quá giới hạn chảy hoặc giới hạn mỏi của vật liệu, nó có thể tạo ra vết nứt vi mô, làm đứt mối hàn, thậm chí trực tiếp làm vỡ chip. Đây là lý do trong sản xuất bán dẫn, “dao động” nhiệt độ thường gây hại hơn nhiệt độ cao tuyệt đối.

Theo các hướng dẫn của ASHRAE về làm mát trung tâm dữ liệu và môi trường chính xác, khi nhiệt độ cấp nước làm mát lệch khỏi giá trị đặt 1°C, rủi ro hư hỏng thiết bị chính xác hoặc tổn thất tỷ lệ đạt có thể tăng nhanh theo dạng phi tuyến.

Giải pháp vật lý của COOLTEK: Dùng kết cấu ngược dòng để giữ chặt giới hạn nhiệt độ

Trước yêu cầu gần như không chấp nhận dao động nhiệt độ nước làm mát trong sản xuất chính xác, tháp giải nhiệt dòng ngang truyền thống thường khó đáp ứng. Trong tháp dòng ngang, không khí và nước tiếp xúc chéo 90°, hiệu suất trao đổi nhiệt dễ bị ảnh hưởng bởi tốc độ gió ngoài trời, hướng gió và hiện tượng cáu cặn cục bộ trong lớp đệm. Một cơn gió mạnh hoặc một máng nước bị nghẹt nhẹ ở một bên đều có thể khiến nhiệt độ nước ra lệch vài độ trong thời gian ngắn.

Để kiểm soát ranh giới dao động nhiệt độ từ tầng vật lý, dòng COOLTEK LHN sử dụng cấu trúc trao đổi nhiệt ngược dòng 180° (Counterflow).

Trong thiết kế ngược dòng của LHN, không khí đi từ dưới lên và tiếp xúc hoàn toàn ngược chiều với nước nóng phun từ trên xuống. Cấu trúc này tạo ra động lực chênh lệch nhiệt độ lớn nhất về mặt nhiệt động học, giúp quá trình trao đổi nhiệt ổn định hơn. Quan trọng hơn, LHN sử dụng hệ thống phân phối nước bằng vòi phun áp lực. Khác với máng nước trọng lực của tháp dòng ngang, vốn dễ bị ảnh hưởng bởi độ cân bằng, vòi phun áp lực có thể cưỡng bức phun nước nóng thành các giọt rất nhỏ và đồng đều, bảo đảm diện tích tiếp xúc khí–nước trên toàn bộ tiết diện lớp đệm vẫn đồng đều bất kể hướng gió ngoài trời thay đổi.

Thiết kế trao đổi nhiệt này giúp LHN ổn định độ tiếp cận giữa nhiệt độ nước ra và nhiệt độ bầu ướt địa phương trong phạm vi rất nhỏ 3–5°C. Điều đó có nghĩa là ngay cả vào các buổi chiều mùa hè tại Việt Nam khi thời tiết thay đổi khó lường, LHN vẫn có thể vận hành như một thiết bị kiểm soát nhiệt ổn định, cung cấp nước làm mát gần với nhiệt độ đặt và giữ dao động nhiệt trong giới hạn cho phép của quy trình.

Đồng thời, ở lưu lượng tiêu chuẩn 500 m³/h, diện tích chiếm chỗ của LHN chỉ là 25,00 m², tiết kiệm tới 23,8% không gian so với tháp dòng ngang cùng lưu lượng. Điều này có ý nghĩa thực tế đối với môi trường quanh phòng sạch bán dẫn và khu thiết bị điện tử mật độ cao, nơi diện tích rất hạn chế.

Xác nhận theo quy phạm: Tiêu chuẩn khắt khe của làm mát chính xác

Trong sản xuất điện tử chính xác, thiết kế hệ thống làm mát phải tuân theo các tiêu chuẩn ngành nghiêm ngặt.

SEMI, hiệp hội quốc tế về thiết bị và vật liệu bán dẫn, trong các tiêu chuẩn cơ sở của mình, đưa ra yêu cầu rất cao đối với độ ổn định nhiệt độ, độ sạch nước và dao động áp suất của hệ thống nước làm mát. Bất kỳ hệ thống làm mát nào lệch khỏi các yêu cầu này đều có thể trở thành rủi ro lớn đối với dây chuyền sản xuất giá trị cao.

Về xác nhận hiệu suất nhiệt, CTI STD-201 là tiêu chuẩn thử nghiệm được công nhận rộng rãi trên toàn cầu cho tháp giải nhiệt. QCVN 09:2013/BXD do Bộ Xây dựng Việt Nam ban hành cũng viện dẫn trực tiếp tiêu chuẩn này.

Tài liệu tham chiếu: ASHRAE Thermal Guidelines for Data Processing Environments; CTI STD-201; QCVN 09:2013/BXD.