隨著通訊技術的快速發展，電子器件熱功率也不斷升高，產品每演進一代功耗攀升約30% ～ 50%，芯片熱流密度持續提升直接制約著芯片散熱和可靠性，同時由于功耗太高，現有機房能力不足，機房面臨的供電及散熱壓力較大。傳統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，應用液冷技術的液冷服務器等設備的液冷數據中心應運而生，為數據中心的冷卻散熱提供了新的解決思路。在發展較快的間接式液冷技術中，液冷板是單相或兩相液體冷卻系統中的核心部件，電子元件與液冷板表面貼合，電子元件的熱量通過熱傳導傳遞給液冷板，液冷板與工質間進行強而有效的對流換熱帶走熱量。芯片的散熱關系到設備的使用壽命。據研究結果，通訊領域電子元器件的故障率與溫度呈指數關系， 溫度每升高10 ?C，故障率就會翻倍。與傳統強制風冷相比，液冷技術散熱效果更好，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于高功耗、高熱流密度設備在機房中應用的痛點問題。此外，隨著設備功耗和熱流密度的增加，液冷技術散熱能力強、降低機房噪音和綠色節能等優勢將更加突出。本文針對高功耗、高熱流密度芯片的散熱，結合均溫板（Vapor Chamber, VC）高導熱性能和液冷板高效換熱性能，設計了一種新型均溫板復合微通道液冷板。 相比于傳統冷板，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合微通道液冷板的結構組成和設計方法，接著開展了仿真評估，最后進行了測試及回歸分析。液冷板按照流道形態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。在通訊領域，隨著數字化的發展，算力持續增長， 芯片熱流密度持續攀升，預計3年內芯片功率密度將 超過100 W/cm2。針對高功耗、高熱流密度芯片，常規微通道冷板已經無法滿足散熱需求。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。組合結構部件如圖 2所示，主要器件包含VC部分、鏟齒基板、蓋板等。均溫板復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蒸發面，利用VC的均溫特性實現熱量的迅速擴散或遷 移，然后利用工質和冷板的對流換熱不斷帶走芯片產生的熱量，實現高熱流密度芯片的冷卻。復合微通道液冷板結構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，完成復合微通道液冷板的結構加工，最后進行VC工質充注。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，完成復合微通道液冷板的結構加工。最后進行VC工質充注。為減小VC和微通道冷板之間的界面熱阻，獲得性能更優的復合微通道液冷板，本次研究對象采用一體化加工工藝進行生產制造。均溫板復合微通道液冷板的設計通常從熱阻角度出發，將冷板的組成熱阻分解，然后根據各部分熱阻對各部分組件進行設計，最終保證熱阻滿足設計要求，解決高功耗、高熱流密度散熱問題。均溫板復合微通道液冷板熱阻（圖4）可分解為熱源到均溫板蒸發面熱阻Rc-vc、均溫板本體熱阻Rvc、均溫板冷凝面到冷板表面熱阻Rvc-tim（均溫板和微通道冷板通過錫焊結合）和冷板本體熱阻Rcp。關于熱阻，不同學者定義不同。為表征均溫板復 合微通道液冷板的熱阻特性，本文對其熱阻Rvc-cp做 如下定義：式中：Tvc為均溫板復合微通道液冷板底面溫度；Tin為 工質入口溫度；P 為熱源功率。VC和冷板復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Rvc-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化，需合理進行材料選擇和結構設計，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。 流道設計是液冷板設計的重點之一，可采用拓撲結構優化等手段。熱源與均溫板蒸發面之間的界面熱阻主要由界面 材料決定，與均溫板復合微通道液冷板自身的熱阻無關，因此本文不予考慮，而以均溫板蒸發面的最高溫度作為散熱性能的評估依據。均溫板復合微通道液冷板的設計目標是兼具優良 的散熱性能和低熱阻特性。根據熱阻分解結果，熱阻設計的關鍵是盡可能減小均溫板本體和冷板本體的熱阻，最終通過優化均溫板結構參數以及設計高性能微通道冷板實現設計目標。本文設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。 以此為目標開展復合微通道液冷板的結構設計和熱阻分析。首先設計了均溫板復合微通道液冷板中均溫板和 微通道冷板的結構。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。根據散熱能力和熱阻的要求，分別設計了微通道冷板和均溫板。均溫板復合微通道液冷板的幾何圖形如圖5所示。圖 5 均溫板復合微通道液冷板及其均溫板的幾何模型為了獲得優異的散熱性能和低熱阻特性，均溫板結構設計參數如表1所示。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。根據均溫板復合微通道液冷板的結構參數以及熱 阻理論計算公式，各部分熱阻的計算過程及結果如下。式中：δ1為蒸發面厚度；δ2為VC和冷板接觸面焊接厚度；δh為蒸發面吸液芯厚度；δc為冷凝面厚度；δwc為冷 凝面吸液芯厚度；Ae為蒸發面面積；Ac為冷凝面面積；K1為蒸發面導熱系數；K2為VC和冷板焊接面導熱系 數；Kvc為VC吸液芯導熱系數；Ke為冷凝面導熱系數； Φ為傳熱量；R1—R7 為VC組件熱阻；T 為蒸汽溫度；Rg為蒸汽的氣體常數；L為汽化潛熱；Pre為蒸汽壓力； ?Pve為蒸發段蒸汽壓力；Tv為蒸汽的熱力學溫度；Tc 為冷凝段蒸汽溫度。經式（1）—式（11）的理論計算，可得Rvc-cp = 0.027 89 ?C/W。
在設計完成、打樣測試之前，對均溫板復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的設計需求。仿真邊界條件包括：熱源尺寸為27 mm ×24 mm， 工作介質為氟化液（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)，導熱系數為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。為了探索復合液冷板的優勢和特性，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，仿真結果總結如表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。根據仿真評估結果，在45 ?C供液溫度、4 L/min 供液流量下，復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。實驗器材包括高精度液冷測試平臺、溫度測試相關儀器（模擬熱源、溫度測試儀、熱電偶）以及其他測試配套物料（可調電源、工質、導熱硅脂等）。本文以均溫板面積為110 mm × 100 mm的均溫 板復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。測試的冷卻介質為氟化液，進液溫度為45 ?C，流量為4 L/min。測試原始數據如表3所示。測試過程因測試設備和外部環境溫度的影響而存在一定的供液溫度波動，將進液溫度統一折算成45 ?C，測試數據如表4所示。對測試結果進行處理和回歸分析，結果如表5所示。根據測試回歸分析結果，得出以下結論：1）復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，均溫板復合微通道液冷板底面溫度僅為63.3 ?C，對應的熱阻僅為 2.815E?2 ?C/W。2）實測結果與仿真結果吻合較好， 復合微通道液冷板的冷板底面溫差在3 ?C以內。3）在 500 ～ 650 W范圍內，隨著功耗的增加（不超過均溫板的設計散熱極限），復合微通道液冷板的熱阻降低。本文通過對均溫板復合微通道液冷板的設計和性能研究，得出以下結論：1）理論計算熱阻2.789E?2 ?C/W與實測結果 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，相比常規微通道冷板，均溫板復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）實測結果與仿真結果對比驗證了復合微通道液 冷板仿真方法的準確性，適用于高熱通量散熱場景； 4）仿真和測試結果均表明，本文設計的復合微 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（不超過均溫板的設計散熱極限），隨著功耗的增加，復合微通道液冷板的熱阻降低。
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