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

尤其是近日在AI芯片制造領域備受關注的“微通道水冷板（MLCP）”技術，以將金屬蓋與液冷板進行集成并內嵌微通道的方式，來突破現(xiàn)有風冷和液冷技術的極限，從而應對AI芯片功耗增長帶來的數(shù)據(jù)中心散熱挑戰(zhàn)。散熱技術與AI芯片設計的協(xié)同演進，為金屬增材制造-3D打印技術帶來了機遇。金屬3D打印技術憑借實現(xiàn)高設計自由度的天然屬性，在復雜微流道設計、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科學谷將通過熱設計專家Expert Thermal所做的液體冷卻冷板設計參考，從冷板設計的關鍵細節(jié)、注意事項與設計權衡、冷板制造技術及金屬3D打印帶來的設計自由度、關鍵熱考量因素、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。

本期文章為下篇，聚焦于金屬3D打印帶來的制造自由度、液冷冷板設計的關鍵熱考量因素、冷板可靠性測試、新興市場的未來展望等話題。

金屬3D打印帶來的制造自由度

盡管拓撲優(yōu)化能顯著提升熱工水力效率，但要完全釋放其潛力，則需要超越傳統(tǒng)制造技術極限的先進工藝。 傳統(tǒng)機械加工難以應對拓撲優(yōu)化設計所產(chǎn)生的復雜內部幾何形狀。正因如此，金屬增材制造已成為生產(chǎn)先進冷板冷卻系統(tǒng)的關鍵所在。這些技術提供了實現(xiàn)復雜流體通道、內部流道和有機形狀所需的幾何靈活性與精確控制能力，并具備高重復性。通過實現(xiàn)不受傳統(tǒng)制造約束的性能驅動型設計，增材制造使得構建專為極端熱需求而定制的下一代冷板成為可能。

• 復雜內部流道的制造

拓撲優(yōu)化流道通常具有非平面、空間變化的橫截面、分支微通道及漸變過渡等特征，這些是數(shù)控加工或傳統(tǒng)釬焊無法實現(xiàn)的。金屬增材制造能夠實現(xiàn)：

• 內部流道分叉、多尺度通道及嵌入式流道

• 整體式結構，消除界面熱阻和易泄漏的連接點

• 對局部壁厚和孔隙率的精確控制，助力實現(xiàn)定制化的熱管理行為

這解鎖了為性能而設計的可能性，使幾何形狀由物理規(guī)律驅動，而非受制于制造約束。

• 性能與重量、體積的優(yōu)勢

利用增材制造，設計人員可以：

• 在熱關鍵區(qū)域集成點陣支撐結構或隨形冷卻流道；

• 在減輕重量和縮小體積的同時保持結構完整性，這對航空航天及高密度電子產(chǎn)品至關重要；

• 將多個冷卻組件（如通道、流道、安裝件）整合為單一零件，提高可靠性并減少組裝時間。

• 通過設計適應提升冷卻效率

通過將拓撲優(yōu)化算法與增材制造兼容的約束條件（如懸垂角度、粉末清除口）相結合，可以制造出能夠實現(xiàn)以下目標的冷板：

• 使冷卻劑輸送與熱通量梯度分布相匹配；

• 同步降低熱阻與泵送功率；

• 通過定制化的材料沉積與后處理工藝（如用于提高致密度的熱等靜壓）承受循環(huán)熱載荷與壓力載荷。

• 驗證與標準符合性

3D打印冷板可與傳統(tǒng)制造單元經(jīng)歷同樣嚴格的可靠性測試（如針對腐蝕的ASTM B117、針對壓力的IEC 62368-1）。此外，原位監(jiān)測與無損評估（如CT掃描）確保了制造質量并在部署前實現(xiàn)缺陷檢測。

TPMS結構微通道3D打印展示件

制造商：廣東必極科技有限公司

“TPMS 三重周期極小曲面”，在數(shù)學上被證明是在給定空間內實現(xiàn)最大表面積的最優(yōu)結構之一。廣東必極科技所展示的3D打印TPMS微通道晶格結構樣件，最小結構為0.2mm。

銅金屬3D打印一體化水冷板

制造商：廣東必極科技有限公司

可應用于AI服務器GPU芯片冷卻，無需釬焊，100%零泄漏，其內部采用TPMS微通道晶格結構設計，能夠解決單個芯片1500W的散熱需求。

上圖：用于汽車功率電子器件的增材制造液冷冷板

下圖： Fabric8Labs 電化學增材制造的下一代AI 數(shù)據(jù)中心冷板

液冷冷板設計的關鍵熱考量因素

• 建立組件級熱分布圖

設計的首要步驟是構建熱分布圖。該圖作為整個系統(tǒng)的藍圖，用于識別整個器件上的熱點區(qū)域及熱量分布。此步驟包含以下內容：

• 各組件的尺寸、位置及功耗

• 允許的表面溫度（全局或針對每個組件）

• 冷卻劑屬性：類型、流速及進口溫度

• 冷板的總可用壓降

• 計算局部熱通量，包括基板內部的熱擴散效應

一份構建完善的熱分布圖是戰(zhàn)略基礎，它為流道布局、流量平衡及熱交換器幾何形狀的設計提供關鍵依據(jù)。

• 評估熱性能的關鍵輸入?yún)?shù)

開發(fā)定制冷板設計始于對關鍵熱力學與流體動力學輸入?yún)?shù)的理解。這些核心因素直接決定了冷板的架構、流路策略以及整體設計復雜度。通過將性能要求與物理約束相結合，工程師可以在設計流程早期做出明智決策。下方矩陣總結了最關鍵的設計驅動因素及其對系統(tǒng)復雜性的影響，為優(yōu)化性能與可制造性提供了實用指南。

“3D Science Valley 白皮書 圖文解析

• 詳細熱分析

在明確設計條件后，下一步是結合材料選擇（鋁、銅或復合材料）進行詳細熱分析，并構建液體流路網(wǎng)絡。此階段工作內容包括：

• 計算各元件底部表面溫度

• 評估冷板整體壓力降

• 識別局部過熱點或流動死區(qū)

若未達到設計目標，則需對流體路徑進行重新布設與優(yōu)化，具體可能涉及：

• 調整流道序列

• 繞過低熱耗區(qū)域

• 向高熱風險元件分配更多冷卻液

• 實現(xiàn)表面溫度均勻性的設計策略

當要求表面溫度均勻分布時，設計復雜度顯著提升。兩種關鍵策略可助力實現(xiàn)該目標：

• 并聯(lián)流路：將相同元件布置在工況一致的平行流路上，確保各流路入口溫度一致

• 逆流布局：在相鄰流道中采用相反流向（如蛇形布道），有效降低板面溫度梯度

在更先進的設計中，可采用多層流體通道結構，以提升熱量移除路徑的空間控制精度。

• 面向制造的設計：成本驅動因素

復雜冷板的制造成本可能較高，尤其在機械約束導致流道布局效率低下時。常見成本驅動因素包括：

• 固定的進出口位置

• 阻礙流道布設的安裝孔位

• 多種翅片幾何形狀或腔體深度要求

• 需要電火花加工或多工序機械加工

為控制成本，保持設計靈活性至關重要。熱設計工程師通過與電氣、機械工程師早期協(xié)同，可影響元件布局規(guī)劃，從而為更高效的流道集成創(chuàng)造條件。這種跨領域協(xié)作通常既能提升散熱效果，又能降低制造成本。

冷卻液選擇

冷卻液的選擇對冷板系統(tǒng)的性能與可靠性起著至關重要的作用。冷卻液不僅需要高效吸收和傳輸熱量，還必須與系統(tǒng)的材料及運行條件兼容。

閉式回路冷板冷卻系統(tǒng)中常用的液體包括：

• 去離子水：具有優(yōu)異的熱性能，但需要特別注意材料兼容性。

• 抑制性乙二醇/水混合物：廣泛用于防凍和耐腐蝕保護。

• 介電流體：合成的非導電性油液，非常適合與敏感電子元件直接接觸。

• 定制化熱傳遞流體：專為需要特定熱或化學性質的特殊應用而設計。

選擇合適的冷卻液需要在導熱性、粘度、電導率、環(huán)境兼容性以及長期穩(wěn)定性之間進行權衡。系統(tǒng)設計必須充分考慮這些特性，以確保最佳的流速、熱容量和腐蝕控制。

冷板可靠性測試

為確保液冷冷板（尤其是在航空航天、電信和國防等關鍵任務應用中的）長期可靠性，需要執(zhí)行一套全面的鑒定流程。為確認其在熱、機械和流體領域的耐久性，工程師需依賴無損檢測與性能測試相結合的方法。這些方法是對靜水壓測試、耐腐蝕性評估及動態(tài)應力分析等傳統(tǒng)程序的重要補充，可在部署前對冷板完整性進行完整評估。

1、泄漏測試

泄漏完整性對液冷冷板至關重要，以防止流體滲入電子設備或造成閉環(huán)系統(tǒng)壓力損失。行業(yè)標準方法包括：

• 壓力衰減測試

• • 標準：EN 1779

  • 方法：對冷板加壓（通常使用干燥空氣或惰性氣體）并密封，監(jiān)測一段時間內的壓力損失。

  • 接受標準：根據(jù)EN 1779標準，對于高完整性接頭，壓力下降小于0.5%視為合格。

  • 應用：發(fā)貨前的最終質量檢測，尤其適用于鋁釬焊或攪拌摩擦焊組件。

• 浸沒氣泡測試

• • 標準：EN 1779

  • 方法：將加壓后的冷板浸入液體槽中；通過目視檢查氣泡流以識別泄漏點。

  • 優(yōu)點：可定位微泄漏；實現(xiàn)快速視覺評估。

• 靜水壓爆破與驗證測試

• • 標準：IEC FDIS 62368-1(8)

  • 方法：在1倍最大工作壓力下測試5分鐘（驗證測試）；在3倍最大工作壓力下測試2分鐘（爆破驗證）。

  • 應用：確保內部流道和連接器焊接接頭的機械堅固性。對電信或汽車級冷板至關重要。

2、流量與熱測試

為驗證冷卻性能，必須在操作條件下表征其液壓阻力與熱有效性。

• 流量測試

• • 目的：量化壓降與流速的關系，生成液壓性能曲線。

  • 設置：使用校準的質量流量控制器和差壓傳感器的流量測試臺。

• 熱測試

• • 目的：在已知熱通量下確定熱阻或溫升。

  • 測試條件：進口冷卻液溫度、流速和施加的熱負載均需標準化。

  • 標準實踐：在環(huán)境應力測試后進行，以檢測熱性能退化，通常與基線性能進行比較。

  • 應用：確認生產(chǎn)單元的一致性及是否符合系統(tǒng)級冷卻規(guī)范。是國防和航空航天電子冷卻的必備測試。

3、目視檢查

作為基礎的質量保證步驟，目視檢查用于識別可能影響結構或外觀質量的宏觀缺陷。

• 評估范圍：

• • 表面處理均勻性（陽極氧化或涂層后）。

  • 焊道連續(xù)性及變色（特別是激光焊或FSW接頭）。

  • 進口/出口配件或通道中存在毛刺、裂紋或空洞。

  • 熱界面平面的錯位。

• 相關標準：

• • IPC-A-610（電子組裝件）。

  • ISO 8785（表面缺陷）。

4、超聲波檢測

主要用于對粘結或焊接冷板進行內部缺陷的無損檢測。

• 標準：ASTM E2375（粘結結構），ASTM E317（接觸式UT）。

• 技術：將高頻超聲波脈沖穿透部件；分析反射波以識別以下跡象：

• • 分層

  • 焊接區(qū)未熔合

  • 氣孔或外來夾雜物

• 方法：

• • 用于平板件的脈沖回波模式。

  • 用于復雜幾何形狀的浸沒式UT。

  • C掃描成像以可視化亞表面異常。

• 應用：對驗證攪拌摩擦焊冷板或多層擴散焊冷板至關重要。航空航天和醫(yī)療設備標準越來越多地要求將UT作為質量文件的一部分。

5、鹽霧測試（耐腐蝕性評估）

鹽霧測試是一種標準化的加速腐蝕測試，用于評估冷板外表面、涂層及防護處理在惡劣環(huán)境條件下的耐久性。它模擬長期暴露于含鹽大氣環(huán)境，尤其與海洋、工業(yè)及沿海應用相關。

• 測試標準

• • ASTM B117– 操作鹽霧（霧化）裝置的標準實踐。

  • 這是全球基準，用于評估金屬涂層（例如，陽極氧化鋁、化學鍍鎳、鈍化不銹鋼）在連續(xù)鹽霧下的耐腐蝕性。

• 應用：戶外電信和工業(yè)機箱：驗證表面處理在鹽霧和冷凝循環(huán)暴露下的耐久性。

未來展望：AI驅動設計、數(shù)字孿生與新興應用

• AI輔助設計的融合

冷板設計需要平衡熱性能、流阻、可制造性與可靠性，其復雜性使其成為AI輔助優(yōu)化的理想對象。工程師正逐漸采用由機器學習與深度學習模型驅動的數(shù)據(jù)驅動設計循環(huán)，取代傳統(tǒng)的參數(shù)掃描方法。

此類系統(tǒng)能夠：

• 利用代理模型在毫秒內預測廣闊設計空間內的熱流動性能

• 加速逆向設計流程，根據(jù)目標性能指標直接生成最優(yōu)幾何構型

• 持續(xù)從測試數(shù)據(jù)、CFD仿真及現(xiàn)場表現(xiàn)中學習，優(yōu)化后續(xù)迭代版本

通過整合神經(jīng)網(wǎng)絡、進化算法與降階模型，AI不僅能協(xié)同優(yōu)化冷板內部結構，還可對泵組選型、熱界面材料選擇及流道布局等系統(tǒng)級參數(shù)進行整體優(yōu)化。這種從確定性仿真到生成式AI引導設計的轉變，已在早期工程流程中實現(xiàn)10-50倍的效率提升。

• 數(shù)字孿生在自適應冷卻中的應用

作為物理系統(tǒng)的實時映射虛擬體，數(shù)字孿生正在重新定義熱控制策略。在液冷系統(tǒng)中：

• 實時傳感器數(shù)據(jù)可輸入數(shù)字孿生體，用于診斷能效異?；蝾A測潛在故障

• 預測模型能模擬不同負載場景，主動調節(jié)泵速或閥門開度以維持熱安全狀態(tài)

• "假設分析"仿真使熱工程師能探索未來工作負載模式、環(huán)境條件或組件升級方案，無需物理原型

對于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心或航空航天電子設備等高價值應用，冷板不再是被動組件，而是成為實時自適應、最大化冷卻效率與系統(tǒng)運行時間的閉環(huán)熱智能系統(tǒng)的有機組成部分。

• 在電動汽車、邊緣AI與6G硬件中的長期潛力

隨著電子技術持續(xù)演進，液體冷卻冷板的應用正突破傳統(tǒng)領域邊界，新興前沿包括：

• 電動汽車：電驅逆變器、車載充電機與高壓電池連接點亟需緊湊、堅固且高效的液冷方案。針對發(fā)動機艙環(huán)境（需耐受振動、寬溫變與快速負載循環(huán)）專門設計的冷板正獲得廣泛應用。增材制造與拓撲優(yōu)化技術為實現(xiàn)輕量化模塊化解決方案提供支撐，完美契合電動平臺擴展需求。

• 邊緣AI服務器：與集中式數(shù)據(jù)中心不同，邊緣部署需要在熱約束環(huán)境中實現(xiàn)高密度計算。集成快速接頭、泄漏檢測功能并兼容介電流體的冷板，可確保在通信機柜、智能工廠及自主基礎設施中的安全部署。經(jīng)AI增強的冷板設計在保障高熱性能的同時，不影響系統(tǒng)可靠性或物理空間占用。

• 6G通信硬件：6G時代向更高頻段毫米波與太赫茲通信的邁進，將顯著增加基帶單元與射頻單元的熱通量。傳統(tǒng)風冷難以應對局部功率密度挑戰(zhàn)。采用嵌入式微通道網(wǎng)絡與超薄型設計的冷板，對于確保熱穩(wěn)定性、信號完整性及設備長期可靠性將發(fā)揮關鍵作用。

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