隨著電子技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，液體冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用正突破傳統(tǒng)邊界，邁向高性能電子設(shè)備、電動汽車、電信、航空航天等多個細(xì)分市場。

尤其是近日在AI芯片制造領(lǐng)域備受關(guān)注的“微通道水冷板（MLCP）”技術(shù)，以將金屬蓋與液冷板進(jìn)行集成并內(nèi)嵌微通道的方式，來突破現(xiàn)有風(fēng)冷和液冷技術(shù)的極限，從而應(yīng)對AI芯片功耗增長帶來的數(shù)據(jù)中心散熱挑戰(zhàn)。散熱技術(shù)與AI芯片設(shè)計(jì)的協(xié)同演進(jìn)，為金屬增材制造-3D打印技術(shù)帶來了機(jī)遇。金屬3D打印技術(shù)憑借實(shí)現(xiàn)高設(shè)計(jì)自由度的天然屬性，在復(fù)雜微流道設(shè)計(jì)、模塊化集成等方向上與下一代高性能液體冷卻系統(tǒng)有著值得探索的融合路徑。

3D科學(xué)谷將通過熱設(shè)計(jì)專家Expert Thermal所做的液體冷卻冷板設(shè)計(jì)參考，從冷板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)、注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)權(quán)衡、冷板制造技術(shù)及金屬3D打印帶來的設(shè)計(jì)自由度、關(guān)鍵熱考量因素、冷板可靠性測試、未來展望等方面，為致力于推動下一代液體冷卻系統(tǒng)制造的谷友提供些許參考。

本期文章為上篇，聚焦于冷板工作原理、冷板液體冷卻的優(yōu)勢、關(guān)鍵細(xì)節(jié)、注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)權(quán)衡、冷板組裝、拓?fù)鋬?yōu)化的定制冷板通道，此外還將在文末分享我國企業(yè)的3D打印應(yīng)用案例。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

冷板是怎樣工作的？

冷板是液體冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與依賴笨重散熱器和風(fēng)扇通過對流散熱的傳統(tǒng)風(fēng)冷不同，冷板采用閉式回路液體冷卻方法。這種方法以更高效率直接將熱量從高功率元件（如CPU、GPU、內(nèi)存模塊和功率電子器件）帶走。

實(shí)現(xiàn)這一性能的關(guān)鍵在于冷板內(nèi)精密微通道中冷卻劑的循環(huán)。當(dāng)流體流經(jīng)發(fā)熱器件下方時，會吸收熱能并將其攜帶至遠(yuǎn)程熱交換器進(jìn)行安全耗散。這種直接讓液體與熱表面的接觸方式實(shí)現(xiàn)了更快、更均勻的熱量去除，從而實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的溫度控制、提高系統(tǒng)可靠性并延長電子元件的使用壽命。

一個典型的冷板由兩個主要結(jié)構(gòu)部件組成：

基板：包含微通道熱交換器

頂蓋：封閉流體通道并集成進(jìn)口/出口連接器

這兩個部件通過一種永久性連接工藝結(jié)合在一起，該工藝會根據(jù)所選材料（通常是鋁、銅或先進(jìn)復(fù)合合金）進(jìn)行優(yōu)化，例如釬焊、擴(kuò)散焊或焊接。即使在壓力、振動或溫度循環(huán)條件下，連接處也需要在整個冷卻系統(tǒng)使用壽命期間保持液體密封性。

圖：冷板設(shè)計(jì)

管路與頂蓋上的流體端口相連接，形成冷卻液循環(huán)所必需的進(jìn)口與出口流路，使其得以流經(jīng)內(nèi)部通道。

冷板基座被設(shè)計(jì)為與目標(biāo)器件（如處理器或功率模塊）直接接觸。為最大限度降低界面熱阻，需在器件與冷板之間施加 TIM2 材料（熱界面材料，通常為導(dǎo)熱墊或?qū)岣啵?。此舉可確保兩者表面緊密接觸，從而將熱量最大限度地傳導(dǎo)至正下方的液冷微通道中。

關(guān)鍵細(xì)節(jié)決定成敗

• 高導(dǎo)熱材料

銅或鋁因?yàn)閮?yōu)異的導(dǎo)熱性，而被選為大多數(shù)冷板的制造材料。新興設(shè)計(jì)也可能集成石墨復(fù)合材料或其他先進(jìn)材料，以在提升性能的同時減輕重量。

• 通道幾何形狀優(yōu)化

內(nèi)部流動通道的設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯著影響冷卻劑流速、壓降和熱均勻性。微通道密度、翅片幾何形狀和湍流促進(jìn)器都經(jīng)過精細(xì)調(diào)整，以滿足應(yīng)用特定的熱通量要求。

要在熱性能和液壓阻力之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡，需要部署針對幾何靈活性和復(fù)雜性水平定制的多種優(yōu)化方法：

1、尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化的核心在于調(diào)整一組定義部件幾何形狀的有限離散或連續(xù)參數(shù)，例如通道寬度、翅片高度、間距以及壁厚。這些參數(shù)通常對應(yīng)于技術(shù)圖紙和CAD模型中所見的尺寸。

連續(xù)變量（例如，以毫米為單位的通道寬度）適用于基于梯度的優(yōu)化方法（例如，序列二次規(guī)劃、BFGS）。

離散變量（例如，通道數(shù)量或翅片行數(shù)）通常需要全局搜索技術(shù)，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化或模擬退火。

應(yīng)用案例：在給定流速下，為達(dá)到目標(biāo)壓降，選擇冷板中的最優(yōu)翅片間距和通道深度。

2、形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化通過細(xì)化冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和外部曲面，以改善流動分布或最小化熱點(diǎn)。與尺寸優(yōu)化不同，形狀由空間的連續(xù)函數(shù)（例如，貝塞爾曲線、B樣條）描述，這使得設(shè)計(jì)空間是無限維的。

優(yōu)化通常采用基于伴隨法的靈敏度分析來執(zhí)行，即計(jì)算相對于局部形狀擾動的梯度。網(wǎng)格變形或邊界變形技術(shù)常用于CFD耦合框架中。

應(yīng)用案例：優(yōu)化進(jìn)出口集流管，以減少再循環(huán)區(qū)并提升平行微通道間的流動均勻性。

3、拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化通過允許在設(shè)計(jì)域內(nèi)任意位置添加或移除材料，提供了最高程度的設(shè)計(jì)自由度。由此產(chǎn)生的非直觀布局可能包含穿孔、內(nèi)部空腔和分支結(jié)構(gòu)，從而顯著提升熱工水力性能。

兩大主流技術(shù)包括：

基于密度的方法：引入一個連續(xù)的密度場來插值材料分布。

水平集方法：利用隱函數(shù)追蹤演化中的界面，從而實(shí)現(xiàn)更清晰的幾何提取。

這些方法常與懲罰方案（例如，SIMP）結(jié)合使用，并需要為滿足可制造性進(jìn)行正則化處理。

應(yīng)用案例：在空間約束下，設(shè)計(jì)具有分支或樹狀通道的散熱器，以實(shí)現(xiàn)最小熱阻。

4、混合與多目標(biāo)優(yōu)化方法

在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化往往需要在熱阻、壓降、重量、成本及可制造性等多個目標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡?；旌戏椒▽⒉煌夹g(shù)（例如，先進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，再進(jìn)行局部形狀微調(diào)）結(jié)合起來，并輔以代理模型來降低計(jì)算負(fù)荷。

應(yīng)用案例：針對高過載環(huán)境（如航空電子冷卻）下的冷板，協(xié)同優(yōu)化其熱性能和結(jié)構(gòu)性能。

• 外形尺寸與應(yīng)用匹配性

較大的冷板自然能提供更大的傳熱表面積，但最佳效能源于對尺寸、重量和性能需求的平衡。在對重量敏感的應(yīng)用（如航空航天領(lǐng)域），低質(zhì)量的復(fù)合材料可能優(yōu)先于高導(dǎo)熱性金屬。

• 按行業(yè)定制化需求

數(shù)據(jù)中心優(yōu)先考慮熱效率和耐腐蝕性；航空航天領(lǐng)域看重輕量化且耐振動設(shè)計(jì)；而電信系統(tǒng)則要求在緊湊外形下實(shí)現(xiàn)高可靠性。冷板設(shè)計(jì)必須滿足每個行業(yè)獨(dú)特的熱管理和機(jī)械約束條件。

冷板液體冷卻的優(yōu)勢

• 卓越的傳熱性能

液體冷卻的效率比空氣冷卻高出數(shù)個數(shù)量級。由于液體相較于空氣具有更高的密度與比熱容，實(shí)現(xiàn)同等熱量傳遞所需的質(zhì)量流量顯著降低。這一特性使得熱設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊高效的布局，從而應(yīng)對更高的功率密度。微通道液冷板具備對流傳熱系數(shù)高、極限散熱密度大及熱阻低的綜合優(yōu)勢。

• 實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備緊湊化與輕量化

通過冷卻液流動將熱量轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)端，冷板系統(tǒng)減少了電子設(shè)備自身對龐大散熱器或風(fēng)扇的依賴。這有助于打造更小巧、更輕便的系統(tǒng)——對于軍事、航空航天及移動設(shè)備等空間和重量受限的應(yīng)用場景而言尤為關(guān)鍵。

• 提升電子器件性能表現(xiàn)

熱穩(wěn)定的工作環(huán)境使得半導(dǎo)體器件和處理器能夠在無需降頻的情況下更接近其性能極限運(yùn)行。在高性能計(jì)算、電力電子及射頻系統(tǒng)中，這直接轉(zhuǎn)化為處理吞吐量、精度與可靠性的全面提升。

• 支持熱量遠(yuǎn)程排放與回收利用

由于熱交換器與電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了解耦，廢熱可被遠(yuǎn)距離排放至機(jī)柜外、建筑物外部，甚至可重新導(dǎo)向用于加熱其他子系統(tǒng)。這為更大范圍系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱能再利用與能效優(yōu)化創(chuàng)造了新的可能。

注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)權(quán)衡

• 系統(tǒng)復(fù)雜性與集成開銷

盡管電子設(shè)備日益緊湊，但液體冷卻系統(tǒng)通常需要增加冷板、泵、熱交換器和管路等額外組件，這無疑增加了系統(tǒng)體積與復(fù)雜性。部分配置還需膨脹罐或壓力調(diào)節(jié)器來管理冷卻劑的熱膨脹，從而同時增加了設(shè)計(jì)工作量與系統(tǒng)總成本。

• 泄漏與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

液體冷卻系統(tǒng)引入了多種機(jī)械連接件（如接頭、連接處、管路、釬焊點(diǎn)），這些均構(gòu)成潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。水是一種優(yōu)良的冷卻劑，但存在凝固與沸騰的限制，除非經(jīng)過乙二醇改性處理。然而，乙二醇會降低冷卻液的熱容量。替代性冷卻劑（如氨或介電流體）或許在性能或電絕緣性方面具有優(yōu)勢，但往往伴隨毒性、腐蝕性或可燃性等安全隱患。

• 維護(hù)與可服務(wù)性

冷板內(nèi)部依賴狹窄的流道，這些通道長期運(yùn)行后可能積聚雜質(zhì)、發(fā)生腐蝕或堵塞。大多數(shù)冷板的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)（無論是機(jī)加工、釬焊還是3D打印-增材制造成型）是不可現(xiàn)場維護(hù)的，因此必須建立前瞻性的過濾、腐蝕控制與系統(tǒng)沖洗方案，以避免不可逆的性能下降。

• 泵送功率

微通道冷板能夠?qū)崿F(xiàn)極高的傳熱系數(shù)與較低的熱阻，但其代價(jià)是流動阻力的增加。當(dāng)通過減小通道尺寸來強(qiáng)化散熱時，系統(tǒng)壓降會顯著上升，這就要求配置更大功率的泵并導(dǎo)致能耗增加。在設(shè)計(jì)過程中，必須對流體網(wǎng)絡(luò)中的分配均勻性與壓降特性進(jìn)行審慎考量。

冷板組裝：組件與系統(tǒng)集成

一套完整的冷板冷卻解決方案不僅限于冷板本身。它還包括一套輔助性的流體分配組件、連接硬件及可選的安全系統(tǒng)，共同確保無縫集成、可維護(hù)性及運(yùn)行可靠性。

圖：冷板組裝

冷板組件的關(guān)鍵構(gòu)成部分：

• 冷卻液管路

管路將冷板與更大的液冷回路相連，實(shí)現(xiàn)冷卻液的連續(xù)流動。

金屬材質(zhì)選項(xiàng)（如銅、鋁）提供機(jī)械耐久性及高耐壓性。

非金屬材質(zhì)選項(xiàng)（如PTFE、PEX、EPDM）則具備柔韌性及化學(xué)兼容性優(yōu)勢。

管路材料的選擇必須與冷板的流體連接器類型以及系統(tǒng)要求（如彎曲半徑、耐溫范圍與耐化學(xué)性）相匹配。

• 快速接頭

快速接頭可在進(jìn)行日常維護(hù)或設(shè)備檢修時，快速隔離冷板與流體管路，而無需排空整個系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液。這對于保障數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行時間與可維護(hù)性至關(guān)重要。

• 轉(zhuǎn)換連接器（可選）

作為流體管路與快速接頭之間的適配器，轉(zhuǎn)換連接器確保了不同幾何形狀的流體連接器與各類管路標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性。

• 泄漏檢測系統(tǒng)

在流體管路和連接器周圍纏繞泄漏檢測電纜或感應(yīng)繩，可在發(fā)生流體泄漏時實(shí)現(xiàn)早期檢測與報(bào)警。這對于保護(hù)下游電子設(shè)備，并最大限度減少數(shù)據(jù)中心等敏感環(huán)境中的停機(jī)時間至關(guān)重要。

傳統(tǒng)冷板制造

冷板采用多種技術(shù)制造，包括釬焊、攪拌摩擦焊（FSW）、軟釬焊和 O 型圈密封——每種技術(shù)根據(jù)性能、成本和可靠性需求提供獨(dú)特優(yōu)勢。釬焊支持高壓操作并允許集成翅片結(jié)構(gòu)，但成本可能較高且會導(dǎo)致銅退火，從而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。FSW 避免了退火并實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，盡管需要更多的材料和加工時間，增加了總成本。軟釬焊更經(jīng)濟(jì)且避免了熱軟化，但可能導(dǎo)致脆性焊點(diǎn)、空洞以及對于某些翅片幾何形狀（如刮削翅片）的限制。組裝方法的選擇取決于應(yīng)用特定的熱性能、機(jī)械完整性和制造成本之間的權(quán)衡。

圖 ： ToffeeX 冷板

拓?fù)鋬?yōu)化的定制冷板通道

傳統(tǒng)冷板設(shè)計(jì)通常采用橫截面幾何形狀一致的直形或均勻彎曲冷卻流道。雖然制造簡單，但這類設(shè)計(jì)存在若干制約冷卻效率的性能局限：

傳熱效率不足

傳統(tǒng)流道提供的冷卻液與熱源間接觸面積有限，削弱了對流傳熱效果，導(dǎo)致熱性能難以最優(yōu)，尤其在高功率或非均勻熱通量應(yīng)用中更為明顯。

流動特性受限

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的急彎與均勻幾何形狀會引發(fā)流動分離與湍流，既限制冷卻液流速又增加壓降，最終導(dǎo)致流量降低與熱傳輸能力受損。

冷卻分布不均

由于標(biāo)準(zhǔn)流道未考慮發(fā)熱量的空間差異，冷卻液會均勻分配而忽略局部熱通量變化。這造成高負(fù)載區(qū)域形成熱點(diǎn)，其他區(qū)域卻過度冷卻，既浪費(fèi)冷卻能力又危及系統(tǒng)可靠性。

圖：基于拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)合冷板熱設(shè)計(jì)

而拓?fù)鋬?yōu)化通過計(jì)算算法設(shè)計(jì)則針對特定熱力學(xué)與流體動力學(xué)目標(biāo)來定制流體路徑。該方法突破幾何簡潔性的束縛，生成通常僅能通過增材制造（AM）或先進(jìn)機(jī)加工實(shí)現(xiàn)的非直觀高性能流道架構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)勢：

• 強(qiáng)化傳熱效率

定制優(yōu)化的流道路徑最大化接觸面積并精準(zhǔn)覆蓋高熱通量區(qū)域，顯著提升排熱能力。與傳統(tǒng)布局相比，可實(shí)現(xiàn)更高效、更快速的冷卻效果。

• 提升流量與降低壓降

通過減少急彎結(jié)構(gòu)與優(yōu)化流體速度分布，拓?fù)鋬?yōu)化流道有效降低流動阻力。得以在更低泵功下實(shí)現(xiàn)更高冷卻液吞吐量，同步提升冷卻效率與系統(tǒng)能效。

• 組件全域均勻冷卻

與均勻流道設(shè)計(jì)不同，拓?fù)鋬?yōu)化布局使冷卻液分配適配局部發(fā)熱情況，確保溫度均勻性，消除熱點(diǎn)現(xiàn)象，并充分提升冷板覆蓋區(qū)域的熱利用效率。

最后分享兩個來自我國3D打印企業(yè)在液冷散熱領(lǐng)域的應(yīng)用案例：

針/片混合結(jié)構(gòu)銅金屬3D打印樣件

制造商：廣東必極科技有限公司

考慮到芯片散熱不均勻問題，廣東必極科技展示的針/片混合結(jié)構(gòu)3D打印樣件，在最大程度提升散熱比表面積的同時，能夠更有效的針對不同散熱區(qū)域進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，同時通過分流設(shè)計(jì)，降低流阻。

銅金屬3D打印仿生流道樣件

制造商：廣東必極科技有限公司

通過AI軟件自動生成仿生流道，最大限度降低壓阻，降低水泵能耗，以此降低整個液冷系統(tǒng)的PUE值。

未完待續(xù)

下篇將側(cè)重于分享：

金屬

3D

打印帶來的制造自由度、

液冷冷板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵熱考量因素、

冷板可靠性測試、新興市場的未來展望等話題。

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