Учёные Томского политехнического университета совместно с коллегами разработали новый подход к созданию теплопередающих поверхностей для материалов, применяемых в системах охлаждения микрочипов современной электроники.
Сейчас для поверхностного охлаждения интегральных схем используют технологии с хладагентами в однофазном или двухфазном состоянии. Однофазные системы работают эффективно лишь при тепловых потоках до 100 Вт/см², поэтому предпочтительны двухфазные системы на основе фазового перехода. Системы капельного орошения хорошо справляются с высокими тепловыми потоками, но их массовое применение ограничено: нужно интенсифицировать испарение капель, контролировать режимы испарения и направлять капли в зоны максимального перегрева.
Ученые предложили перспективный способ решения — создание теплопередающих поверхностей с заданной текстурой и смачиваемостью, поскольку тепло- и массоперенос сильно зависят от типа текстуры, шероховатости и гидрофильно-гидрофобного контраста. Ранее исследования показали, что лазерная модификация металлических поверхностей дает значительные преимущества в этом направлении.
«Мы предложили новый подход по созданию теплопередающих поверхностей с контролируемой смачиваемостью. Он основан на сочетании лазерного текстурирования, лазерной химической модификации и термолиза (термического разложения веществ – ред.) многокомпонентных углеводородсодержащих жидкостей», — отметил руководитель проекта, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Дмитрий Феоктистов.
Для экспериментов взяли образцы из алюминиево-магниевого сплава. В приповерхностном слое наносекундным лазерным излучением создавали нужные текстуры, после чего отдельным участкам поверхности придавали супергидрофобные и супергидрофильные свойства.
Эффективный теплоотвод критически важен для интегральных схем (микрочипов) — основы современной электроники, применяемой почти во всех устройствах (процессорах, смартфонах, компонентах систем ИИ и других). Без новых высокоэффективных методов охлаждения невозможно дальнейшее развитие суперкомпьютеров, беспилотных автомобилей, робототехники и прочих инновационных технологий.
Супергидрофобные свойства получали, комбинируя лазерное облучение с последующей активацией приповерхностного слоя в аргоново-кислородной плазме для адсорбции гидрофобного агента и пришивки алкильных групп из продуктов термолиза моторного масла. Затем на таких поверхностях лазерным излучением формировали сверхгидрофильные области. Полученные бифильные образцы нагревали от 20 до 300 °C в установке для изучения испарения капель.
Исследователи проанализировали конфигурации текстуры и комбинации гидрофильно-гидрофобного контраста в локальных зонах теплопередающих поверхностей, режимы и скорости испарения, конвективные и температурные поля в капле. Благодаря новому подходу впервые удалось оценить, как заданные смачивающие свойства и текстура влияют на охлаждение приповерхностного слоя.
«Для поверхностей теплообмена с пространственно-контролируемым контрастным смачиванием (бифильных поверхностей) скорость испарения не может служить единственным корректным критерием оценки эффективности охлаждения, поскольку традиционный подход, связывающий эффективность охлаждения с интегральной потерей массы капли на поверхности раздела теплоноситель/воздух, является упрощенным и не учитывает специфических механизмов теплообмена на таких поверхностях. Бифильные поверхности с долей супергидрофобной области 30–45% обеспечивают снижение температуры в приповерхностном слое образца в 6 раз больше, чем на контрольных образцах с полированной поверхностью, несмотря на сниженную скорость испарения на 29–74%. Кроме того, оптимальный контраст смачивания сдвигает максимальную эффективность охлаждения в сторону более высоких температур (160 °C против 140 °C для полированной поверхности). Также установлено, что для поверхностей, сочетающих высокую шероховатость с гидрофильными/супергидрофильными областями, эффективность охлаждения при умеренных температурах возрастает до 20 раз», – подчеркнул Дмитрий Феоктистов.
Полученные результаты могут стать основой для нового подхода к проектированию теплопередающих поверхностей с заданными свойствами, которые точно направляют и удерживают капли охлаждающей жидкости в зонах чипа или силового оборудования с наибольшими тепловыми нагрузками.