摘要：随着电子技术持续演进，液体冷却系统的应用正突破传统边界，迈向高性能电子设备、电动汽车、电信、航空航天等多个细分市场。

随着电子技术持续演进，液体冷却系统的应用正突破传统边界，迈向高性能电子设备、电动汽车、电信、航空航天等多个细分市场。

尤其是近日在AI芯片制造领域备受关注的“微通道水冷板（MLCP）”技术，以将金属盖与液冷板进行集成并内嵌微通道的方式，来突破现有风冷和液冷技术的极限，从而应对AI芯片功耗增长带来的数据中心散热挑战。散热技术与AI芯片设计的协同演进，为金属增材制造-3D打印技术带来了机遇。金属3D打印技术凭借实现高设计自由度的天然属性，在复杂微流道设计、模块化集成等方向上与下一代高性能液体冷却系统有着值得探索的融合路径。 3D科学谷将通过热设计专家Expert Thermal所做的液体冷却冷板设计参考，从冷板设计的关键细节、注意事项与设计权衡、冷板制造技术及金属3D打印带来的设计自由度、关键热考量因素、冷板可靠性测试、未来展望等方面，为致力于推动下一代液体冷却系统制造的谷友提供些许参考。

本期文章为上篇，聚焦于冷板工作原理、冷板液体冷却的优势、关键细节、注意事项与设计权衡、冷板组装、拓扑优化的定制冷板通道，此外还将在文末分享我国企业的3D打印应用案例。

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冷板是怎样工作的？

冷板是液体冷却系统的基础。与依赖笨重散热器和风扇通过对流散热的传统风冷不同，冷板采用闭式回路液体冷却方法。这种方法以更高效率直接将热量从高功率元件（如CPU、GPU、内存模块和功率电子器件）带走。

实现这一性能的关键在于冷板内精密微通道中冷却剂的循环。当流体流经发热器件下方时，会吸收热能并将其携带至远程热交换器进行安全耗散。这种直接让液体与热表面的接触方式实现了更快、更均匀的热量去除，从而实现更严格的温度控制、提高系统可靠性并延长电子元件的使用寿命。

一个典型的冷板由两个主要结构部件组成：

基板：包含微通道热交换器

顶盖：封闭流体通道并集成进口/出口连接器

这两个部件通过一种永久性连接工艺结合在一起，该工艺会根据所选材料（通常是铝、铜或先进复合合金）进行优化，例如钎焊、扩散焊或焊接。即使在压力、振动或温度循环条件下，连接处也需要在整个冷却系统使用寿命期间保持液体密封性。

图：冷板设计

管路与顶盖上的流体端口相连接，形成冷却液循环所必需的进口与出口流路，使其得以流经内部通道。

冷板基座被设计为与目标器件（如处理器或功率模块）直接接触。为最大限度降低界面热阻，需在器件与冷板之间施加 TIM2 材料（热界面材料，通常为导热垫或导热膏）。此举可确保两者表面紧密接触，从而将热量最大限度地传导至正下方的液冷微通道中。

关键细节决定成败

铜或铝因为优异的导热性，而被选为大多数冷板的制造材料。新兴设计也可能集成石墨复合材料或其他先进材料，以在提升性能的同时减轻重量。

内部流动通道的设计和拓扑结构显著影响冷却剂流速、压降和热均匀性。微通道密度、翅片几何形状和湍流促进器都经过精细调整，以满足应用特定的热通量要求。

要在热性能和液压阻力之间实现最佳平衡，需要部署针对几何灵活性和复杂性水平定制的多种优化方法：

1、尺寸优化

尺寸优化的核心在于调整一组定义部件几何形状的有限离散或连续参数，例如通道宽度、翅片高度、间距以及壁厚。这些参数通常对应于技术图纸和CAD模型中所见的尺寸。

连续变量（例如，以毫米为单位的通道宽度）适用于基于梯度的优化方法（例如，序列二次规划、BFGS）。

离散变量（例如，通道数量或翅片行数）通常需要全局搜索技术，如遗传算法、粒子群优化或模拟退火。

应用案例：在给定流速下，为达到目标压降，选择冷板中的最优翅片间距和通道深度。

2、形状优化

形状优化通过细化冷却结构的内部和外部曲面，以改善流动分布或最小化热点。与尺寸优化不同，形状由空间的连续函数（例如，贝塞尔曲线、B样条）描述，这使得设计空间是无限维的。

优化通常采用基于伴随法的灵敏度分析来执行，即计算相对于局部形状扰动的梯度。网格变形或边界变形技术常用于CFD耦合框架中。

应用案例：优化进出口集流管，以减少再循环区并提升平行微通道间的流动均匀性。

3、拓扑优化

拓扑优化通过允许在设计域内任意位置添加或移除材料，提供了最高程度的设计自由度。由此产生的非直观布局可能包含穿孔、内部空腔和分支结构，从而显著提升热工水力性能。

两大主流技术包括：

基于密度的方法：引入一个连续的密度场来插值材料分布。

水平集方法：利用隐函数追踪演化中的界面，从而实现更清晰的几何提取。

这些方法常与惩罚方案（例如，SIMP）结合使用，并需要为满足可制造性进行正则化处理。

应用案例：在空间约束下，设计具有分支或树状通道的散热器，以实现最小热阻。

4、混合与多目标优化方法

在实际应用中，优化往往需要在热阻、压降、重量、成本及可制造性等多个目标之间进行权衡。混合方法将不同技术（例如，先进行拓扑优化，再进行局部形状微调）结合起来，并辅以代理模型来降低计算负荷。

应用案例：针对高过载环境（如航空电子冷却）下的冷板，协同优化其热性能和结构性能。

较大的冷板自然能提供更大的传热表面积，但最佳效能源于对尺寸、重量和性能需求的平衡。在对重量敏感的应用（如航空航天领域），低质量的复合材料可能优先于高导热性金属。

数据中心优先考虑热效率和耐腐蚀性；航空航天领域看重轻量化且耐振动设计；而电信系统则要求在紧凑外形下实现高可靠性。冷板设计必须满足每个行业独特的热管理和机械约束条件。

冷板液体冷却的优势

液体冷却的效率比空气冷却高出数个数量级。由于液体相较于空气具有更高的密度与比热容，实现同等热量传递所需的质量流量显著降低。这一特性使得热设计能够实现紧凑高效的布局，从而应对更高的功率密度。微通道液冷板具备对流传热系数高、极限散热密度大及热阻低的综合优势。

通过冷却液流动将热量转移至远端，冷板系统减少了电子设备自身对庞大散热器或风扇的依赖。这有助于打造更小巧、更轻便的系统——对于军事、航空航天及移动设备等空间和重量受限的应用场景而言尤为关键。

热稳定的工作环境使得半导体器件和处理器能够在无需降频的情况下更接近其性能极限运行。在高性能计算、电力电子及射频系统中，这直接转化为处理吞吐量、精度与可靠性的全面提升。

由于热交换器与电子设备实现了解耦，废热可被远距离排放至机柜外、建筑物外部，甚至可重新导向用于加热其他子系统。这为更大范围系统设计中的热能再利用与能效优化创造了新的可能。

注意事项与设计权衡

尽管电子设备日益紧凑，但液体冷却系统通常需要增加冷板、泵、热交换器和管路等额外组件，这无疑增加了系统体积与复杂性。部分配置还需膨胀罐或压力调节器来管理冷却剂的热膨胀，从而同时增加了设计工作量与系统总成本。

液体冷却系统引入了多种机械连接件（如接头、连接处、管路、钎焊点），这些均构成潜在的泄漏风险。水是一种优良的冷却剂，但存在凝固与沸腾的限制，除非经过乙二醇改性处理。然而，乙二醇会降低冷却液的热容量。替代性冷却剂（如氨或介电流体）或许在性能或电绝缘性方面具有优势，但往往伴随毒性、腐蚀性或可燃性等安全隐患。

冷板内部依赖狭窄的流道，这些通道长期运行后可能积聚杂质、发生腐蚀或堵塞。大多数冷板的内部几何结构（无论是机加工、钎焊还是3D打印-增材制造成型）是不可现场维护的，因此必须建立前瞻性的过滤、腐蚀控制与系统冲洗方案，以避免不可逆的性能下降。

微通道冷板能够实现极高的传热系数与较低的热阻，但其代价是流动阻力的增加。当通过减小通道尺寸来强化散热时，系统压降会显著上升，这就要求配置更大功率的泵并导致能耗增加。在设计过程中，必须对流体网络中的分配均匀性与压降特性进行审慎考量。

冷板组装：组件与系统集成

一套完整的冷板冷却解决方案不仅限于冷板本身。它还包括一套辅助性的流体分配组件、连接硬件及可选的安全系统，共同确保无缝集成、可维护性及运行可靠性。

图：冷板组装

冷板组件的关键构成部分：

管路将冷板与更大的液冷回路相连，实现冷却液的连续流动。

金属材质选项（如铜、铝）提供机械耐久性及高耐压性。

非金属材质选项（如PTFE、PEX、EPDM）则具备柔韧性及化学兼容性优势。

管路材料的选择必须与冷板的流体连接器类型以及系统要求（如弯曲半径、耐温范围与耐化学性）相匹配。

快速接头可在进行日常维护或设备检修时，快速隔离冷板与流体管路，而无需排空整个系统内的冷却液。这对于保障数据中心的运行时间与可维护性至关重要。

作为流体管路与快速接头之间的适配器，转换连接器确保了不同几何形状的流体连接器与各类管路标准之间的兼容性。

在流体管路和连接器周围缠绕泄漏检测电缆或感应绳，可在发生流体泄漏时实现早期检测与报警。这对于保护下游电子设备，并最大限度减少数据中心等敏感环境中的停机时间至关重要。

传统冷板制造

冷板采用多种技术制造，包括钎焊、搅拌摩擦焊（FSW）、软钎焊和 O 型圈密封——每种技术根据性能、成本和可靠性需求提供独特优势。钎焊支持高压操作并允许集成翅片结构，但成本可能较高且会导致铜退火，从而降低结构强度。FSW 避免了退火并实现了坚固的整体结构，尽管需要更多的材料和加工时间，增加了总成本。软钎焊更经济且避免了热软化，但可能导致脆性焊点、空洞以及对于某些翅片几何形状（如刮削翅片）的限制。组装方法的选择取决于应用特定的热性能、机械完整性和制造成本之间的权衡。

图：ToffeeX 冷板

拓扑优化的定制冷板通道

传统冷板设计通常采用横截面几何形状一致的直形或均匀弯曲冷却流道。虽然制造简单，但这类设计存在若干制约冷却效率的性能局限：

传热效率不足

传统流道提供的冷却液与热源间接触面积有限，削弱了对流传热效果，导致热性能难以最优，尤其在高功率或非均匀热通量应用中更为明显。

流动特性受限

传统设计中的急弯与均匀几何形状会引发流动分离与湍流，既限制冷却液流速又增加压降，最终导致流量降低与热传输能力受损。

冷却分布不均

由于标准流道未考虑发热量的空间差异，冷却液会均匀分配而忽略局部热通量变化。这造成高负载区域形成热点，其他区域却过度冷却，既浪费冷却能力又危及系统可靠性。

图：基于拓扑优化的复合冷板热设计

而拓扑优化通过计算算法设计则针对特定热力学与流体动力学目标来定制流体路径。该方法突破几何简洁性的束缚，生成通常仅能通过增材制造（AM）或先进机加工实现的非直观高性能流道架构。从而实现以下优势：

定制优化的流道路径最大化接触面积并精准覆盖高热通量区域，显著提升排热能力。与传统布局相比，可实现更高效、更快速的冷却效果。

通过减少急弯结构与优化流体速度分布，拓扑优化流道有效降低流动阻力。得以在更低泵功下实现更高冷却液吞吐量，同步提升冷却效率与系统能效。

与均匀流道设计不同，拓扑优化布局使冷却液分配适配局部发热情况，确保温度均匀性，消除热点现象，并充分提升冷板覆盖区域的热利用效率。

最后分享两个来自我国3D打印企业在液冷散热领域的应用案例：

针/片混合结构铜金属3D打印样件

制造商：广东必极科技有限公司

考虑到芯片散热不均匀问题，广东必极科技展示的针/片混合结构3D打印样件，在最大程度提升散热比表面积的同时，能够更有效的针对不同散热区域进行特殊设计，同时通过分流设计，降低流阻。

铜金属3D打印仿生流道样件

制造商：广东必极科技有限公司

通过AI软件自动生成仿生流道，最大限度降低压阻，降低水泵能耗，以此降低整个液冷系统的PUE值。

未完待续

下篇将侧重于分享：金属3D打印带来的制造自由度、液冷冷板设计的关键热考量因素、冷板可靠性测试、新兴市场的未来展望等话题。

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来源：WiFi科技圈