科研案例

工研院 ▶ 開發相變化水冷散熱技術

 技術特色 
瞄準AI晶片散熱瓶頸，首創全球千瓦級散熱技術，開發獨家晶片均溫蓋板(VC Lid)結構設計，帶熱能力是傳統熱傳導的10倍。

 產業擴散 
和一詮精密攜手開發VC Lid，成功切入美國HPC晶片大廠供應鏈，另應用在廣運機械與其陽科技的資料中心浸沒式冷卻系統中。

隨著生成式AI在全球掀起一股旋風，各界對AI的需求也日益增溫。但AI晶片運算速度愈快，產生的熱能就愈大，目前AI晶片的發熱量已達750瓦，預估未來一年內，將會出現發熱千瓦等級的晶片，現今散熱元件很快便不敷使用。為了解決這道難題，在經濟部產業技術司科技專案支持下，工研院開發「相變化水冷散熱技術」，全球首創千瓦級的散熱能力，成功突破現有的散熱天花板。

獨家散熱結構 提升十倍散熱效果

達到千瓦級散熱的秘訣，關鍵在於晶片均溫蓋板(Vapor Chamber Lid, VC Lid)的研發。工研院電光系統所組長王欽宏說明，傳統散熱運用金屬熱傳導方式，在AI晶片放置銅塊把熱量帶走，但隨著AI晶片功能不斷增加，面積也愈來愈大，目前已達10公分見方大小，採用傳統方式散熱太慢，將影響晶片能效。

團隊運用物質相變化原理，當水變成水蒸氣，需要吸收大量能量，在相同的晶片面積下，帶熱能力是傳統熱傳導的10倍。而本次科技專案開發的VC Lid，外觀是一個扁平狀的密閉金屬盒子，裡面填入少量純水，直接貼附在AI晶片表面，透過真空的毛細層水膜，吸收熱量化為蒸氣，於晶片模組內進行水量蒸發與冷凝水循環回補，達到快速導熱效果。

過去VC均溫板多用於筆電或手機中，為了達到千瓦等級散熱能力，團隊特別改造製程與設計。除了將腔體中空氣抽出形成真空，只要50度的低溫就能讓水蒸發；團隊也設計獨特的錐台結構，除了提升結構強度之外，也讓水可以更快地沸騰；再加上創新的冷凝水收集片，增強冷凝水回補效果，並將毛細層奈米化，讓水回吸效果更好，提供穩定水膜。
 

▲ 晶片均溫蓋板(VC Lid)技術可提升晶片散熱效果30~100%。
 

與業界緊密合作 切入美國HPC晶片大廠供應鏈

工研院在開發技術之初，便與一詮精密緊密合作。工研院電光系統所專案經理簡恆傑指出，由於VC Lid是個密閉腔體，「裡面到底發生什麼事，我們都看不到，只能透過大量模擬和試驗，才能找到最佳散熱方法。」雙方在開發過程中不停密切溝通、來回驗證，有如「大隊接力」，由工研院設計、一詮精密製作，再不斷回頭修改，每個環節都不能掉棒，終於在第八版時達到千瓦級的散熱效果，並持續往更高散熱等級推進。

目前與一詮精密開發的VC Lid，已成功切入美國HPC晶片大廠供應鏈，成為未來先進晶片散熱的最佳解決方案之一。此外，由於VC Lid整合度很高，可和水冷、氣冷、浸沒式冷卻等散熱系統搭配，團隊也將其導入廣運機械與其陽科技開發的資料中心浸沒式冷卻系統中。

散熱是AI晶片下一個要掌握的重點，我國本就是全球散熱元件龍頭，市占率高達7成，若未來想要持續穩坐龍頭寶座，必須不斷推陳出新，這項技術正是鞏固未來臺灣散熱優勢的最佳利器。
 

▲ 工研院與一詮精密合作開發相變化水冷技術。
 

• 成果案例出處：2023科技專案成果案例彙編