AI伺服器之散熱與無機複合材料應用：材料世界網

陳佑明 / 工研院材化所

隨著生成式人工智慧與高效能運算快速發展，GPU與AI加速器的功耗及熱流密度持續上升，使AI伺服器面臨局部熱點、熱阻累積、溫度失控及元件可靠度下降等挑戰。本文說明AI伺服器從晶片、熱介面材料、均熱板、熱沉至機櫃與機房之熱傳路徑，並比較傳統氣冷、冷板式液冷、浸沒式液冷及混合式散熱架構之特性與適用情境。面對高功率密度晶片的散熱需求，除提升冷卻系統效能外，散熱模組材料亦須兼顧高導熱、低熱膨脹、機械強度、重量及長期可靠度。本文進一步探討銅、鋁、Cu-W、Cu-Mo等傳統散熱材料，以及以鑽石、石墨、SiC、鎢與負熱膨脹材料為強化相之金屬基複合材料應用。其中，Sc₂W₃O₁₂/Cu複合材料可藉由負熱膨脹填料降低銅基材的熱膨脹係數，並維持良好導熱能力，有助於改善散熱結構與半導體晶片間的熱膨脹不匹配問題。未來AI伺服器散熱將朝液冷化、系統整合與材料複合化發展，高導熱、低熱膨脹且具良好界面穩定性的無機複合材料，將是高功率電子封裝與散熱模組的重要發展方向。

【內文精選】

AI伺服器的關鍵散熱技術
為提升單位空間的運算密度，現代AI伺服器普遍採用4~8顆GPU或其他高效能加速器進行高密度配置，並集中部署於1U或2U機架空間中。雖然此種架構能有效提升機房空間利用率與整體算力，但也使大量熱源高度集中於有限空間內，造成氣流路徑複雜、局部熱點形成，以及散熱路徑中的熱阻瓶頸等問題。

面對AI伺服器日益攀升的功耗與熱流密度，散熱技術已由傳統風冷逐步朝向液冷及混合式散熱發展。傳統氣冷、直接液冷（冷板式）以及浸沒式液冷三種，各自擁有不同的優勢與挑戰，綜合比較如圖四所示。

整體而言，隨著AI伺服器功耗與機櫃功率密度持續提升，散熱技術正由單純提升風量，逐步轉向以液冷為核心，並結合風冷與液冷的混合式架構，以滿足下一世代高效能運算對散熱效率、能源使用效率及系統可靠度的需求。

無機材料在散熱模組中的角色
金屬基複合材料（Metal Matrix Compos- ites; MMCs）是一種複合材料，通常將陶瓷強化物嵌入金屬或合金基底之中，同時可結合金屬特性（高導熱率、低密度、韌性與延展性）與陶瓷特性（低熱膨脹係數、高強度與彈性模數），使其成為最適合的散熱材料選擇。透過優化強化物的尺寸與類型、體積占比及分佈形式，可獲得所需的熱傳導係數與熱膨脹係數組合。散熱器應用中不同類型的基質材料與強化材料如圖五所示。

圖五不同種類的金屬基底與增強物應用於熱沉上

為了提高金屬基複合材料（MMCs）的微觀結構和機械性能，工業界發展出多種加工技術。這些複合材料可以透過固態、液態或氣態方法來製備。金屬基複合材料製備製程的分類如圖六所示，固相加工製程可分為粉末冶金（P/M）、擴散焊接、軋製焊接及爆炸衝擊固結，其中粉末冶金占了30%，比例最高（圖七）。透過粉末冶金法製備金屬基複合材料（MMCs），是將金屬（或金屬合金）與增強材料（顆粒或不連續纖維）充分進行粉末混合。固化後的產物在真空中去除氣體，同時在高溫下進行燒結。這種方法可以利用奈米顆粒和晶界的強化特性，可謂是一種經濟高效的方法，且可製造出尺寸公差嚴格、廢料極少的複雜零件。

金屬銅，因其高熱導率（400 W/m·K）、高熔點及良好的焊接性而成為散熱器應用中最廣泛使用的基體材料。為克服銅的高熱膨脹係數，銅基體中加入了多種強化材料，即鑽石顆粒、石墨（顆粒、纖維或泡棉）、碳纖維（CFs）、碳奈米管（CNT）、SiC（顆粒或纖維）、鎢（粒子、纖維或電線）、鉬粒子、Y₂O₃以及WO₃粒子。除了上述強化材料以外，負熱膨脹係數材料，在特定溫度範圍內具有負熱膨脹（Negative Thermal Expansion; NTE）的特性，添加入純銅中可降低銅複合材料的熱膨脹，作為在銅基複合材料中扮演熱膨脹補償器的角色。

NTE材料可藉由抑制複合材料熱膨脹而受到重視，但實際應用仍受限於製備與整合問題。以ZrW₂O₈、ScF₃等材料為例，其合成通常需嚴格控制溫度、前驅物純度與反應氣氛，可能影響製程重現性及規模化製造可行性；部分鈧基材料亦因原料成本高而限制應用；實際應用上，NTE材料與基材間可能因化學、熱學及機械性質差異產生相容性與界面應力問題，且其負熱膨脹效應常僅存在於特定溫度範圍，超出範圍後可能發生相變或轉為正熱膨脹，影響長期穩定性，仍需做適當的調整與可靠度評估。

圖九 Sc₂W₃O₁₂塊材之長度變化量

根據文獻研究，以具負熱膨脹特性的Sc₂W₃O₁₂作為添加劑，透過真空熱壓燒結製備Sc₂W₃O₁₂/Cu複合材料，以改善純銅高熱膨脹係數與半導體晶片不匹配的問題。結果顯示，在700˚C、35 MPa條件下燒結之試片具有較佳的緻密度與均勻微結構，Cu可形成連續導熱網絡，而均勻分散的Sc₂W₃O₁₂則有效補償熱膨脹。其在 25~300˚C間的平均CTE為8.31 ppm/K（理論計算值為7.16 ppm/K），較純Cu降低約50%，熱傳導係數可達243.99 W/m·K，硬度為234.32 HV。工研院材化所已成功合成出負熱膨脹係數Sc₂W₃O₁₂粉體，經過高溫燒結後，量測塊材可得其25~300˚C間的平均CTE為-4.04 ppm/K（圖九），後續可望應用至銅基金屬複合材料上，以應用在散熱模組中，以解決材料組合間的熱膨脹不匹配問題 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。