液冷板之技術與發展趨勢：材料世界網

許嘉政 / 工研院材化所

直接液體冷卻技術被視為AI人工智慧相關應用高功率電子設備之最佳散熱方案，而液冷板為其主要散熱元件。液冷板的工作原理為在金屬殼體內加工形成流道或裝設金屬管材，工作流體從液冷板的流道入口進入、流道出口出來，並把電子元件發出的熱量帶走。液冷板為了可以廣泛地使用在AI相關應用電子設備上，其散熱性能必須進一步提升，且製造成本必須降低並可以大量生產。工研院材化所開發液冷板之關鍵技術來解決上述問題，包括：高強度高導熱之殼體材料技術、高散熱效率之流道模擬設計開發、高可靠性之殼體接合技術，以符合高功率電子熱管理之需求。

【內文精選】

液冷板之產業現況

我國散熱相關產業無論是技術或是出貨的量能，都居全球之冠，主要開發消費性電子之散熱元件，包含風扇、散熱鰭片、熱管和均熱板等，在全球散熱產業鏈中之地位相當重要。液氣相變化冷卻技術的熱管和均熱板毛利率大約10%至20%；液冷散熱技術的直接液冷毛利率則提升到30%以上，且因直接液冷散熱方案具有高度客製化的特性，遭到競爭對手取代的機率較低。隨著AI應用市場需求逐步擴大，造成AI伺服器、資料中心和高效能運算的散熱需求增加，液冷散熱產業之經濟效益會陸續顯現，因此台灣散熱產業必須跟上這波產業趨勢，來增加中長期的營運動能。近幾年我國散熱模組廠包含雙鴻、奇鋐和台達電等廠商，也積極規劃布局，從消費性電子產業跨足到AI產業應用之散熱市場，以分散未來的產業風險。

工研院開發液冷板之關鍵技術

隨著晶片發熱密度越來越高，高功率電子的熱管理解決方案也越來越被注重，較佳的散熱材料與元件可使高功率電子的性能、效率和壽命更進一步提升。液冷板是現今高功率電子之主流散熱元件方案，要應用於高功率電子、雷射裝置、資料中心、風力發電和電動車等高功率散熱領域。目前產業界之液冷板依製作方式，可分為幾個類型，包括：真空硬焊冷板、攪拌摩擦焊冷板、埋管式冷板和腔體式冷板，如圖三所示，在應用方面各有其優缺點。

圖三、產業界液冷板之類型

工研院材料與化工研究所高階熱管理設計與應用研究室投入液冷板之研究，以整合金屬材料、冷板設計、流體力學分析和系統整合控制等多領域技術，來實現高熱傳液冷板關鍵技術之開發。為了提升液冷板散熱元件之高散熱能力、滿足快速均勻導熱和高可靠度之需求，已建立核心技術，如：高強度高導熱之殼體材料技術、高散熱效率之流道設計開發、高可靠性之殼體接合技術等，成功開發出具高散熱能力之液冷板元件，以符合高功率電子模組之高散熱需求。

2. 高散熱效率之流道模擬設計開發

材化所進一步開發高散熱能力之液冷板微流道模擬設計與製作。由於液冷板對應高功率電子發熱元件需相對較多的流道折彎處，此會造成水流壓力損失導致散熱效率下降，因此好的液冷板，流道設計是相當重要的環節。液冷板的流道設計主要是由流速、進出口位置、流道形式和結構、加工技術等因素來決定，冷板的流道設計不僅要滿足散熱之需求，還要考慮液冷板的溫度均勻性和流動阻力，所以需藉由模擬軟體之輔助，分析液冷板之整體散熱效應，以快速找出最佳化之液冷板設計方案。

流道液冷板具有高功率電子散熱方案之最佳解熱瓦數，業界液冷板殼體大多數仍採用鋁6063，但因導熱係數較差，無法快速降低表面溫差，且流道由殼體直接CNC加工，費工費時。因此工研院材化所設計製作熱壓流道模具，並直接以粉末熱壓出具流道之Al-Cu-BN複材殼體。

3. 高可靠性之殼體接合技術

工研院材化所開發的液冷板殼體之高可靠性接合技術為暫態液相接合(Transient Liquid Phase (TLP) Bonding)，又稱為固液擴散(Solid-Liquid Interdiffusion; SLID)接合。暫態液相接合的原理如圖十一所示，在上下層之高熔點金屬材料中間，夾層一低溫熔點金屬材料，再經一固定壓力，且以高於低溫熔點金屬材料之熔化溫度加熱，金屬會相互擴散形成高熔點的金屬間化合物(Intermetallic Compound; IMC)。若要獲得高溫穩定性，必須將低溫熔化的金屬完全轉化為金屬間化合物 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。