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数据中心冷板式液冷散热方案：从历史数据看，仅冷却一项可占到数据中心电耗的40%，随着GPU热设计功耗的不断提升，传统风冷散热开始面临瓶颈，而液冷的散热效率远高于风冷，尤其是采用微通道液冷天花板更高，根据英伟达数据，通过部署液体冷却的 GB200 NVL72 系统，一个 50 兆瓦的超大规模数据中心每年可节省超过 400 万美元。
根据中国信息通信研究院数据，2024 年我国智算中心液冷市场规模达到 184 亿元，同比增长 66%，2029 年预计进一步达到 1300 亿元，液冷市场需求有望迎来爆发。其中冷板式液冷是应用最广的液冷方式，作为一种间接液冷方式通过装有液体的铜/铝导热金属构成的封闭腔体来进行导热，由于服务器芯片等发热器件不用直接接触液体，所以该系统不需对整套机房设备进行重新改造设计，可操作性更强，因此冷板式液冷成熟度最高、应用最广泛。
3D 打印技术又称为增材制造(Additive Manufacture，AM)技术，在航空航天、医疗、工业等领域具有广阔发展前景。3D打印技术从模型开始，将 3D 模型进行“切片”使其成为多个可以理解为 2D平面的薄层，再通过类似喷墨打印机的方式进行逐层的打印与堆叠，从而通过逐层控制材料在3D 空间的位置和黏合力来制造物体。
3D 打印技术分类较多，但整体以挤压工艺、光聚合工艺、粉末颗粒黏合工艺、层叠工艺为主。
液冷板通过与发热元件接触实现换热，一般由冷板基板、流道盖板、流体通道构成。
数据中心液冷板结构
液冷板常见的设计方案包括铲齿式、管道式、曲折式、针状式、微通道等，其中铲齿式是目前数据中心场景中占比最高的类型。
数据中心目前液冷板以铲齿式为主
3D 打印首先解放了流道设计限制，持续提升散热性能。对液冷板性能影响最大的是液冷板的流道设计，需要考虑冷板上总的热负载、单个器件的热耗密度、系统提供的冷却液流量、要求的器件表面温度和冷却液入口温度等。例如将直线流道通过拓扑优化改为类似植物叶脉状的流道能够显著提升散热性能。
而由于3D打印技术通常是对产品分层进行加工，流道设计的复杂化对加工时间、质量的影响显著弱于 CNC 等方式，让流道设计有持续优化的空间。例如在上述流道设计优化的基础上，还通过拓扑优化+仿生设计可以进一步优化为双尺度流道，其中宏观流道可以提高流动的均匀性，降低功耗散，微观叶脉流道可以有效的更加流热交换面积，增强热传导提升散热性能，且增强均温性。
通过拓扑优化+仿生设计得到的双尺度流道散热性能更强
同时由于 3D 打印为一体化成型，结构强度、连接处热阻也均优于传统焊接工艺制造的冷板。液冷板常用的密封焊接方式主要有真空钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电子束焊等工艺方式。
根据锦富技术信息，其定制开发的0.08mm铲齿散热架构已获得某台湾客户的订单，已用于B200芯片的液冷散热系统，可有效解决1800W-2000W及以上功耗处理器的TDP热效应问题，保障处理器模组低温稳定运行。此外，针对下一代B300芯片的适配方案也已完成多轮送样测试，反馈良好，进入生产准备阶段。
锦富技术铲齿微通道液冷板已用于 B200 芯片的液冷散热系统
为了尽可能增大散热接触面积，目前产业主要通过铲齿工艺制造微通道液冷板，将铜直接切出小的翅片，一般将当量直径低于1mm的散热器定义为微通道液冷板。
将铜进行铲齿加工的微通道液冷板
直通道是最基础的微通道类型，适合应用在要求低压降的工作环境中，对直通道结构进行调整后可以改善其传热性能，例如采用高锥度的锥形通道可以让流体更早过渡到湍流，在较低的雷诺数下具有更大的传热系数和更高的压降。
微通道换热器通道设计有较大优化空间
由于微通道液冷板涉及极小尺寸的立体复杂结构制造（尤其是要实现仿生流道设计），传统铲齿、微铣削、微电火花加工、微冲压等制造工艺均存在较大限制，受到材料厚度和几何结构复杂程度的限制，难以加工出深宽比大和结构复杂的沟槽，通过3D打印进行制造前景更好。
微通道液冷板制造中3D技术路线前景更好
近年多孔结构也逐渐被应用于微通道中来增强换热，因其能够有效拓展传热面积而增强传热,还为气泡形核、生长提供了大量的微孔和理想的空间从而缓解了流动不稳定性,已被证明具有非常好的强化传热效果。
三种多孔结构增强热性能对比
所以综合三者而言,微通道骨架为多孔结构具有最优的散热效果。而通过采用 3D 打印技术，可以直接将金属颗粒烧结成多孔基质，再在多孔基质内部制备微型通道即形成了微通道骨架为多孔结构的微通道，进一步增强散热性能。
3D打印可制造性能最强的多孔结构微通道骨架
根据微通道液冷板结构设计，虽然通过真空钎焊和扩散焊可以实现平面焊缝焊接，但由于微通道液冷板宽度不足 1mm，采用真空钎焊工艺，焊料熔化后流动会填充微通道,造成微通道的堵塞。采用扩散焊工艺,扩散焊过程中施加的压力将导致微通道结构尺寸的改变,影响流阻及换热性能。3D 打印一体成形则可以避免这些问题。
在较高的冷却液流量和热功率下，铜和铝是最常见的冷板材料，而铜的导热系数更高散热效果更好。
但要实现铜的3D打印较为困难，主要由于纯铜对于主流的激光器波长会有很高的反射率，通过选区激光熔化和激光融化成形时难以沉积，还容易产生球化、孔洞、微裂痕等冶金缺陷。一般激光器波长大于1060nm，进行铜3D打印需要选用例如450nm波光的蓝光激光器或515nm的绿光激光器，可以显著降低铜的反射率。
CoolestDC基于EOS DMLS技术和高密度EOS Copper CuCP工艺开发一体式冷板。冷板一体式设计无垫片、无接头并可承受6bar以上水压。和风冷相比CPU芯片和内核温度降低10度，GPU工作温度降低接近50%。
CoolestDC 推出的一体式冷板能显著降低 CPU/GPU温度
Fabric8Labs采用独特的电化学增材制造（ECAM）技术打印高精度冷板，可实现对芯片热点区域的精准冷却，性能显著高于采用铲齿工艺的微通道冷板。
Fabric8Labs基ECAM技术打印的微通道冷板性能显著高于铲齿微通道冷板
希禾增材通过绿光3D打印技术实现微通道液冷板制造，打印件最小壁厚可达0.05mm，致密度超过99.8%。
希禾增材3D打印微通道液冷板
风险提示：新技术推广不及预期：3D打印在液冷板加工潜力较大，但仍面临表面加工质量控制、成 本控制等方面问题，若后续技术成熟度提升不及预期，将对相关企业成长造成影响。
文章来源：热设计
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