ODCC-2024浸沒式冷卻液關(guān)鍵電性參數(shù)標定方法研究

浸沒式冷卻液關(guān)鍵電性參數(shù)標定方法研究開放數(shù)據(jù)中心標準推進委員會CCH2025-05001版權(quán)聲明改編、匯編和翻譯出版等侵權(quán)行為，ODCCCCH2025-05001編寫組CCH2025-05001金逸中浙江永太氟樂科技有限公司陳柯江李曉冬南通詹鼎材料科技有限公司周冠良南通詹鼎材料科技有限公司王慧岑殼牌（中國）有限公司孫承志是德科技（中國）有限公司景憲實是孫春甲阿里云計算有限公司鐘楊帆阿里云計算有限公司呂和棟張興星四川華鯤振宇智能科技有限責任公司馬健安新華三技術(shù)有限公司浸沒式冷卻液關(guān)鍵電性參數(shù)標定方法研究CCH2025-05ooi版權(quán)聲明 2編寫組 3前言 1第一章液體電性參數(shù)標定方法綜述 2第1.1節(jié)浸沒式液冷應用概述 2第1.2節(jié)現(xiàn)有測試方法介紹 4第1.3節(jié)微帶線標定法介紹 61.3.1標定原理 71.3.2標定步驟 7第二章標定測試工具板開發(fā)及標定測試介紹 9第2.1節(jié)測試工具板主要技術(shù)指標分解 9第2.2節(jié)工具板CCL選擇 10第2.3節(jié)單點阻抗優(yōu)化 第2.4節(jié)工具板PCB加工難點 第2.5節(jié)測試系統(tǒng)說明 2.5.1工具板物理結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)說明 162.5.2工具板電性特征測試系統(tǒng)說明 24第2.6節(jié)標定測試關(guān)鍵過程說明 252.6.1測試coupon選擇 2.6.2測試環(huán)境架設(shè) 2.6.3擬合仿真設(shè)置 302.6.4與N1501A方法測試結(jié)果比較 37第三章液體參數(shù)標定 38第3.1節(jié)液體A（EC160）電性參數(shù)標定 38第3.2節(jié)液體B（SHW300X）電性參數(shù)標定 38第3.3節(jié)液體C（DOWSILTMICL-1100）電性參數(shù)標定 39第3.4節(jié)液體D（HXL-9104）電性參數(shù)標定 40第3.5節(jié)液體E（HXL-9098）電性參數(shù)標定 40第3.6節(jié)液體F（HXL-9119）電性參數(shù)標定 40第3.7節(jié)液體G（LC-50）電性參數(shù)標定 41第3.8節(jié)液體H（LC-100）電性參數(shù)標定 42第3.9節(jié)液體I（AD40）電性參數(shù)標定 43第3.10節(jié)液體J（S3X）電性參數(shù)標定 44第3.11節(jié)液體K（S5LV）電性參數(shù)標定 44參考文檔 46 47A所用仿真及測試工具、設(shè)備參考廠商及型號列表 47B所有已完成標定的液體廠商、型號及標定結(jié)果匯總列表 48CCH2025-05001前言擬合關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定和與目前主流方法的結(jié)果對1浸沒式冷卻液關(guān)鍵電性參數(shù)標定方法研究CCH2025-05ooi第一章液體電性參數(shù)標定方法綜述浸沒式液冷是將IT設(shè)備浸入比熱容和導熱系數(shù)高的絕緣液體中用自然或強制對流將IT系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的熱量從熱部件傳遞到較高，而兩相液體的沸點較低，適合用于IT設(shè)備冷卻。通常用于兩2CCH2025-05001冷卻液都會直接接觸到IT設(shè)備，因而會改圖1-1浸沒式液冷環(huán)境對系統(tǒng)裕量影響3CCH2025-05001而且，浸沒式冷卻液的關(guān)鍵電性參數(shù)（相對電容率：DK、介質(zhì)圖1-2浸沒式冷卻液DK/DF數(shù)值對互連部件阻抗和插損的影響曲線數(shù)值，對于IT系統(tǒng)在浸沒式液冷環(huán)境中的應用時電氣行為的變化影響評估是一個非常重要的前提條件，直接影響到后續(xù)IT系統(tǒng)的應用第一種，GB/T5654-2007（與IEC第二種，GB/T21216-2007（與IEC61260-1998等同）標準中4CCH2025-05001測試方法原理為在試驗池上施加交變方波電壓的情況下來測量電容因目前IT系統(tǒng)的高速信號已經(jīng)達到數(shù)十千兆赫茲的頻率，第一種和第二方法測得的DK/DF數(shù)值明顯不適用于目前的浸沒式冷卻液DK/DF數(shù)值量測，但因其對DF的量測建議值為0.05還無法覆蓋到浸沒式冷卻液的DF數(shù)值（業(yè)內(nèi)主流浸沒式冷卻液的以PCB表層的傳輸線為例，當液體的DF數(shù)值從0.05減小到0.0015的水平上，PCB走線的插損變化達到了20%以上，如圖1-35CCH2025-05001圖1-3冷卻液不同DF數(shù)值對互連線單位長度插損影響微帶線標定法針對浸沒式冷卻液的標定邏輯為通過在不同外部到與實測插損特性曲線匹配最佳的外部環(huán)境的DK/DF數(shù)值，進而實本方法以工具板微帶線為標定工具，測試過程基本等同于IT系統(tǒng)的實際應用場景，不但可以定性的分析浸沒式冷卻液對IT系統(tǒng)的6CCH2025-05001同決定了微帶線頻域中的插損特性表現(xiàn)；與之對應，在EDA仿真工具中，只要給定了微帶線的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括導體/外圍介質(zhì)的厚度、寬度、表面粗糙度等幾何數(shù)據(jù)）和傳輸線外圍介質(zhì)的電氣參數(shù)（DK/DF數(shù)值就可以運行得到微帶線的一組插損曲線（包括幅微帶線標定法的原理就是利用實測得到的一組微帶線插損曲線線與比較基準曲線基本重合的時候，此時仿真所用的DK/DF數(shù)值即圖1-4微帶線標定法標定原理示意圖7CCH2025-050014.基于多組設(shè)計的物理結(jié)構(gòu)尺寸和空氣環(huán)境下實測結(jié)果進行仿真和測試擬合，得到最貼近實測的各CCL的電性參數(shù),利用預留5.至此，確定了綠油層和PP層這些介質(zhì)層的BestDK/DF，將測1.將實測的液體環(huán)境下插損曲線（S參數(shù)曲線）作為擬合比較的基準，測試板卡的DK和DF數(shù)值作為已知量并設(shè)定為前期得圖1-5擬合仿真過程示意圖8浸沒式冷卻液關(guān)鍵電性參數(shù)標定方法研究CCH2025-05ooi第二章標定測試工具板開發(fā)及標定測試介紹1.油類冷卻液相比較于氟化液冷卻液，通常具有較高的粘度和較差的流動性的特點，為了滿足油類冷卻液樣品的測試需求，在設(shè)計實驗時需要將液面位置范圍擴大，這就要求板厚也進一步加大，計中間core/pp時選擇了較厚的CCL來滿足板厚的需求，建議總不同介厚以及不同物理尺寸的傳輸線，驗證不同尺寸的表層傳輸3.在以往的項目中，我們發(fā)現(xiàn)在實際測試中，在高頻段存在一個諧振峰，這嚴重影響了高頻環(huán)境下的測試，此諧振峰由玻纖效應產(chǎn)化玻纖效應，需要采用板材旋轉(zhuǎn)的解決方法，基于經(jīng)PCB板材旋轉(zhuǎn)1度諧振頻率大約會藍移3GHz，因此為了進一步9CCH2025-050014.不匹配的阻抗會加重反射損耗以及信號衰減，為了進一步降低阻抗失配的影響，首先建議將工具板的整板阻抗控制在±7%以內(nèi)，連接器區(qū)域，建議通過修改SMA部分拓撲，優(yōu)化單點阻抗至5%蓋的單線和綠油層開窗的單線，綠油層開窗單線的阻抗隨綠油層覆蓋的單線線寬進行調(diào)整，保證兩者有相同的線寬和加工補償，的選擇上也建議盡量選用IT設(shè)備主流應用的CCL材質(zhì)。本應用案例中標定測試工具板所用的CCL材料為廣東生益科技一支無鹵超低損耗高耐熱性的材料，于20CCH2025-05001信號反射，減少電磁場的不均勻性和局部集中的現(xiàn)象，優(yōu)化目標為圖2-1單點阻抗優(yōu)化模型及優(yōu)化效果CCH2025-050012.4.1針對標定測試工具板，主要技術(shù)指標為對阻抗控制的高要求，有以下幾點：-單PCS內(nèi),針對外層SMA封裝的coupon,單一coupon內(nèi)的阻抗-同一個DeltaL4.0模組內(nèi)的2/5/10inch三條差分coupon的阻抗2.4.2加工難點分析及解決方案阻抗控制范圍樣品能力為±5.95ohm，均不足以達到±4.25ohm(±5%)厚公差需要控制在±5μm，線寬公差控制在±10μm，銅厚公差控制在CCH2025-050012.4.2.1關(guān)鍵因子管控解決方案4）首件檢驗方面：外層阻抗線，測量最小/最大阻抗線寬，5點CCH2025-05001圖2-2層壓流膠示意圖圖2-3引用測試介厚分布圖1）在產(chǎn)品設(shè)計時，通過優(yōu)化板內(nèi)和板邊的圖形布局，靠近板內(nèi)鋪圓銅點使其流膠均勻，外圍鋪全銅塊割流膠槽進行阻膠，降低PP流膠影響，使板邊和板內(nèi)的介厚保持一致，提升圖2-4常規(guī)板框設(shè)計圖2-5優(yōu)化板框設(shè)計2）產(chǎn)品加工時優(yōu)化壓合參數(shù)（降低升溫速率）以降低PP流膠影響，提升介厚均勻性。CCH2025-05001圖2-6銅缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖2-7電鍍夾點深度不一致分布圖圖2-8電鍍板間距不一致分布圖2.4.3打板生產(chǎn)后的實測效果CCH2025-05001圖2-9測試工具板實物照片及阻抗實測結(jié)果示例2.5.1工具板物理結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)說明切片量測系統(tǒng)是一套通過光學顯微鏡觀測提前制備的PCB板卡CCH2025-05001真空鑲嵌機冷鑲嵌樣品圖2-11真空鑲嵌機及冷鑲嵌樣品CCH2025-05001圖2-12研磨拋光機CCH2025-05001圖2-12金相顯微鏡圖2-13透射照明方式和落射照明方式光路圖CCH2025-05001圖2-14暗場照明方式的光源光路圖以下是針對PCB板卡不同磨拋工藝處理后的截面，用金相顯微(a)低照度（b）高照度圖2-15PCB板卡截面明場照明(5X物鏡，磨拋粒度P2400)CCH2025-05001(a)低照度（b）高照度圖2-16PCB板卡截面明場照明(10X物鏡，磨拋粒度P2400)(a)低照度（b）高照度圖2-17PCB板卡截面明場照明(5X物鏡，磨拋粒度3um)(a)低照度（b）高照度圖2-18PCB板卡截面明場照明(10X物鏡，磨拋粒度3um)從上面的照片中可以看出，磨拋粒度達到P2400時銅層的邊界CCH2025-05001圖2-19PCB板卡截面暗場照明(5X物鏡，磨拋粒度P2400和3um)圖2-20PCB板卡截面暗場照明(10X物鏡，磨拋粒度P2400和3um)CCH2025-05001圖2-21混合照明模式（10X物鏡，磨拋粒度P2400）CCH2025-05001圖2-22工業(yè)CT機原理示意圖2.5.2工具板電性特征測試系統(tǒng)說明PCB板卡電性特征（主要是阻抗和插損）測試系統(tǒng)主要由PNA器、混頻器等有源和無源微波組件的參數(shù)調(diào)試和測試。PNA矢量網(wǎng)PNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供全頻掃描、列表掃描和點頻測量等多CCH2025-05001在測試過程中，首先將PNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到計算機，設(shè)置好測試參數(shù)和掃描頻率范圍。然后，將PCB放入測試夾具中，通頻率掃描，測量PCB在特定頻率下的插損值。測試完成后，可以通輸特性曲線，幫助工程師評估PCB的性能，優(yōu)化設(shè)計，減少信號損圖2-23工具板電性特征測試系統(tǒng)示例圖計了多組coupon，而且表底層的介質(zhì)厚度也做了區(qū)別，在測試開始CCH2025-05001要明顯大于底層的線寬，以寬pitch的線寬越大，阻抗公差更好控制（如下圖所示介厚越大，散射在圖2-24工具板不同層面coupon實則阻抗均值柱狀圖在本應用案例中使用的工具板上，分別設(shè)計了不同類型（單端/差分）、不同差分pitch（寬/窄）、不同綠油覆蓋場景（綠油開窗/CCH2025-05001圖2-25不同設(shè)計pitch、長度及綠油覆蓋場景coupon實物照片表2-1測試coupon匯總表CCH2025-050012.6.2測試環(huán)境架設(shè)圖2-26測試用工具2.為了節(jié)約測試時間，測試液體需要提前通過揚水泵抽送到常溫測圖2-27測試用液體液面高度控制示意3.為了避免不同液體之間的交叉誤差，每種液體均需要配套使用獨CCH2025-05001圖2-28水泵使用場景4.在校準和測試過程中，為了盡量減少測試系統(tǒng)變異對測試結(jié)果的CCH2025-05001圖2-29校準及實測場景對比5.為了盡量減少測試測試系統(tǒng)變異對現(xiàn)場測試結(jié)果的影響，需要盡圖2-30液體批量測試場景2.6.3擬合仿真設(shè)置據(jù)處理軟件，在本應用案例中使用的工具軟件為業(yè)界金標準軟件在HFSS工具中，將介質(zhì)的DK/DF設(shè)置為隨頻率變化的因果性CCH2025-05001這里，ε∞表示相對介電常數(shù)的高頻（或光學）極限，Δε是相對Djordjevic-Sarkar模型的有效相對介電常數(shù)和電導率可以從上CCH2025-05001圖2-31相對介電常數(shù)和損耗角正切的頻率變化曲線則在此頻率范圍之外它會迅速降至零（如果直流電導率不為零，假設(shè)相對介電常數(shù)ε1和損耗角正切tanδ(ω1)在拐角頻率之間的某個頻率ω1處給出。由于損耗角正切決定了直線的斜率，而相對介實踐中未觀察到上轉(zhuǎn)角頻率，因此將其設(shè)置為非常高的值CCH2025-05001基于以上分析，在本應用中，統(tǒng)一選用1GHz下的DK/DF數(shù)值Djordjevic-Sarkar模型進行塊中進行仿真，可以獲得初始插損、相位的差值，將AEDT文件保圖2-32circuit中模塊CCH2025-05001一一個優(yōu)化目標，此優(yōu)化目標利用權(quán)重法，將3個case的插損以及相位用唯一變量表示，其優(yōu)點是opti圖2-33optiSLang中優(yōu)化目標設(shè)置可以在第一次靈敏度分析的基礎(chǔ)上選取第一次分析的最優(yōu)結(jié)果作為圖2-34optiSLang界面示例CCH2025-05001圖2-35optiSLang優(yōu)化結(jié)果示例在獲得最優(yōu)case之后，使用預留的一種測試場景，對提取的最優(yōu)解進行驗證。將最優(yōu)設(shè)計參數(shù)作為PCB圖2-36回歸驗證結(jié)果示例CCH2025-05001行擬合，即可得到一組冷卻液的Dk/Df值。圖2-37液體DK/DF數(shù)值擬合結(jié)果示例用剩余的case進行驗證，得到良好的擬合效果，即可確定冷卻圖2-38液體DK/DF擬合結(jié)果回歸驗證示例CCH2025-050012.6.4與N1501A方法測試結(jié)果比較針對相同的多款液體樣品，分別使用微帶線標定法和是德示。圖2-39微帶線標定法和N1501A方法實測結(jié)果對比CCH2025-05001第三章液體參數(shù)標定EC160是一款由中石油克拉瑪依石化公司提供的碳氫礦物油類EC160經(jīng)過微帶線法標定的液體關(guān)鍵電性參數(shù)結(jié)果如CCH2025-05001揮發(fā)性極小，與服務器組件材料具有良好的兼容性，可保護IT設(shè)備不受環(huán)境濕度、灰塵和振動影響，有效提高IT設(shè)備的可靠性傳導熱量，適用于需要高效散熱的液冷應用場景；此外，ICL-1100還具有良好的電絕緣性能，能夠在電子設(shè)備中提供可靠的值得一提的是，ICL-1100的閃點較高，增加了其安全性。該液體主ICL-1100經(jīng)過微帶線法標定的液體關(guān)鍵電性參數(shù)結(jié)果如CCH2025-05001HXL-9104是一款由朗盛提供的合成碳氫HXL-9098是一款由朗盛提供的合成碳氫CCH2025-05001LC-50是一款由浙江永太氟樂科技有限公司提供的低沸點有機發(fā)熱單元，在發(fā)熱單元溫度達到