散熱COOL算力／封裝與系統雙管齊下的 酷涼革命

【撰文／賴宛靖】

AI浪潮席捲全球，對算力的渴求將晶片熱功耗推向千瓦等級，氣冷散熱也達物理極限。為降低熱阻，散熱解方從機殼進到模組，越來越貼近晶片。工研院以超過15年的先進封裝研發能量，開發「封裝級」與「系統級」雙重散熱方案，解決AI散熱的燃眉之急，更為臺灣產業鏈搶占AI時代的關鍵主導權。

「工研院原本就鑽研先進封裝（CoWoS）技術，投入時間超過15年，幾乎跟台積電CoWoS產線同步起跑。」工研院電子與光電系統研究所組長王欽宏說。過去散熱往往被視為半導體發展的「配角」，只要塗上散熱膏、裝上風扇即可解決；然而，CoWoS讓晶片從平房變大樓，雖大幅提升傳輸速度，卻也讓熱量受困於晶片中，因此散熱已躍升為決定效能的關鍵技術。

從先進封裝長出來的散熱巧思

王欽宏回憶，7年前AI剛萌芽時，團隊就預見了熱量集中的問題。當時主流晶片的功耗約400至500瓦，氣冷系統尚能應付；團隊初步將研發目標定在750瓦，認為已綽綽有餘；但隨著AI運算需求呈爆炸式成長，晶片整合規模不斷擴大，功耗迅速突破千瓦，甚至正朝向2,000瓦、乃至於萬瓦等級邁進，當氣冷散熱無法突破千瓦的物理天花板時，工研院團隊已備好兩大法寶：封裝級的「均溫蓋板」（VC-Lid）與系統級的「雙向浸沒式冷卻」。

為了幫CoWoS製程中的晶片解熱，團隊在晶片上放置高效散熱蓋板，結合「均溫板」（Vapor Chamber）與「金屬蓋板」（Lid）的功能，其原理是利用液體在低壓環境下蒸發點降低的特性，透過在蓋板內部「吸熱時蒸發、冷卻後回流」的相變化帶走熱量，有如幫發高燒的AI晶片貼上退熱貼，讓熱不再悶在內部。然而，為配合愈來愈大的AI晶片，蓋板面積甚至得做到150mm×150mm時，散熱技術難度瞬間飆高，大面積的內部真空環境，蓋板極易因外部氣壓而凹陷毀損。

均溫蓋板內藏微米級「美麗錯誤」

工研院開發出新一代均溫蓋板（VC-Lid），突破構造的剛性挑戰，捨棄傳統整片高溫退火的製程，改採「點焊」技術密封，等於幫蓋板加上「梁柱」，精準計算支撐柱的排列，確保結構不會垮掉，也不會阻礙液體回流。

更關鍵的突破來自於蓋板內的表面微結構，由於均溫板裡的液體氣化產生的氣泡會阻礙熱傳導，團隊刻意調整電鍍參數，在表面製造出微米級（Micron）的樹枝狀結構，能有效「刺破」氣泡的表面張力，形成均勻的水膜覆蓋在受熱面，將熱交換成功率從傳統的70%提升至90%以上。王欽宏笑稱，過去CoWoS電鍍製程中粗糙的「不良品」，如今轉化為優勢，這項被團隊稱為「美麗錯誤」的技術，成功將解熱效能推向1,700瓦的新高點。

雙相浸沒式冷卻帶來能效革命

熱量被VC-Lid帶離晶片後，如何排向外界成了下一道難題。工研院與英特爾（Intel）合作建立「高算力系統冷卻認證聯合實驗室」，發展「雙相式浸沒冷卻」技術，將整個伺服器系統直接浸泡在特殊的冷卻液中，相較於需要馬達驅動冷卻液流動的冷板（DLC）技術，浸沒式冷卻利用自然相變化產生的「泡泡」帶走熱量。

「當資料中心的規模達到GigaWatt等級時，每個省電的細節都至關重要。」王欽宏指出，浸沒式冷卻技術能將電力使用效率（PUE）（編按：資料中心消耗總電量除以IT設備總耗電量，越趨近1代表用於運算的耗能比重越高）從傳統的1.35降至1.1以內，甚至達到1.09的極致水準，整體節能效果高達20%，緩解AI資料中心對能源與環境的衝擊，也符合ESG永續趨勢。目前團隊正致力於測試各種「不含氟（PFAS Free）」的環保冷卻液，確保在高效散熱的同時，也符合國際環保法規的要求。

金屬加工業因散熱　搭上AI飛躍列車

AI散熱技術推進，也把傳統金屬加工業帶向新的位置。王欽宏表示，工研院扮演的角色是把國際大廠與系統客戶的需求，轉化為臺商可開發、驗證並量產的方案，縮短摸索時間，更快切入AI伺服器散熱市場。以過去專注LED散熱的一詮為例，在AI伺服器對微米級結構與高效率散熱需求升高後，透過與工研院合作，已投入新產線建置，切入先進散熱領域。此外，面對AI技術快速迭代，工研院也已布局下一代散熱材料與結構，包括銅材結合高導熱鑽石模組，以及碳化矽微流道技術，為未來萬瓦級運算需求預作準備。

「過去是研發完成後再尋找客戶，如今散熱是客戶等待解決方案，」王欽宏認為，AI時代的競速，已讓技術研發從單點突破走向整體作戰，唯有協助產業串聯先進封裝、材料化學、精密加工與系統整合能力，才能把既有製造基礎推向更高階的應用場景，讓臺灣在下一波的技術迭代中，站上更關鍵的地位。