引言

隨著通訊技術(shù)的快速發(fā)展，電子器件熱功率也不斷升高，產(chǎn)品每演進一代功耗攀升約30% ～ 50%，芯片熱流密度持續(xù)提升直接制約著芯片散熱和可靠性，同時由于功耗太高，現(xiàn)有機房能力不足，機房面臨的供電及散熱壓力較大。傳統(tǒng)風冷由于散熱噪聲大、能耗高、占地面積大，難以為繼。在此背景下，應(yīng)用液冷技術(shù)的液冷服務(wù)器等設(shè)備的液冷數(shù)據(jù)中心應(yīng)運而生，為數(shù)據(jù)中心的冷卻散熱提供了新的解決思路。在發(fā)展較快的間接式液冷技術(shù)中，液冷板是單相或兩相液體冷卻系統(tǒng)中的核心部件，電子元件與液冷板表面貼合，電子元件的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給液冷板，液冷板與工質(zhì)間進行強而有效的對流換熱帶走熱量。

芯片的散熱關(guān)系到設(shè)備的使用壽命。據(jù)研究結(jié)果，通訊領(lǐng)域電子元器件的故障率與溫度呈指數(shù)關(guān)系， 溫度每升高10 ?C，故障率就會翻倍。與傳統(tǒng)強制風冷相比，液冷技術(shù)散熱效果更好，散熱路徑更短，作為一種新興的高效散熱方式，可以更有效地解決目前運營商關(guān)于高功耗、高熱流密度設(shè)備在機房中應(yīng)用的痛點問題。此外，隨著設(shè)備功耗和熱流密度的增加，液冷技術(shù)散熱能力強、降低機房噪音和綠色節(jié)能等優(yōu)勢將更加突出。

本文針對高功耗、高熱流密度芯片的散熱，結(jié)合均溫板（Vapor Chamber, VC）高導(dǎo)熱性能和液冷板高效換熱性能，設(shè)計了一種新型均溫板復(fù)合微通道液冷板。 相比于傳統(tǒng)冷板，它具有更高效的散熱能力，更適合解決高功耗、高熱流密度散熱問題。首先介紹了均溫板復(fù)合微通道液冷板的結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計方法，接著開展了仿真評估，最后進行了測試及回歸分析。

復(fù)合微通道液冷板結(jié)構(gòu)及加工

液冷板按照流道形態(tài)可以分為銑槽冷板和微通道 冷板，如圖1所示。銑槽冷板通過機加工成型，受加工工藝限制，散熱能力約為65 W/cm²。微通道冷板通常指通道尺寸為10 ～ 1 000 μm的冷板，主要通過鏟翅工藝加工成型，散熱能力約為80 W/cm²。

圖 1 常規(guī)液冷板

在通訊領(lǐng)域，隨著數(shù)字化的發(fā)展，算力持續(xù)增長， 芯片熱流密度持續(xù)攀升，預(yù)計3年內(nèi)芯片功率密度將 超過100 W/cm²。針對高功耗、高熱流密度芯片，常規(guī)微通道冷板已經(jīng)無法滿足散熱需求。為了突破散熱瓶頸，將VC和微通道液冷板組合起來，綜合利用VC的熱量快速擴散能力和微通道液冷板的熱量傳輸能力，解決高熱流密度芯片的散熱問題。組合結(jié)構(gòu)部件如圖 2所示，主要器件包含VC部分、鏟齒基板、蓋板等。

圖 2 均溫板復(fù)合微通道液冷板組成示意圖

均溫板復(fù)合微通道液冷板的工作原理如圖3所示。芯片將熱量傳遞至界面材料，進一步傳遞至VC蒸發(fā)面，利用VC的均溫特性實現(xiàn)熱量的迅速擴散或遷 移，然后利用工質(zhì)和冷板的對流換熱不斷帶走芯片產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)高熱流密度芯片的冷卻。

圖 3 復(fù)合微通道液冷板工作原理圖

復(fù)合微通道液冷板結(jié)構(gòu)可通過焊接和一體化工藝加工成型。1）焊接成型。分別加工好VC和微通道冷板，使用釬焊焊接VC冷凝面與微通道冷板底板，完成復(fù)合微通道液冷板的結(jié)構(gòu)加工，最后進行VC工質(zhì)充注。2）一體化工藝主要指液冷板基板與VC冷凝板的一體化加工。首先加工好VC蒸發(fā)板和冷凝板，將VC 冷凝板作為液冷板基板并在冷凝板的背面直接加工鏟翅，然后使用擴散焊或激光焊完成VC焊接，之后使用釬焊工藝與液冷板蓋板連接。至此，完成復(fù)合微通道液冷板的結(jié)構(gòu)加工。最后進行VC工質(zhì)充注。

為減小VC和微通道冷板之間的界面熱阻，獲得性能更優(yōu)的復(fù)合微通道液冷板，本次研究對象采用一體化加工工藝進行生產(chǎn)制造。

復(fù)合微通道液冷板設(shè)計方法

2.1 熱阻分解

均溫板復(fù)合微通道液冷板的設(shè)計通常從熱阻角度出發(fā)，將冷板的組成熱阻分解，然后根據(jù)各部分熱阻對各部分組件進行設(shè)計，最終保證熱阻滿足設(shè)計要求，解決高功耗、高熱流密度散熱問題。

均溫板復(fù)合微通道液冷板熱阻（圖4）可分解為熱源到均溫板蒸發(fā)面熱阻R_c-vc、均溫板本體熱阻R_vc、均溫板冷凝面到冷板表面熱阻R_vc-tim（均溫板和微通道冷板通過錫焊結(jié)合）和冷板本體熱阻R_cp。

圖 4 均溫板復(fù)合微通道液冷板結(jié)構(gòu)和熱阻示意圖

關(guān)于熱阻，不同學者定義不同。為表征均溫板復(fù) 合微通道液冷板的熱阻特性，本文對其熱阻R_vc-cp做 如下定義：

式中：T_vc為均溫板復(fù)合微通道液冷板底面溫度；T_in為 工質(zhì)入口溫度；P 為熱源功率。

VC和冷板復(fù)合的地方可采用一體化加工工藝，因此這部分的接觸熱阻可忽略不計，即R_vc-tim接近于0， 仿真處理時，材料硬接觸即可。對于液冷板的熱阻優(yōu)化，需合理進行材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時借助仿真工具進行仿真評估或理論計算，使液冷板滿足熱阻要求。 流道設(shè)計是液冷板設(shè)計的重點之一，可采用拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化等手段。

熱源與均溫板蒸發(fā)面之間的界面熱阻主要由界面 材料決定，與均溫板復(fù)合微通道液冷板自身的熱阻無關(guān)，因此本文不予考慮，而以均溫板蒸發(fā)面的最高溫度作為散熱性能的評估依據(jù)。

均溫板復(fù)合微通道液冷板的設(shè)計目標是兼具優(yōu)良 的散熱性能和低熱阻特性。根據(jù)熱阻分解結(jié)果，熱阻設(shè)計的關(guān)鍵是盡可能減小均溫板本體和冷板本體的熱阻，最終通過優(yōu)化均溫板結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計高性能微通道冷板實現(xiàn)設(shè)計目標。

本文設(shè)計的指標為在冷板供液溫度45 ?C、氟化液 流量4 L/min、芯片功耗650 W、熱流密度100 W/cm² 時，冷板底面溫度小于70 ?C，氟化液流阻小于15 kPa。 以此為目標開展復(fù)合微通道液冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱阻分析。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先設(shè)計了均溫板復(fù)合微通道液冷板中均溫板和 微通道冷板的結(jié)構(gòu)。然后利用理論公式對各部分熱阻進行計算，最后進行打樣測試。

根據(jù)散熱能力和熱阻的要求，分別設(shè)計了微通道冷板和均溫板。均溫板復(fù)合微通道液冷板的幾何圖形如圖5所示。

圖 5 均溫板復(fù)合微通道液冷板及其均溫板的幾何模型

為了獲得優(yōu)異的散熱性能和低熱阻特性，均溫板結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表 1 均溫板結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

均溫板主體尺寸為110 mm × 100 mm × 6 mm。 液冷板采用微通道流道，齒間距和齒厚均為0.2 mm。

2.3 熱阻計算

根據(jù)均溫板復(fù)合微通道液冷板的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及熱 阻理論計算公式，各部分熱阻的計算過程及結(jié)果如下。

蒸發(fā)壁面的徑向熱阻：

蒸發(fā)段吸液芯徑向熱阻：

氣液交界面蒸發(fā)熱熱阻：

蒸汽流軸向流動熱阻：

氣液交界面冷凝熱阻：

冷凝吸液芯徑向熱阻：

冷凝管壁徑向熱阻：

VC熱阻：

VC和冷板焊接面熱阻：

冷板熱阻：

均溫板復(fù)合微通道液冷板整體熱阻：

式中：δ₁為蒸發(fā)面厚度；δ₂為VC和冷板接觸面焊接厚度；δ_h為蒸發(fā)面吸液芯厚度；δ_c為冷凝面厚度；δ_wc為冷 凝面吸液芯厚度；A_e為蒸發(fā)面面積；A_c為冷凝面面積；K₁為蒸發(fā)面導(dǎo)熱系數(shù)；K₂為VC和冷板焊接面導(dǎo)熱系 數(shù)；K_vc為VC吸液芯導(dǎo)熱系數(shù)；K_e為冷凝面導(dǎo)熱系數(shù)； Φ為傳熱量；R₁—R₇ 為VC組件熱阻；T 為蒸汽溫度；R_g為蒸汽的氣體常數(shù)；L為汽化潛熱；P_re為蒸汽壓力； ?P_ve為蒸發(fā)段蒸汽壓力；T_v為蒸汽的熱力學溫度；T_c 為冷凝段蒸汽溫度。

經(jīng)式（1）—式（11）的理論計算，可得R_vc-cp = 0.027 89 ?C/W。

熱仿真評估

在設(shè)計完成、打樣測試之前，對均溫板復(fù)合微通道液冷板進行仿真評估，評估其能否滿足650 W@100 W/cm² 的散熱需求以及氟化液在 4 L/min流量下流阻小于15 kPa的設(shè)計需求。

仿真邊界條件包括：熱源尺寸為27 mm ×24 mm， 工作介質(zhì)為氟化液（溫度為45 ?C，密度為1 760 kg/m³， 粘度為0.922 mPa·s，比熱為1 178 J/(kg· ?C)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.060 9 W/(m· ?C)，飽和蒸汽壓為6 767 Pa）；入口溫度為45 ?C，入口流量為4 L/min。

為了探索復(fù)合液冷板的優(yōu)勢和特性，對不同功耗下的性能進行了仿真評估，溫度云圖見圖6—圖9，仿真結(jié)果總結(jié)如表2所示。VC與微通道冷板采用一體化加工，之間的接觸熱阻可以忽略。

工況1：均溫板復(fù)合微通道液冷板，芯片功耗 510 W，界面材料熱阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。工 況2：均溫板復(fù)合微通道液冷板，芯片功耗600 W，界面材料熱阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。工況3：均溫板復(fù)合微通道液冷板，芯片功耗650 W，界面材料熱阻6 W/(m·K)，厚度0.15 mm。工況4：常規(guī)微通道冷板，芯片功耗650 W，界面材料熱阻6 W/(m·K)，厚度 0.15 mm。

根據(jù)仿真評估結(jié)果，在45 ?C供液溫度、4 L/min 供液流量下，復(fù)合微通道液冷板能夠解決單芯片功耗650 W、熱流密度100 W/cm² 的散熱問題，此時均溫板復(fù)合微通道液冷板底面溫度為60 ?C，熱阻僅為 2.308E?2 ?C/W。相同工況下，使用常規(guī)微通道冷板， 冷板底面溫度為71.3 ?C，熱源殼溫為93.2 ?C，無法滿足散熱需求。

實驗分析

4.1 測試說明

實驗器材包括高精度液冷測試平臺、溫度測試相關(guān)儀器（模擬熱源、溫度測試儀、熱電偶）以及其他測試配套物料（可調(diào)電源、工質(zhì)、導(dǎo)熱硅脂等）。

4.2 測試回歸分析

本文以均溫板面積為110 mm × 100 mm的均溫 板復(fù)合微通道液冷板樣品為例進行測試。實驗測試平臺、測試樣品幾何模型及測溫點布置如圖10所示。

圖 10 實驗環(huán)境

測試的冷卻介質(zhì)為氟化液，進液溫度為45 ?C，流量為4 L/min。測試原始數(shù)據(jù)如表3所示。測試過程因測試設(shè)備和外部環(huán)境溫度的影響而存在一定的供液溫度波動，將進液溫度統(tǒng)一折算成45 ?C，測試數(shù)據(jù)如表4所示。對測試結(jié)果進行處理和回歸分析，結(jié)果如表5所示。

根據(jù)測試回歸分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：1）復(fù)合微通道液冷板可解決單芯片功耗650 W、熱流密度100 W/cm² 的散熱問題。此時，均溫板復(fù)合微通道液冷板底面溫度僅為63.3 ?C，對應(yīng)的熱阻僅為 2.815E?2 ?C/W。2）實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好， 復(fù)合微通道液冷板的冷板底面溫差在3 ?C以內(nèi)。3）在 500 ～ 650 W范圍內(nèi)，隨著功耗的增加（不超過均溫板的設(shè)計散熱極限），復(fù)合微通道液冷板的熱阻降低。

結(jié)束語

本文通過對均溫板復(fù)合微通道液冷板的設(shè)計和性能研究，得出以下結(jié)論：

1）理論計算熱阻2.789E?2 ?C/W與實測結(jié)果 2.815E?2 ?C/W吻合較好，驗證了理論計算方法的 準確性；

2）仿真對比表明，相比常規(guī)微通道冷板，均溫板復(fù)合微通道液冷板的散熱能力顯著提升，驗證邊界下熱阻降低40%；

3）實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比驗證了復(fù)合微通道液 冷板仿真方法的準確性，適用于高熱通量散熱場景；

 4）仿真和測試結(jié)果均表明，本文設(shè)計的復(fù)合微 通道液冷板可以解決單芯片功耗650 W、熱流密度 100 W/cm²的散熱問題；

5）在高功耗情況下（不超過均溫板的設(shè)計散熱極限），隨著功耗的增加，復(fù)合微通道液冷板的熱阻降低。

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