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。
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。本期文章为下篇，聚焦于金属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。
高性能“散热引擎”：液体冷却冷板设计参考指南 l 上篇
金属3D打印带来的制造自由度
尽管拓扑优化能显著提升热工水力效率，但要完全释放其潜力，则需要超越传统制造技术极限的先进工艺。 传统机械加工难以应对拓扑优化设计所产生的复杂内部几何形状。正因如此，金属增材制造已成为生产先进冷板冷却系统的关键所在。这些技术提供了实现复杂流体通道、内部流道和有机形状所需的几何灵活性与精确控制能力，并具备高重复性。通过实现不受传统制造约束的性能驱动型设计，增材制造使得构建专为极端热需求而定制的下一代冷板成为可能。
- 复杂内部流道的制造
拓扑优化流道通常具有非平面、空间变化的横截面、分支微通道及渐变过渡等特征，这些是数控加工或传统钎焊无法实现的。金属增材制造能够实现：
- 内部流道分叉、多尺度通道及嵌入式流道
- 整体式结构，消除界面热阻和易泄漏的连接点
- 对局部壁厚和孔隙率的精确控制，助力实现定制化的热管理行为
这解锁了为性能而设计的可能性，使几何形状由物理规律驱动，而非受制于制造约束。
- 性能与重量、体积的优势
利用增材制造，设计人员可以：
- 在热关键区域集成点阵支撑结构或随形冷却流道；
- 在减轻重量和缩小体积的同时保持结构完整性，这对航空航天及高密度电子产品至关重要；
- 将多个冷却组件（如通道、流道、安装件）整合为单一零件，提高可靠性并减少组装时间。
- 通过设计适应提升冷却效率
通过将拓扑优化算法与增材制造兼容的约束条件（如悬垂角度、粉末清除口）相结合，可以制造出能够实现以下目标的冷板：
- 使冷却剂输送与热通量梯度分布相匹配；
- 同步降低热阻与泵送功率；
- 通过定制化的材料沉积与后处理工艺（如用于提高致密度的热等静压）承受循环热载荷与压力载荷。
- 验证与标准符合性
3D打印冷板可与传统制造单元经历同样严格的可靠性测试（如针对腐蚀的ASTM B117、针对压力的IEC 62368-1）。此外，原位监测与无损评估（如CT扫描）确保了制造质量并在部署前实现缺陷检测。
TPMS结构微通道3D打印展示件
制造商：广东必极科技有限公司
“TPMS 三重周期极小曲面”，在数学上被证明是在给定空间内实现最大表面积的最优结构之一。广东必极科技所展示的3D打印TPMS微通道晶格结构样件，最小结构为0.2mm。
铜金属3D打印一体化水冷板
制造商：广东必极科技有限公司
可应用于AI服务器GPU芯片冷却，无需钎焊，100%零泄漏，其内部采用TPMS微通道晶格结构设计，能够解决单个芯片1500W的散热需求。
上图：用于汽车功率电子器件的增材制造液冷冷板
下图：Fabric8Labs 电化学增材制造的下一代AI 数据中心冷板
液冷冷板设计的关键热考量因素
- 建立组件级热分布图
设计的首要步骤是构建热分布图。该图作为整个系统的蓝图，用于识别整个器件上的热点区域及热量分布。此步骤包含以下内容：
- 各组件的尺寸、位置及功耗
- 允许的表面温度（全局或针对每个组件）
- 冷却剂属性：类型、流速及进口温度
- 冷板的总可用压降
- 计算局部热通量，包括基板内部的热扩散效应
一份构建完善的热分布图是战略基础，它为流道布局、流量平衡及热交换器几何形状的设计提供关键依据。
- 评估热性能的关键输入参数
开发定制冷板设计始于对关键热力学与流体动力学输入参数的理解。这些核心因素直接决定了冷板的架构、流路策略以及整体设计复杂度。通过将性能要求与物理约束相结合，工程师可以在设计流程早期做出明智决策。下方矩阵总结了最关键的设计驱动因素及其对系统复杂性的影响，为优化性能与可制造性提供了实用指南。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
- 详细热分析
在明确设计条件后，下一步是结合材料选择（铝、铜或复合材料）进行详细热分析，并构建液体流路网络。此阶段工作内容包括：
- 计算各元件底部表面温度
- 评估冷板整体压力降
- 识别局部过热点或流动死区
若未达到设计目标，则需对流体路径进行重新布设与优化，具体可能涉及：
- 调整流道序列
- 绕过低热耗区域
- 向高热风险元件分配更多冷却液
- 实现表面温度均匀性的设计策略
当要求表面温度均匀分布时，设计复杂度显著提升。两种关键策略可助力实现该目标：
- 并联流路：将相同元件布置在工况一致的平行流路上，确保各流路入口温度一致
- 逆流布局：在相邻流道中采用相反流向（如蛇形布道），有效降低板面温度梯度
在更先进的设计中，可采用多层流体通道结构，以提升热量移除路径的空间控制精度。
- 面向制造的设计：成本驱动因素
复杂冷板的制造成本可能较高，尤其在机械约束导致流道布局效率低下时。常见成本驱动因素包括：
- 固定的进出口位置
- 阻碍流道布设的安装孔位
- 多种翅片几何形状或腔体深度要求
- 需要电火花加工或多工序机械加工
为控制成本，保持设计灵活性至关重要。热设计工程师通过与电气、机械工程师早期协同，可影响元件布局规划，从而为更高效的流道集成创造条件。这种跨领域协作通常既能提升散热效果，又能降低制造成本。
冷却液选择
冷却液的选择对冷板系统的性能与可靠性起着至关重要的作用。冷却液不仅需要高效吸收和传输热量，还必须与系统的材料及运行条件兼容。
闭式回路冷板冷却系统中常用的液体包括：
- 去离子水：具有优异的热性能，但需要特别注意材料兼容性。
- 抑制性乙二醇/水混合物：广泛用于防冻和耐腐蚀保护。
- 介电流体：合成的非导电性油液，非常适合与敏感电子元件直接接触。
- 定制化热传递流体：专为需要特定热或化学性质的特殊应用而设计。
选择合适的冷却液需要在导热性、粘度、电导率、环境兼容性以及长期稳定性之间进行权衡。系统设计必须充分考虑这些特性，以确保最佳的流速、热容量和腐蚀控制。
冷板可靠性测试
为确保液冷冷板（尤其是在航空航天、电信和国防等关键任务应用中的）长期可靠性，需要执行一套全面的鉴定流程。为确认其在热、机械和流体领域的耐久性，工程师需依赖无损检测与性能测试相结合的方法。这些方法是对静水压测试、耐腐蚀性评估及动态应力分析等传统程序的重要补充，可在部署前对冷板完整性进行完整评估。
1、泄漏测试
泄漏完整性对液冷冷板至关重要，以防止流体渗入电子设备或造成闭环系统压力损失。行业标准方法包括：
- 压力衰减测试
- 标准：EN 1779
- 方法：对冷板加压（通常使用干燥空气或惰性气体）并密封，监测一段时间内的压力损失。
- 接受标准：根据EN 1779标准，对于高完整性接头，压力下降小于0.5%视为合格。
- 应用：发货前的最终质量检测，尤其适用于铝钎焊或搅拌摩擦焊组件。
- 浸没气泡测试
- 标准：EN 1779
- 方法：将加压后的冷板浸入液体槽中；通过目视检查气泡流以识别泄漏点。
- 优点：可定位微泄漏；实现快速视觉评估。
- 静水压爆破与验证测试
- 标准：IEC FDIS 62368-1(8)
- 方法：在1倍最大工作压力下测试5分钟（验证测试）；在3倍最大工作压力下测试2分钟（爆破验证）。
- 应用：确保内部流道和连接器焊接接头的机械坚固性。对电信或汽车级冷板至关重要。
2、流量与热测试
为验证冷却性能，必须在操作条件下表征其液压阻力与热有效性。
- 流量测试
- 目的：量化压降与流速的关系，生成液压性能曲线。
- 设置：使用校准的质量流量控制器和差压传感器的流量测试台。
- 热测试
- 目的：在已知热通量下确定热阻或温升。
- 测试条件：进口冷却液温度、流速和施加的热负载均需标准化。
- 标准实践：在环境应力测试后进行，以检测热性能退化，通常与基线性能进行比较。
- 应用：确认生产单元的一致性及是否符合系统级冷却规范。是国防和航空航天电子冷却的必备测试。
3、目视检查
作为基础的质量保证步骤，目视检查用于识别可能影响结构或外观质量的宏观缺陷。
- 评估范围：
- 表面处理均匀性（阳极氧化或涂层后）。
- 焊道连续性及变色（特别是激光焊或FSW接头）。
- 进口/出口配件或通道中存在毛刺、裂纹或空洞。
- 热界面平面的错位。
- 相关标准：
- IPC-A-610（电子组装件）。
- ISO 8785（表面缺陷）。
4、超声波检测
主要用于对粘结或焊接冷板进行内部缺陷的无损检测。
- 标准：ASTM E2375（粘结结构），ASTM E317（接触式UT）。
- 技术：将高频超声波脉冲穿透部件；分析反射波以识别以下迹象：
- 分层
- 焊接区未熔合
- 气孔或外来夹杂物
- 方法：
- 用于平板件的脉冲回波模式。
- 用于复杂几何形状的浸没式UT。
- C扫描成像以可视化亚表面异常。
- 应用：对验证搅拌摩擦焊冷板或多层扩散焊冷板至关重要。航空航天和医疗设备标准越来越多地要求将UT作为质量文件的一部分。
5、盐雾测试（耐腐蚀性评估）
盐雾测试是一种标准化的加速腐蚀测试，用于评估冷板外表面、涂层及防护处理在恶劣环境条件下的耐久性。它模拟长期暴露于含盐大气环境，尤其与海洋、工业及沿海应用相关。
- 测试标准
- ASTM B117 – 操作盐雾（雾化）装置的标准实践。
- 这是全球基准，用于评估金属涂层（例如，阳极氧化铝、化学镀镍、钝化不锈钢）在连续盐雾下的耐腐蚀性。
- 应用：户外电信和工业机箱：验证表面处理在盐雾和冷凝循环暴露下的耐久性。
未来展望：AI驱动设计、数字孪生与新兴应用
- AI辅助设计的融合
冷板设计需要平衡热性能、流阻、可制造性与可靠性，其复杂性使其成为AI辅助优化的理想对象。工程师正逐渐采用由机器学习与深度学习模型驱动的数据驱动设计循环，取代传统的参数扫描方法。
此类系统能够：
- 利用代理模型在毫秒内预测广阔设计空间内的热流动性能
- 加速逆向设计流程，根据目标性能指标直接生成最优几何构型
- 持续从测试数据、CFD仿真及现场表现中学习，优化后续迭代版本
通过整合神经网络、进化算法与降阶模型，AI不仅能协同优化冷板内部结构，还可对泵组选型、热界面材料选择及流道布局等系统级参数进行整体优化。这种从确定性仿真到生成式AI引导设计的转变，已在早期工程流程中实现10-50倍的效率提升。
- 数字孪生在自适应冷却中的应用
作为物理系统的实时映射虚拟体，数字孪生正在重新定义热控制策略。在液冷系统中：
- 实时传感器数据可输入数字孪生体，用于诊断能效异常或预测潜在故障
- 预测模型能模拟不同负载场景，主动调节泵速或阀门开度以维持热安全状态
- “假设分析”仿真使热工程师能探索未来工作负载模式、环境条件或组件升级方案，无需物理原型
对于超大规模数据中心或航空航天电子设备等高价值应用，冷板不再是被动组件，而是成为实时自适应、最大化冷却效率与系统运行时间的闭环热智能系统的有机组成部分。
- 在电动汽车、边缘AI与6G硬件中的长期潜力
随着电子技术持续演进，液体冷却冷板的应用正突破传统领域边界，新兴前沿包括：
- 电动汽车：电驱逆变器、车载充电机与高压电池连接点亟需紧凑、坚固且高效的液冷方案。针对发动机舱环境（需耐受振动、宽温变与快速负载循环）专门设计的冷板正获得广泛应用。增材制造与拓扑优化技术为实现轻量化模块化解决方案提供支撑，完美契合电动平台扩展需求。
- 边缘AI服务器：与集中式数据中心不同，边缘部署需要在热约束环境中实现高密度计算。集成快速接头、泄漏检测功能并兼容介电流体的冷板，可确保在通信机柜、智能工厂及自主基础设施中的安全部署。经AI增强的冷板设计在保障高热性能的同时，不影响系统可靠性或物理空间占用。
- 6G通信硬件：6G时代向更高频段毫米波与太赫兹通信的迈进，将显著增加基带单元与射频单元的热通量。传统风冷难以应对局部功率密度挑战。采用嵌入式微通道网络与超薄型设计的冷板，对于确保热稳定性、信号完整性及设备长期可靠性将发挥关键作用。
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