曹翔雁、江晨光、李澔謙、鄭志龍 / 工研院材化所
隨著全球環境保護意識增強，實現淨零碳排放成為各國政府追求的目標；另一方面，AI大數據時代來臨，數據中心的能源消耗與熱管理問題，也因需求增加而變得更加棘手。為了應對這一挑戰，浸沒式冷卻技術應運而生。利用冷卻液冷卻晶片，提高了散熱效率，並確保高性能伺服器穩定運行，從而提供更為高效且節能的散熱解決方案。本文介紹單、雙相式冷卻系統技術及其優缺點，特別關注單相式非氟系冷卻液的發展現況，同時也詳細介紹工研院材料與化工研究所目前的研究成果以及所建置的冷卻液特性檢測平台，為相關產業的發展提供了堅實的基礎和豐富的資源。
【內文精選】
單、雙相式冷卻系統技術介紹
浸沒式冷卻技術依據所採用的冷卻液(Coolant)類型分為兩大類：雙相式和單相式。雙相式冷卻系統利用的是低沸點的冷卻液，在晶片的溫度超過冷卻液的沸點時，冷卻液會迅速蒸發並產生相變化，這一過程可有效地將熱量從晶片上轉移走。隨後，蒸氣在冷卻管中凝結成液滴，重新流回系統中，從而實現熱量的去除和冷卻液循環。然而，許多化學蒸氣具有爆炸或點燃的風險，因此目前僅有氟系化合物在雙相式冷卻系統中得到廣泛應用。相比之下，單相式冷卻系統則是依賴於冷卻液本身的比熱容來傳遞熱能，但這類冷卻液的黏度通常比氟系的冷卻液高，因此在這種系統設計中，不僅需要額外裝設用於推動液體流動的幫浦，還需配置水冷塔來輔助冷卻。而也因為單相的冷卻液幾乎不會發生蒸發，因此系統的槽體結構可以更為簡化，不必考慮密封問題。
雙相式冷卻系統普遍採用的氟系冷卻液，主要是由氟烷基化合物(Per- and Polyfluoroalkyl Substances; PFAS)組成。PFAS是一個包含逾萬種相似結構的化學物質家族，以其卓越的耐用性、低沸點和不可燃等特點，在雙相浸沒式冷卻技術中占據了領導地位。然而，隨著環保意識的提升，PFAS的使用開始遭到限制，因其對臭氧層的破壞、具有高全球暖化潛能(Global Warming Potential; GWP)，以及其在生物體、土壤和水源中的持續累積，可能導致環境汙染的問題日益嚴重而受到關注，且PFAS的安全性尚未得到充分研究，因此其潛在的生態和健康風險引起了公眾的擔憂。
根據MarketsandMarkets Analysis調查顯示，在2020年有75%的浸沒式冷卻技術是使用單相式的冷卻液，主要種類為合成流體(合成油、酯類、矽油類等)，如圖二所示。而在最新的報告中也指出，2022年全球資料中心液冷市場規模為21.16億美元，預計2028年將達到78.56億美元，2023年至2028年的複合年增長率高達為24.4%。
圖二、沉浸式冷卻液種類市場占比
單相式非氟系冷卻液技術現況
由於浸沒式冷卻屬於新興應用領域，目前尚未存在專門針對浸沒式冷卻液所設計的測試方法。眼下冷卻液的量測主要依賴參考相關的ASTM或IEC方法調整，或者參考OCP (Open Compute Project)所公布的測試方法。而目前單相式冷卻液最關注的議題包含①散熱效能與防火安全性的權衡、②冷卻液工作使用週期以及③冷卻液與伺服器的材料相容性(Material Compatibility)。
工研院冷卻液開發現況及特性檢測平台
高效能的冷卻系統已成為維持電子裝置最佳運作狀態的關鍵因素之一，尤其在伺服器、大型計算機和高功率電子設備的運作中，過熱問題不僅影響效能，甚至可能導致設備的永久損壞。正是在這樣的背景下，工研院材料與化工研究所在這一領域的研究也已持續多年，不僅成功開發了新型的單相非氟系冷卻液，還建立了完備的冷卻液特性檢測平台，並與國際知名大廠Intel以及工研院電子與光電系統研究所共同建立聯合實驗室，提供了一個接近真實應用環境的平台，讓業界廠商能夠進行4U載具驗證及相關測試(如圖三)。
圖三、工研院材化所浸沒式冷卻液的相關能量
透過分子結構設計及配方調控技術，材化所已成功開發出兩種新型非氟系的冷卻液。其中一種是矽油類冷卻液(ITRI-I)，它具有高達268˚C的閃火點和在25˚C時45 cP的黏度，不僅符合日本、韓國等國家對冷卻液的閃火點規定，更在防火安全性上提供了更大的保障。而該種冷卻液也已申請多國專利，於中華民國已通過，而美國以及中國也正在審核中。為了平衡高閃火點帶來的高黏度問題，材化所也開發了第二種冷卻液—酯類冷卻液(ITRIII)，其在保持200˚C以上閃火點的同時，將黏度降至17 cP@25˚C，有效解決了能耗問題，在兩者間取得平衡 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。