均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究_刘帆.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering环境适应性设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.008均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究*刘帆1,2，范皓龙1,2，李帅1,2，郑笑天1,2，周晓东1,2（1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055；2.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）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（VaporChamber,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63.3C，热阻只有2.815E2C/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。关键词：均温板；微通道液冷板；热阻中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03003505Design of and Performance Research on Vapor Chamber CompositeMicrochannel Cold PlateLIU Fan1,2,FAN Haolong1,2,LI Shuai1,2,ZHENG Xiaotian1,2,ZHOU Xiaodong1,2(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518055,China;2.Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation,Shenzhen 518055,China)Abstract:In order to solve the heat dissipation of chips with high power consumption and high heat flux,a newcombined type of liquid cooling platevapor chamber(VC)composite microchannel cold plate is designed.Firstly,the design method of the VC composite microchannel cold plate is introduced,then the simulationevaluation is carried out,and finally the test and regression analysis are carried out.The test results showthat the VC composite microchannel cold plate can solve the heat dissipation problem of 650 W single chippower consumption and 100 W/cm2heat flux.In this case,the temperature of the bottom surface of the VCcomposite microchannel cold plate is63.3C and the thermal resistance is only 2.815E2C/W.In addition,within a certain range,as the power consumption of the heat source increases,the thermal resistance of theliquid cooling plate decreases and the heat dissipation effect becomes better.Key words:vapor chamber;microchannel cold plate;thermal resistance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12。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34。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57。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10C，故障率就会翻倍8。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910。*收稿日期：2022101035环境适应性设计2023年6月本文针对高功耗、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 1000m的冷板，主要通过铲翅工艺加工成型，散热能力约为80 W/cm2。(a)铣槽冷板(b)微通道冷板图 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100 W/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。铲齿VC腔体铲齿基板 盖板VC蒸发面VC冷凝面图 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。水流出口水流入口水冷板VC界面材料热源冷凝段蒸汽温度图 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。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。热源界面材料VC界面材料微通道冷板RcpRvc-timRvcRc-vc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Rvc-cp做如下定义：Rvc-cp=Rvc+Rvc-tim+Rcp=Tvc TinP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。36第39卷第3期刘帆，等：均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究环境适应性设计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45C、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70C，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。(a)均温板复合微通道液冷板(b)均温板图 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蒸发面冷凝面外壳厚/mm铜网厚/mm目数外壳厚/mm铜网厚/mm目数2.00.61001800.60.2100均温板主体尺寸为110mm 100mm 6mm。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：R1=1K1Ae=8.120E3(1)蒸发段吸液芯径向热阻：R2=hKvcAe=8.090E3(2)气液交界面蒸发热热阻：R3=RgT2(2RgTv)0.5L2PreAe=1.330E6(3)蒸汽流轴向流动热阻：R4=RgT2PveLPre=6.308E4(4)气液交界面冷凝热阻：R5=RgT2(2RgTc)0.5L2PreAe=7.797E8(5)冷凝吸液芯径向热阻：R6=wcKeAc=1.589E4(6)冷凝管壁径向热阻：R7=cKvcAc=1.435E4(7)VC热阻：Rvc=R1+R2+R7=1.715E2(8)VC和冷板焊接面热阻：Rvc-tim=2K2Ac=2.470E4(9)冷板热阻：Rcp=1.050E2(10)均温板复合微通道液冷板整体热阻：Rvc-cp=Rvc+Rvc-tim+Rcp=2.789E2(11)式中：1为蒸发面厚度；2为VC和冷板接触面焊接厚度；h为蒸发面吸液芯厚度；c为冷凝面厚度；wc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；为传热量；R1R7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=0.02789C/W。37环境适应性设计2023年6月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650 W100 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27mm24mm，工作介质为氟化液（温度为45C，密度为1760 kg/m3，粘度为0.922 mPas，比热为1178 J/(kgC)，导热系数为0.0609 W/(mC)，饱和蒸汽压为6767 Pa）；入口温度为45C，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/(mK)，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/(mK)，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/(mK)，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/(mK)，厚度0.15 mm。(a)热源壳温(b)复合冷板底面温度图 6工况1温度云图(a)热源壳温(b)复合冷板底面温度图 7工况2温度云图(a)热源壳温(b)复合冷板底面温度图 8工况3温度云图(a)热源壳温(b)微通道冷板底面温度图 9工况4温度云图表 2仿真结果项目工况1工况2工况3工况4芯片功耗/W500.0600.0650.0650.0Tvc/C56.758.960.071.3热源壳温/C76.282.185.293.2Rvc-cp/(CW1)2.317E2 2.317E2 2.308E2 4.046E2流阻/kPa10.210.210.210.2根据仿真评估结果，在45C供液温度、4 L/min供液流量下，复合微通道液冷板能够解决单芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm2的散热问题，此时均温板复合微通道液冷板底面温度为60C，热阻仅为2.308E2C/W。相同工况下，使用常规微通道冷板，冷板底面温度为71.3C，热源壳温为93.2C，无法满足散热需求。4实验分析4.1测试说明实验器材包括高精度液冷测试平台、温度测试相关仪器（模拟热源、温度测试仪、热电偶）以及其他测试配套物料（可调电源、工质、导热硅脂等）。4.2测试回归分析本文以均温板面积为110mm 100mm的均温板复合微通道液冷板样品为例进行测试。实验测试平台、测试样品几何模型及测温点布置如图10所示。均温板TvcT3T4T5T6(a)液冷测试平台(b)测试样品几何模型(c)测温点布局微通道冷板图 10实验环境38第39卷第3期刘帆，等：均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究环境适应性设计测试的冷却介质为氟化液，进液温度为45C，流量为4 L/min。测试原始数据如表3所示。测试过程因测试设备和外部环境温度的影响而存在一定的供液温度波动，将进液温度统一折算成45C，测试数据如表4所示。对测试结果进行处理和回归分析，结果如表5所示。表 3测试原始数据功耗/W流量/(Lmin1)Tin/CTc/CTvc/CT3/CT4/CT5/CT6/C510.04.042.572.557.250.347.751.850.9600.04.043.077.860.052.849.854.153.2650.04.045.083.763.355.852.757.756.8表 4进液温度45C时的测试数据功耗/W流量/(Lmin1)Tin/CTc/CTvc/CT3/CT4/CT5/CT6/C510.04.045.075.059.752.850.254.353.4600.04.045.079.862.054.851.856.155.2650.04.045.083.763.355.852.757.756.8表 5测试回归分析表项目测试数据仿真数据工况1工况2工况3工况1工况2工况3功耗/W510.0600.0650.0510.0600.0650.0Tvc/C59.762.063.356.758.960.0Tc/C75.079.883.776.282.185.2Rvc-cp/(CW1)2.882E22.833E22.815E22.317E22.317E22.308E2根据测试回归分析结果，得出以下结论：1）复合微通道液冷板可解决单芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm2的散热问题。此时，均温板复合微通道液冷板底面温度仅为63.3C，对应的热阻仅为2.815E2C/W。2）实测结果与仿真结果吻合较好，复合微通道液冷板的冷板底面温差在3C以内。3）在500 650W范围内，随着功耗的增加（不超过均温板的设计散热极限），复合微通道液冷板的热阻降低。5结束语本文通过对均温板复合微通道液冷板的设计和性能研究，得出以下结论：1）理论计算热阻2.789E2C/W与实测结果2.815E2C/W吻合较好，验证了理论计算方法的准确性；2）仿真对比表明，相比常规微通道冷板，均温板复合微通道液冷板的散热能力显著提升，验证边界下热阻降低40%；3）实测结果与仿真结果对比验证了复合微通道液冷板仿真方法的准确性，适用于高热通量散热场景；4）仿真和测试结果均表明，本文设计的复合微通道液冷板可以解决单芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm2的散热问题；5）在高功耗情况下（不超过均温板的设计散热极限），随着功耗的增加，复合微通道液冷板的热阻降低。参 考 文 献1 周海峰,邱颖霞,鞠金山,等.电子设备液冷技术研究进展J.电子机械工程,2016,32(4):710.2 陈洁琼.高效能云计算中心制冷技术节能研究J.制冷与空调,2019,19(6):79.3 谢丽娜,郭亮.对液冷技术及其发展的探讨J.信息通信技术与政策,2019,46(2):2225.4 李洁,石友康.数据中心绿色技术及其发展研究J.中兴通讯技术,2011(1):4549.5 刘帆,李振杰.5G路由器液冷系统的设计和探究J.电子机械工程,2021,37(4):25.6 于新刚,徐侃,苗建印,等.高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证J.宇航学报,2017,38(2):192197.7 刘启航,陈正江,黄巍.基于6SigmaET的液冷设备热分析及优化J.电子机械工程,2017,33(6):3235.8 吕洪涛.电子设备散热技术探讨J.电子机械工程,2011,27(5):811.9 金旸霖.一种新型的液冷机箱及冷板散热系统的研究J.电子技术与软件工程,2016,5(8):111114.10 石育佳,王秀峰,王彦青.CPU液体冷却器件及冷却液材料研究进展J.材料导报,2012,26(11):5660.刘帆男，1982年生，高级工程师，主要从事通讯设备热设计工作。范皓龙男，1991年生，工程师，主要从事IT及通讯设备热设计工作。39