2.3.1 Hệ thắ nghiệm
Hệ thắ nghiệm bao gồm 1 máy tắnh ựược ựặt trong phòng kắnh khép kắn, nhiệt ựộ phòng ựược giữ ổn ựịnh nhờ ựiều hòa nhiệt ựộ, ựược kiểm soát bằng nhiệt kế, ựộ ẩm phòng ựược giữ cố ựịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt ựộng 24/24, việc này ựảm bảo ựiều kiện môi trường bên ngoài là như nhau trong mọi thắ nghiệm.
Hình 2.1. Hệ thắ nghiệm khảo sát nhiệt ựộ CPU
Các bộ phận của máy tắnh ựược tháo rời và ựặt xa nhau như hình trên, nhằm ựảm bảo nhiệt ựộ các linh kiện không ảnh hưởng tới nhiệt ựộ của CPU, ựồng thời cũng tạo thuận lợi cho việc vận hành thắ nghiệm.
2.3.2 Thiết bị phần cứng
Cấu hình máy tắnh
Máy vi tắnh ựược sử dụng trong nghiên cứu này có cấu hình: Ớ CPU: Intel Pentium (R) IV 3.06GHz.
Ớ RAM: 512 MB. Ớ HDD: 80 Gb.
Ớ OS: Microsoft Windows XP Professional Service Pack 2.
Ớ Sensor tắch hợp trong CPU ựang dùng là loại TDiode (Thermal Diode) với sai số ổ 0.5 oC. Sự thay ựổi nhiệt ựộ của CPU ựược các sensor này nhận biết và thông qua một mạch biến ựổi ADC chuyển thành tắn hiệu số.
Hình 2.2.Sơ ựồ mạch ựiện ựo nhiệt ựộ CPU
Ngoài ra, trong quá trình chế tạo kem còn sử dụng một số thiết bị hỗ trợ như là cân ựiện tử, máy rung siêu âm, máy khuấy từẦ
2.3.3Các phần mềm hỗ trợ
Ớ Phần mềm Speedfan 4.33
Phần mềm Speedfan có khả năng hiển thị nhiệt ựộ một số linh kiện và thiết bị trong máy vi tắnh như ổ cứng, bo mạch, CPU. Phần mềm Speedfan hiển thị nhiệt ựộ của CPU bằng cách ựọc các sensor nhiệt có trong CPU, các sensor nhiệt này có chức năng kiểm tra sự biến ựổi nhiệt ựộ bên trong CPU, sự thay ựổi này thông qua một mạch biến ựổi ADC chuyển thành tắn hiệu số, tắn hiệu số này ựược Speedfan 4.33 ựọc và hiển thị lên màn hình.
Ớ Phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS
để khảo sát chắnh xác nhiệt ựộ của CPU trong các lần ựo, hoạt ựộng của CPU trong các thời ựiểm tiến hành ựo phải giống nhau. Phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS ựược sử dụng ựể cho CPU hoạt ựộng ở mức tối ựa (full load).
Hình 2.4. Giao diện phần mềm StressPrime 2004ORTHOS
2.3.4Các hóa chất và vật liệu sử dụng
Ớ CNTs
Ống nanô cacbon sử dụng trong luận văn này là loại ống nano cacbon ựa tường do phòng Vật lý và công nghệ linh kiện (nay là Phòng Vật liệu Cácbon Nanô), Viện khoa học vật liệu, Viện KH&CN Việt Nam sản suất bằng công nghệ CVD, sản phẩm có ựường kắnh 10-50 nm, chiều dài từ 1-100 ộm và ựộ sạch trên 95%.
Ớ CNTs biến tắnh (CNTs-COOH)
để tiện trong quá trình thắ nghiệm chúng tôi ựã không thực hiện việc biến tắnh CNTs nữa mà sử dụng CNTs biến tắnh do phòng Vật lý và công nghệ linh kiện, Viện khoa học vật liệu, Viện KH&CN Việt Nam sản suất.
Hình 2.6. Ảnh SEM vật liệu CNTs biến tắnh sử dụng trong thắ nghiệm
Ớ CNTs/pani
Vật liệu CNTs/pani sử dụng trong thắ nghiệm là loại vật liệu CNTs/pani có tỷ lệ tương ứng là 30/70 về khối lượng là những sản phẩm do phòng Vật liệu Cácbon Nanô, Viện khoa học vật liệu, Viện KH&CN Việt Nam nghiên cứu chế tạo.
Ớ Kem tản nhiệt Stars 350
Dạng hộp, trong mỗi hộp chứa 29g kem tản nhiệt Stars. Là dạng kem màu trắng có thành phần chủ yếu là silicon, ựộ dẫn nhiệt vào khảng 0.5 W/m.K.
Hình 2.8. Kem Stars 350
Ớ Kem tản nhiệt AS5
Dạng tắp, trong mỗi tắp chứa 3.5 g kem tản nhiệt, kem có màu tàn thuốc, thành phần chủ yếu là bạc, khoảng làm việc từ -150ồC ựến 125ồC, ựộ dẫn nhiệt khoảng 8W/m.K
Hình 2.9. Kem Arctic siliver 5
Ớ Chloroform
Là dung môi hóa học có công thức hóa học là CHCl3
đây là chất lỏng dễ bay hơi, có tắnh chất phân tán ựều CNTs và hòa tan kem tản nhiệt Stars và AS5, sau khi bay hơi không phá vỡ cấu trúc kem của vật liệu nền là Stars và AS5.
2.4Các bước tiến hành thắ nghiệm2.4.1Quá trình chế tạo kem 2.4.1Quá trình chế tạo kem
Ớ Cân vật liệu ựể pha trộn thành các % khác nhau của CNTs
Ớ Pha trộn các vật liệu bằng phương pháp trộn cơ học, ta thu ựược kem tản nhiệt.
Pha trộn các vật liệu có sử dụng dung môi Chloroform nhằm khuếch tán ựều CNTs, việc khuếch tán CNTs vào dung môi Chloroform sử dụng máy khuấy từ trong 3h, sau ựó cho từ từ vật liệu nền là kem stars hoặc AS5 vào tiếp tục khuấy, sau ựó rung siêu âm sau nhiều giờ cho dung môi Chloroform bay hơi hết ta thu ựược kem tản nhiệt.
2.4.2Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý
Ớ Bôi kem tản nhiệt vào CPU
Hình 2.11. Các bước bôi kem tản nhiệt lên CPU
Ớ điều chỉnh nhiệt ựộ phòng chắnh xác, kiểm tra bằng nhiệt kế. Ớ Khởi ựộng máy tắnh.
Ớ Bật chương trình ựo nhiệt ựộ CPU (Speedfan 4.33). Ớ để máy tắnh chạy ở chế ựộ bình thường trong 1h.
Ớ Bật chương trình chạy full load ựể CPU hoạt ựộng 100% công suất.
Ớ Tắt chế ựộ Full load, ựể CPU hoạt ựộng ở công suất bình thường trong 3h. Ớ Bật chương trình khống chế công suất của CPU ở mức 50%.
Ghi lại số liệu.
2.5Các phương pháp phân tắch
để kiểm tra cấu trúc, thành phần của vật liệu kem tản nhiệt chế tạo ựược chúng tôi ựã sử dụng kắnh hiển vi ựiện tử quét (SEM), phương pháp ựo phổ tán xạ Raman, và phương pháp huỳnh quang tia X (EDX).
2.5.1Kắnh hiển vi ựiện tử quét (SEM)
Kắnh hiển vi ựiện tử quét loại kắnh hiển vi ựiện tử có thể quan sát bề mặt mẫu với ựộ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm ựiện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật ựược thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tắch các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm ựiện tử với bề mặt mẫu vật. Trong kắnh hiển vi ựiện tử quét, ựiện tử ựược phát ra từ súng phóng ựiện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau ựó ựược tăng tốc và hội tụ thành một chùm ựiện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong ựến vài nanômét) nhờ hệ thống thấu kắnh từ. Thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 0 kV ựến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kắnh từ, việc hội tụ các chùm ựiện tử có bước sóng quá nhỏ vào một ựiểm kắch thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Sau ựó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh ựiện. độ phân giải của SEM ựược xác ựịnh từ kắch thước chùm ựiện tử hội tụ, mà kắch thước của chùm ựiện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chắnh vì thế mà SEM không thể ựạt ựược ựộ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, ựộ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và ựiện tử. Khi ựiện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tắch ựược thực hiện thông qua việc phân tắch các bức xạ này. Trong ựó bức xạ tạo bởi các ựiện tử thứ cấp (secondary electrons) chắnh là chế ựộ ghi ảnh thông dụng nhất của kắnh hiển vi ựiện tử quét. Chùm ựiện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) ựược ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các ựiện tử phát ra từ bề mặt mẫu với ựộ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như vậy, chụp ảnh SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu ựể nghiên cứu bề mặt của mẫu trong ựó bức xạ tạo bởi các ựiện tử thứ cấp (secondary electrons) chắnh là chế ựộ ghi ảnh thông dụng nhất của kắnh hiển vi ựiện tử quét. Chùm ựiện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) ựược ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các ựiện tử phát ra từ bề mặt mẫu với ựộ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như vậy, chụp ảnh SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu ựể nghiên cứu bề mặt của mẫu.
Các ảnh SEM của kem tản nhiệt trong luận án này ựược thực ựo trên kắnh hiển vi ựiện tử quét phát xạ trường S - 4800 (hãng Hitachi - Nhật) thuộc Phòng Thắ nghiệm trọng ựiểm Vật liệu và linh kiện ựiện tử - Viện Khoa học Vật liệu, với ựộ phóng ựại của hệ có thể lên ựến 800.000 lần.
2.5.2Phổ Raman
để nghiên cứu các thành phần trong các mẫu kem tản nhiệt chế tạo ựược, chúng tôi ựo phổ tán xạ Micro - Raman. Các mẫu ựều ựược tiến hành ựo phổ tán xạ Raman bằng máy quang phổ Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) ựặt tại viện Khoa học Vật liệu.
Thiết bị dùng nguồn sáng là Laser He - Ne, với cấu hình tán xạ ngược. Như vậy, mẫu ựược kắch thắch bằng ánh sáng có bước sóng 514,5 nm của laser Ar. Mật ựộ công suất kắch thắch thấp ựược sử dụng ựể tránh ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt. Hệ ựo ựược lắp thêm camera và màn hình ựể quan sát vị trắ xẩy ra tán xạ không ựàn hồi ánh sáng kắch thắch trên một diện tắch rất hẹp cỡ micro mét vuông hoặc nhỏ hơn ở trên bề mặt của mẫu. Các mẫu ựo ựược ựặt trên bàn dịch chuyển ba chiều với bước dịch chuyển nhỏ nhất là 0,5 mm. Ngoài ra, hệ ựo còn ựược nối với kắnh hiển vi cho phép ghi phổ với ựộ phân giải không gian tốt hơn. Máy tắnh ựiện tử kết nối trong hệ ựo với chương trình cài ựặt sẵn, cho ta kết quả cuối cùng ựã xử lắ. Phổ ựược hiển thị trên màn hình dưới dạng sự phụ thuộc cường ựộ dao ựộng vào số sóng của các vạch dao ựộng.
2.5.3Phổ huỳnh quang tia X (EDX)
đây là kỹ thuật phân tắch thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm ựiện tử có năng lượng cao trong các kắnh hiển vi ựiện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường ựược viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh Energy Dispersive X-ray Spectroscopy.
Kỹ thuật EDX chủ yếu ựược thực hiện trong các kắnh hiển vi ựiện tử, ở ựó
ảnh vi cấu trúc vật rắn ựược ghi lại thông qua việc sử dụng chùm ựiện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm ựiện tử có năng lượng lớn ựược chiếu vào vật rắn, nó sẽ ựâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp ựiện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn ựến việc tạo ra các tia X có bước sóng ựặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo ựịnh luật Mosley.
Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là ựặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu ựồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tắch EDX nhưng chủ yếu EDX ựược phát triển trong các kắnh hiển vi ựiện tử, ở ựó các phép phân tắch ựược thực hiện nhờ các chùm ựiện tử có năng lượng cao và ựược thu hẹp nhờ hệ các thấu kắnh ựiện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và ựược phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do ựó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần.
2.6Phương pháp mô phỏng
để ựánh giá hiệu quả tản nhiệt của các loại kem tản nhiệt ứng dụng CNTs chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm. Hình 2.12 là mô hình của hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh.
Hình 2.12. Mô hình hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tắnh
Mô hình tản nhiệt ở trên ựược mô tả thông qua một mạch ựiện thể hiện quá trình tản nhiệt như trong hình 2.13. Trong mô hình này:
Ớ I : là công suất nhiệt tỏa ra từ vi xử lý máy tắnh Ớ C1 : nhiệt dung của vi xử lý
Ớ CT : nhiệt dung của kem tản nhiệt
Ớ R1a : nhiệt trở giữa vi xử lý và lớp kem tản nhiệt Ớ R1b : nhiệt trở giữa kem tản nhiệt và quạt tản nhiệt Ớ C : nhiệt dung của quạt tản nhiệt
Mainboard
Aluminum
Copper plate
CNTs/Diamond thermal paste
FAN Air Air Air Air Aluminum Flake `ộ-Processor CPU Slot Aluminum Flake Heat Heat
Ớ R2 : nhiệt trở giữa quạt tản nhiệt với môi trường Ớ U : nhiệt ựộ của môi trường
ộ-processor Thermal Paste Cooling fan
U Evironment I C1 CT C2 R2 R1a R1b
Hình 2.13. Sơ ựồ mạch thể hiện hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý
Vì nhiệt dung của lớp kem tản nhiệt là nhỏ so với nhiệt dung của vi xử lý cũng như quạt tản nhiệt nên trong mô hình trên có thể bỏ qua CT, như vậy mô hình ựược ựơn giản hóa thành sơ ựồ như sau:
U I C1 C2 R2 R1 U1 U2 I1 I2
Hình 2.14. Sơ ựồ mạch hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý ựơn giản hóa
Trong sơ ựồ này:
Ớ R1 = R1a + R1b: nhiệt trở của lớp kem tản nhiệt Ớ U1 : nhiệt ựộ của vi xử lý
Ớ U2 : nhiệt ựộ của kem tản nhiệt
Từ mô hình ựã ựược ựơn giản hóa, chúng ta có thể suy ra hệ phương trình vi phân mô tả quá trình tản nhiệt như sau:
2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 2 ( ) ( ) U U I R U U I R C dU I I dt C dU I I dt − = − = = − = − (16) Trong ựó:
Ớ I1: dòng nhiệt từ vi xử lý ựến quạt tản nhiệt Ớ I2: dòng nhiệt từ quạt tản nhiệt ra môi trường
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng loại vi xử lý Intelệ Pentiumệ 4 Processors 524 (3.06GHz) với kắch thước 1,476Ợ x 1,476Ợ, khối lượng là 21,86 gam, công suất tỏa nhiệt là 84 W và có nhiệt dung là 15,6 J/K.
Quạt tản nhiệt ựược làm bằng vây nhôm và có ựế ựồng với diện tắch 7 cm2, tổng khối lượng là 220 g. để ựơn giản cho quá trình mô phỏng, chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ của vây tản nhiệt bằng với nhiệt ựộ môi trường, ựồng thời bỏ qua nhiệt trở của phần vây bên ngoài. Khi ựó chúng tôi tắnh ựược nhiệt dung của hệ thống quạt tản nhiệt vào khoảng 89J/K và nhiệt trở giữa quạt và môi trường là 0,43 K/W.
Như vậy chúng ta có ựược: I= 84 W, U = 20oC, C1 = 15.6 J/K, C2 = 89 J/K, R2 = 0.43 K/W. Tại thời ựiểm ban ựầu chúng tôi giả thiết nhiệt ựộ vi xử lý, nhiệt ựộ quạt tản nhiệt bằng nhiệt ựộ môi trường, như vậy U1=U2=U=200C. Quá trình mô phỏng ựược thực hiện với những giá trị khác nhau của R1, là nhiệt trở của các lớp kem tản nhiệt khác nhau.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả chụp SEM
để nghiên cứu hình thái học của kem tản nhiệt chúng tôi tiến hành chụp ảnh SEM. Hình 3.1 là ảnh SEM của kem tản nhiệt Arctic silver. Kem Arctic silver 5 có thành phần chủ yếu là bạc, ảnh SEM cho thấy cấu trúc của nó bao gồm nhiều tinh thể bạc có kắch thước khác nhau không ựồng ựều, trong khoảng từ 100nm ựến 500 nm.
Hình 3.1. Ảnh SEM của kem AS 5 ở ựộ phân giải 6.000 lần và 22.000 lần
Với kem tản nhiệt chế tạo bằng phương pháp pha trộn cơ học ựơn thuần, các sợi CNTs bị tụ ựám lại, phân tán không ựều trong kem chế tạo ựược. Hình 3.2 là ảnh SEM của hỗn hợp kem tản nhiệt Star với 5% khối lượng CNTs