ODCC-2024浸没式冷却液关键电性参数标定方法研究

浸没式冷却液关键电性参数标定方法研究开放数据中心标准推进委员会CCH2025-05001版权声明改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCCCCH2025-05001编写组CCH2025-05001金逸中浙江永太氟乐科技有限公司陈柯江李晓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壳牌（中国）有限公司孙承志是德科技（中国）有限公司景宪实是孙春甲阿里云计算有限公司钟杨帆阿里云计算有限公司吕和栋张兴星四川华鲲振宇智能科技有限责任公司马健安新华三技术有限公司浸没式冷却液关键电性参数标定方法研究CCH2025-05ooi版权声明 2编写组 3前言 1第一章液体电性参数标定方法综述 2第1.1节浸没式液冷应用概述 2第1.2节现有测试方法介绍 4第1.3节微带线标定法介绍 61.3.1标定原理 71.3.2标定步骤 7第二章标定测试工具板开发及标定测试介绍 9第2.1节测试工具板主要技术指标分解 9第2.2节工具板CCL选择 10第2.3节单点阻抗优化 第2.4节工具板PCB加工难点 第2.5节测试系统说明 2.5.1工具板物理结构测试系统说明 162.5.2工具板电性特征测试系统说明 24第2.6节标定测试关键过程说明 252.6.1测试coupon选择 2.6.2测试环境架设 2.6.3拟合仿真设置 302.6.4与N1501A方法测试结果比较 37第三章液体参数标定 38第3.1节液体A（EC160）电性参数标定 38第3.2节液体B（SHW300X）电性参数标定 38第3.3节液体C（DOWSILTMICL-1100）电性参数标定 39第3.4节液体D（HXL-9104）电性参数标定 40第3.5节液体E（HXL-9098）电性参数标定 40第3.6节液体F（HXL-9119）电性参数标定 40第3.7节液体G（LC-50）电性参数标定 41第3.8节液体H（LC-100）电性参数标定 42第3.9节液体I（AD40）电性参数标定 43第3.10节液体J（S3X）电性参数标定 44第3.11节液体K（S5LV）电性参数标定 44参考文档 46 47A所用仿真及测试工具、设备参考厂商及型号列表 47B所有已完成标定的液体厂商、型号及标定结果汇总列表 48CCH2025-05001前言拟合关键参数设定和与目前主流方法的结果对1浸没式冷却液关键电性参数标定方法研究CCH2025-05ooi第一章液体电性参数标定方法综述浸没式液冷是将IT设备浸入比热容和导热系数高的绝缘液体中用自然或强制对流将IT系统运行过程中产生的热量从热部件传递到较高，而两相液体的沸点较低，适合用于IT设备冷却。通常用于两2CCH2025-05001冷却液都会直接接触到IT设备，因而会改图1-1浸没式液冷环境对系统裕量影响3CCH2025-05001而且，浸没式冷却液的关键电性参数（相对电容率：DK、介质图1-2浸没式冷却液DK/DF数值对互连部件阻抗和插损的影响曲线数值，对于IT系统在浸没式液冷环境中的应用时电气行为的变化影响评估是一个非常重要的前提条件，直接影响到后续IT系统的应用第一种，GB/T5654-2007（与IEC第二种，GB/T21216-2007（与IEC61260-1998等同）标准中4CCH2025-05001测试方法原理为在试验池上施加交变方波电压的情况下来测量电容因目前IT系统的高速信号已经达到数十千兆赫兹的频率，第一种和第二方法测得的DK/DF数值明显不适用于目前的浸没式冷却液DK/DF数值量测，但因其对DF的量测建议值为0.05还无法覆盖到浸没式冷却液的DF数值（业内主流浸没式冷却液的以PCB表层的传输线为例，当液体的DF数值从0.05减小到0.0015的水平上，PCB走线的插损变化达到了20%以上，如图1-35CCH2025-05001图1-3冷却液不同DF数值对互连线单位长度插损影响微带线标定法针对浸没式冷却液的标定逻辑为通过在不同外部到与实测插损特性曲线匹配最佳的外部环境的DK/DF数值，进而实本方法以工具板微带线为标定工具，测试过程基本等同于IT系统的实际应用场景，不但可以定性的分析浸没式冷却液对IT系统的6CCH2025-05001同决定了微带线频域中的插损特性表现；与之对应，在EDA仿真工具中，只要给定了微带线的物理结构参数（包括导体/外围介质的厚度、宽度、表面粗糙度等几何数据）和传输线外围介质的电气参数（DK/DF数值就可以运行得到微带线的一组插损曲线（包括幅微带线标定法的原理就是利用实测得到的一组微带线插损曲线线与比较基准曲线基本重合的时候，此时仿真所用的DK/DF数值即图1-4微带线标定法标定原理示意图7CCH2025-050014.基于多组设计的物理结构尺寸和空气环境下实测结果进行仿真和测试拟合，得到最贴近实测的各CCL的电性参数,利用预留5.至此，确定了绿油层和PP层这些介质层的BestDK/DF，将测1.将实测的液体环境下插损曲线（S参数曲线）作为拟合比较的基准，测试板卡的DK和DF数值作为已知量并设定为前期得图1-5拟合仿真过程示意图8浸没式冷却液关键电性参数标定方法研究CCH2025-05ooi第二章标定测试工具板开发及标定测试介绍1.油类冷却液相比较于氟化液冷却液，通常具有较高的粘度和较差的流动性的特点，为了满足油类冷却液样品的测试需求，在设计实验时需要将液面位置范围扩大，这就要求板厚也进一步加大，计中间core/pp时选择了较厚的CCL来满足板厚的需求，建议总不同介厚以及不同物理尺寸的传输线，验证不同尺寸的表层传输3.在以往的项目中，我们发现在实际测试中，在高频段存在一个谐振峰，这严重影响了高频环境下的测试，此谐振峰由玻纤效应产化玻纤效应，需要采用板材旋转的解决方法，基于经PCB板材旋转1度谐振频率大约会蓝移3GHz，因此为了进一步9CCH2025-050014.不匹配的阻抗会加重反射损耗以及信号衰减，为了进一步降低阻抗失配的影响，首先建议将工具板的整板阻抗控制在±7%以内，连接器区域，建议通过修改SMA部分拓扑，优化单点阻抗至5%盖的单线和绿油层开窗的单线，绿油层开窗单线的阻抗随绿油层覆盖的单线线宽进行调整，保证两者有相同的线宽和加工补偿，的选择上也建议尽量选用IT设备主流应用的CCL材质。本应用案例中标定测试工具板所用的CCL材料为广东生益科技一支无卤超低损耗高耐热性的材料，于20CCH2025-05001信号反射，减少电磁场的不均匀性和局部集中的现象，优化目标为图2-1单点阻抗优化模型及优化效果CCH2025-050012.4.1针对标定测试工具板，主要技术指标为对阻抗控制的高要求，有以下几点：-单PCS内,针对外层SMA封装的coupon,单一coupon内的阻抗-同一个DeltaL4.0模组内的2/5/10inch三条差分coupon的阻抗2.4.2加工难点分析及解决方案阻抗控制范围样品能力为±5.95ohm，均不足以达到±4.25ohm(±5%)厚公差需要控制在±5μm，线宽公差控制在±10μm，铜厚公差控制在CCH2025-050012.4.2.1关键因子管控解决方案4）首件检验方面：外层阻抗线，测量最小/最大阻抗线宽，5点CCH2025-05001图2-2层压流胶示意图图2-3引用测试介厚分布图1）在产品设计时，通过优化板内和板边的图形布局，靠近板内铺圆铜点使其流胶均匀，外围铺全铜块割流胶槽进行阻胶，降低PP流胶影响，使板边和板内的介厚保持一致，提升图2-4常规板框设计图2-5优化板框设计2）产品加工时优化压合参数（降低升温速率）以降低PP流胶影响，提升介厚均匀性。CCH2025-05001图2-6铜缸内部结构示意图图2-7电镀夹点深度不一致分布图图2-8电镀板间距不一致分布图2.4.3打板生产后的实测效果CCH2025-05001图2-9测试工具板实物照片及阻抗实测结果示例2.5.1工具板物理结构测试系统说明切片量测系统是一套通过光学显微镜观测提前制备的PCB板卡CCH2025-05001真空镶嵌机冷镶嵌样品图2-11真空镶嵌机及冷镶嵌样品CCH2025-05001图2-12研磨抛光机CCH2025-05001图2-12金相显微镜图2-13透射照明方式和落射照明方式光路图CCH2025-05001图2-14暗场照明方式的光源光路图以下是针对PCB板卡不同磨抛工艺处理后的截面，用金相显微(a)低照度（b）高照度图2-15PCB板卡截面明场照明(5X物镜，磨抛粒度P2400)CCH2025-05001(a)低照度（b）高照度图2-16PCB板卡截面明场照明(10X物镜，磨抛粒度P2400)(a)低照度（b）高照度图2-17PCB板卡截面明场照明(5X物镜，磨抛粒度3um)(a)低照度（b）高照度图2-18PCB板卡截面明场照明(10X物镜，磨抛粒度3um)从上面的照片中可以看出，磨抛粒度达到P2400时铜层的边界CCH2025-05001图2-19PCB板卡截面暗场照明(5X物镜，磨抛粒度P2400和3um)图2-20PCB板卡截面暗场照明(10X物镜，磨抛粒度P2400和3um)CCH2025-05001图2-21混合照明模式（10X物镜，磨抛粒度P2400）CCH2025-05001图2-22工业CT机原理示意图2.5.2工具板电性特征测试系统说明PCB板卡电性特征（主要是阻抗和插损）测试系统主要由PNA器、混频器等有源和无源微波组件的参数调试和测试。PNA矢量网PNA矢量网络分析仪提供全频扫描、列表扫描和点频测量等多CCH2025-05001在测试过程中，首先将PNA矢量网络分析仪连接到计算机，设置好测试参数和扫描频率范围。然后，将PCB放入测试夹具中，通频率扫描，测量PCB在特定频率下的插损值。测试完成后，可以通输特性曲线，帮助工程师评估PCB的性能，优化设计，减少信号损图2-23工具板电性特征测试系统示例图计了多组coupon，而且表底层的介质厚度也做了区别，在测试开始CCH2025-05001要明显大于底层的线宽，以宽pitch的线宽越大，阻抗公差更好控制（如下图所示介厚越大，散射在图2-24工具板不同层面coupon实则阻抗均值柱状图在本应用案例中使用的工具板上，分别设计了不同类型（单端/差分）、不同差分pitch（宽/窄）、不同绿油覆盖场景（绿油开窗/CCH2025-05001图2-25不同设计pitch、长度及绿油覆盖场景coupon实物照片表2-1测试coupon汇总表CCH2025-050012.6.2测试环境架设图2-26测试用工具2.为了节约测试时间，测试液体需要提前通过扬水泵抽送到常温测图2-27测试用液体液面高度控制示意3.为了避免不同液体之间的交叉误差，每种液体均需要配套使用独CCH2025-05001图2-28水泵使用场景4.在校准和测试过程中，为了尽量减少测试系统变异对测试结果的CCH2025-05001图2-29校准及实测场景对比5.为了尽量减少测试测试系统变异对现场测试结果的影响，需要尽图2-30液体批量测试场景2.6.3拟合仿真设置据处理软件，在本应用案例中使用的工具软件为业界金标准软件在HFSS工具中，将介质的DK/DF设置为随频率变化的因果性CCH2025-05001这里，ε∞表示相对介电常数的高频（或光学）极限，Δε是相对Djordjevic-Sarkar模型的有效相对介电常数和电导率可以从上CCH2025-05001图2-31相对介电常数和损耗角正切的频率变化曲线则在此频率范围之外它会迅速降至零（如果直流电导率不为零，假设相对介电常数ε1和损耗角正切tanδ(ω1)在拐角频率之间的某个频率ω1处给出。由于损耗角正切决定了直线的斜率，而相对介实践中未观察到上转角频率，因此将其设置为非常高的值CCH2025-05001基于以上分析，在本应用中，统一选用1GHz下的DK/DF数值Djordjevic-Sarkar模型进行块中进行仿真，可以获得初始插损、相位的差值，将AEDT文件保图2-32circuit中模块CCH2025-05001一一个优化目标，此优化目标利用权重法，将3个case的插损以及相位用唯一变量表示，其优点是opti图2-33optiSLang中优化目标设置可以在第一次灵敏度分析的基础上选取第一次分析的最优结果作为图2-34optiSLang界面示例CCH2025-05001图2-35optiSLang优化结果示例在获得最优case之后，使用预留的一种测试场景，对提取的最优解进行验证。将最优设计参数作为PCB图2-36回归验证结果示例CCH2025-05001行拟合，即可得到一组冷却液的Dk/Df值。图2-37液体DK/DF数值拟合结果示例用剩余的case进行验证，得到良好的拟合效果，即可确定冷却图2-38液体DK/DF拟合结果回归验证示例CCH2025-050012.6.4与N1501A方法测试结果比较针对相同的多款液体样品，分别使用微带线标定法和是德示。图2-39微带线标定法和N1501A方法实测结果对比CCH2025-05001第三章液体参数标定EC160是一款由中石油克拉玛依石化公司提供的碳氢矿物油类EC160经过微带线法标定的液体关键电性参数结果如CCH2025-05001挥发性极小，与服务器组件材料具有良好的兼容性，可保护IT设备不受环境湿度、灰尘和振动影响，有效提高IT设备的可靠性传导热量，适用于需要高效散热的液冷应用场景；此外，ICL-1100还具有良好的电绝缘性能，能够在电子设备中提供可靠的值得一提的是，ICL-1100的闪点较高，增加了其安全性。该液体主ICL-1100经过微带线法标定的液体关键电性参数结果如CCH2025-05001HXL-9104是一款由朗盛提供的合成碳氢HXL-9098是一款由朗盛提供的合成碳氢CCH2025-05001LC-50是一款由浙江永太氟乐科技有限公司提供的低沸点有机发热单元，在发热单元温度达到