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冷板 | 均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究

点击数：253 发布日期：25-03-19

小编：

复合液冷板一般是指液冷板和VC均温板的复合散热冷板结构。为什么要加VC呢？因为有些场景，芯片很小，功率很高，综合算下来就是热流密度高；液冷虽然有很高的换热效率，但如果换热表面积有限，也无法发挥其优势。

故，考虑在芯片上先贴一个均温板，利用均温板的快速二维导热特性，将热流密度快速分散降低，等效作用就是将原本很小的芯片面积变大了，相应的，冷板内部微通道的面积也可以做的更大，从而起到更好的散热效果。

均温板的上盖跟冷板的底板，可以做成一体式的，也可以做成分体式的（VC和冷板分别单独做好，再通过锡膏焊或导热硅脂贴在一起）。

前者无界面热阻，导热效能更好，但是制作工艺复杂；而后者制作简单，但多了一层界面热阻。

以下为论文摘录，大家可以参考论文，进一步了解复合冷板的特性，以及复合冷板和单冷板的性能差异。

摘要

为解决高功耗和高热流密度芯片的散热问题，设计了一款新组合形态的液冷板——均温板（Vapor Chamber, VC）复合微通道液冷板。

首先介绍了均温板复合微通道液冷板的设计方法，接着开展了仿真评估，最后进行了测试及回归分析。

测试结果表明：VC复合微通道冷板能解决单芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm2的散热问题，此时VC复合微通道液冷板底面温度为63.3◦C，热阻只有2.815E−2◦C/W。

同时，在一定范围内，随着热源功耗的增加，液冷板热阻减小，散热效果提升。

引言

随着通讯技术的快速发展，电子器件热功率也不断升高，产品每演进一代功耗攀升约30% ∼ 50%，芯片热流密度持续提升直接制约着芯片散热和可靠性，同时由于功耗太高，现有机房能力不足，机房面临的供电及散热压力较大。

传统风冷由于散热噪声大、能耗高、占地面积大，难以为继。在此背景下，应用液冷技术的液冷服务器等设备的液冷数据中心应运而生，为数据中心的冷却散热提供了新的解决思路。

在发展较快的间接式液冷技术中，液冷板是单相或两相液体冷却系统中的核心部件，电子元件与液冷板表面贴合，电子元件的热量通过热传导传递给液冷板，液冷板与工质间进行强而有效的对流换热带走热量。

芯片的散热关系到设备的使用寿命。

据研究结果，通讯领域电子元器件的故障率与温度呈指数关系，温度每升高10◦C，故障率就会翻倍。与传统强制风冷相比，液冷技术散热效果更好，散热路径更短，作为一种新兴的高效散热方式，可以更有效地解决目前运营商关于高功耗、高热流密度设备在机房中应用的痛点问题。

此外，随着设备功耗和热流密度的增加，液冷技术散热能力强、降低机房噪音和绿色节能等优势将更加突出。

本文针对高功耗、高热流密度芯片的散热，结合均温板（Vapor Chamber, VC）高导热性能和液冷板高效换热性能，设计了一种新型均温板复合微通道液冷板。

相比于传统冷板，它具有更高效的散热能力，更适合解决高功耗、高热流密度散热问题。首先介绍了均温板复合微通道液冷板的结构组成和设计方法，接着开展了仿真评估，最后进行了测试及回归分析。

1 复合微通道液冷板结构及加工

液冷板按照流道形态可以分为铣槽冷板和微通道冷板，如图1所示。铣槽冷板通过机加工成型，受加工工艺限制，散热能力约为65 W/cm2。微通道冷板通常指通道尺寸为10 ∼ 1000 µm的冷板，主要通过铲翅工艺加工成型，散热能力约为80 W/cm2。

图 1 常规液冷板

在通讯领域，随着数字化的发展，算力持续增长，芯片热流密度持续攀升，预计3年内芯片功率密度将超过100W/cm2。针对高功耗、高热流密度芯片，常规微通道冷板已经无法满足散热需求。

为了突破散热瓶颈，将VC和微通道液冷板组合起来，综合利用VC的热量快速扩散能力和微通道液冷板的热量传输能力，解决高热流密度芯片的散热问题。组合结构部件如图2所示，主要器件包含VC部分、铲齿基板、盖板等。

图 2 均温板复合微通道液冷板组成示意图

均温板复合微通道液冷板的工作原理如图3所示。芯片将热量传递至界面材料，进一步传递至VC蒸发面，利用VC的均温特性实现热量的迅速扩散或迁移，然后利用工质和冷板的对流换热不断带走芯片产生的热量，实现高热流密度芯片的冷却。

图 3 复合微通道液冷板工作原理图

复合微通道液冷板结构可通过焊接和一体化工艺加工成型。

1）焊接成型。分别加工好VC和微通道冷板，使用钎焊焊接VC冷凝面与微通道冷板底板，完成复合微通道液冷板的结构加工，最后进行VC工质充注。

2）一体化工艺主要指液冷板基板与VC冷凝板的一体化加工。首先加工好VC蒸发板和冷凝板，将VC冷凝板作为液冷板基板并在冷凝板的背面直接加工铲翅，然后使用扩散焊或激光焊完成VC焊接，之后使用钎焊工艺与液冷板盖板连接。至此，完成复合微通道液冷板的结构加工。

3）最后进行VC工质充注。为减小VC和微通道冷板之间的界面热阻，获得性能更优的复合微通道液冷板，本次研究对象采用一体化加工工艺进行生产制造。

2 复合微通道液冷板设计方法

2.1 热阻分解

均温板复合微通道液冷板的设计通常从热阻角度出发，将冷板的组成热阻分解，然后根据各部分热阻对各部分组件进行设计，最终保证热阻满足设计要求，解决高功耗、高热流密度散热问题。

均温板复合微通道液冷板热阻（图4）可分解为热源到均温板蒸发面热阻Rc-vc、均温板本体热阻Rvc、均温板冷凝面到冷板表面热阻Rvc-tim（均温板和微通道冷板通过锡焊结合）和冷板本体热阻Rcp。

图 4 均温板复合微通道液冷板结构和热阻示意图

关于热阻，不同学者定义不同。为表征均温板复合微通道液冷板的热阻特性，本文对其热阻

式中：Tvc为均温板复合微通道液冷板底面温度；Tin为工质入口温度；P 为热源功率。VC和冷板复合的地方可采用一体化加工工艺，因此这部分的接触热阻可忽略不计，即Rvc-tim接近于0，仿真处理时，材料硬接触即可。

对于液冷板的热阻优化，需合理进行材料选择和结构设计，同时借助仿真工具进行仿真评估或理论计算，使液冷板满足热阻要求。流道设计是液冷板设计的重点之一，可采用拓扑结构优化等手段。

热源与均温板蒸发面之间的界面热阻主要由界面材料决定，与均温板复合微通道液冷板自身的热阻无关，因此本文不予考虑，而以均温板蒸发面的最高温度作为散热性能的评估依据。

均温板复合微通道液冷板的设计目标是兼具优良的散热性能和低热阻特性。根据热阻分解结果，热阻设计的关键是尽可能减小均温板本体和冷板本体的热阻，最终通过优化均温板结构参数以及设计高性能微通道冷板实现设计目标。

本文设计的指标为在冷板供液温度45◦C、氟化液流量4 L/min、芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm2时，冷板底面温度小于70◦C，氟化液流阻小于15 kPa。

以此为目标开展复合微通道液冷板的结构设计和热阻分析。

2.2 结构设计

首先设计了均温板复合微通道液冷板中均温板和微通道冷板的结构。然后利用理论公式对各部分热阻进行计算，最后进行打样测试。

根据散热能力和热阻的要求，分别设计了微通道冷板和均温板。均温板复合微通道液冷板的几何图形如图5所示。

图 5 均温板复合微通道液冷板及其均温板的几何模型

为了获得优异的散热性能和低热阻特性，均温板结构设计参数如表1所示。

表1 均温板结构设计参数表

均温板主体尺寸为110 mm × 100 mm × 6 mm。液冷板采用微通道流道，齿间距和齿厚均为0.2 mm。

2.3 热阻计算

根据均温板复合微通道液冷板的结构参数以及热阻理论计算公式，各部分热阻的计算过程及结果如下。

蒸发壁面的径向热阻：

式中：δ1为蒸发面厚度；δ2为VC和冷板接触面焊接厚度；δh为蒸发面吸液芯厚度；δc为冷凝面厚度；δwc为冷凝面吸液芯厚度；Ae为蒸发面面积；Ac为冷凝面面积；K1为蒸发面导热系数；K2为VC和冷板焊接面导热系数；Kvc为VC吸液芯导热系数；Ke为冷凝面导热系数；Φ为传热量；R1—R7 为VC组件热阻；T 为蒸汽温度；Rg为蒸汽的气体常数；L为汽化潜热；Pre为蒸汽压力；∆Pve为蒸发段蒸汽压力；Tv为蒸汽的热力学温度；Tc为冷凝段蒸汽温度。

经式（1）—式（11）的理论计算，可得Rvc-cp = 0.027 89◦C/W。

3 热仿真评估

在设计完成、打样测试之前，对均温板复合微通道液冷板进行仿真评估，评估其能否满足650W@100 W/cm2的散热需求以及氟化液在4 L/min流量下流阻小于15 kPa的设计需求。

仿真边界条件包括：热源尺寸为27 mm ×24 mm，工作介质为氟化液（温度为45◦C，密度为1 760 kg/m3，粘度为0.922 mPa·s，比热为1 178 J/(kg·◦C)，导热系数为0.060 9 W/(m·◦C)，饱和蒸汽压为6 767 Pa）；入口温度为45◦C，入口流量为4 L/min。

为了探索复合液冷板的优势和特性，对不同功耗下的性能进行了仿真评估，温度云图见图6—图9，仿真结果总结如表2所示。

VC与微通道冷板采用一体化加工，之间的接触热阻可以忽略。

工况1：均温板复合微通道液冷板，芯片功耗510 W，界面材料热阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。

工况2：均温板复合微通道液冷板，芯片功耗600 W，界面材料热阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。

工况3：均温板复合微通道液冷板，芯片功耗650 W，界面材料热阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。

工况4：常规微通道冷板，芯片功耗650 W，界面材料热阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。