工業技術研究院

散熱的世界是一場跨領域的整體戰，需要彼此接力配合，才能發揮最大的解熱效益。工研院從不同環節切入散熱產業，協助臺廠從氣冷到液冷，旁及冷卻液、熱介面材料、陣列風扇與冷卻液分配單元（CDU）驗證，由內而外全面突圍，持續鞏固臺灣散熱產業的全球領導地位。

瞄準浸沒式液冷　搶攻非氟冷卻液商機

把伺服器直接泡在液體裡解熱的浸沒式冷卻技術，是散熱技術前瞻發展方向之一。這種利用冷卻液直接接觸冷卻晶片，提高散熱效率，其中扮演重要關鍵的冷卻液，需具備極高的絕緣性與優異的導熱性，同時與材料相容，不會腐蝕伺服器上所有元件。

以冷卻液始終保持液體型態的單相浸沒式來說，氟系冷卻液因具備良好的散熱效果、不可燃特性以及高度材料相容性，備受業界青睞；但氟系冷卻液卻也有價格高昂、具揮發毒性等缺陷，因此業界開始朝向尋找非氟材料替代，主要包含矽油、合成酯、合成油等種類。工研院投入5、6年時間，成功開發出兩款新型的矽油與合成酯冷卻液，卡位新興的冷卻液商機。

工研院材料與化工研究所經理曹翔雁指出，評估冷卻液表現有兩項重要指標，一是黏度，當液體黏度較高則便會增加流動難度，泵浦就得耗費更多電力推動，因此黏度越低越好；二是閃火點，意指液體受熱後，其表面揮發出的蒸氣遇到火源時，能短暫引燃的最低溫度，閃火點越高越安全，「但往往閃火點高的，黏度也越高，」成了團隊首要克服的難題。

團隊發揮改變底層化學結構的設計功力，成功讓矽油冷卻液的閃火點達到268℃，不僅遠高於負責制定全球資料中心標準「開放運算計畫」（Open Compute Project）建議的150˚C，也滿足日、韓等國對冷卻液閃火點要求需高達250˚C的嚴格規定；若與競品相比，在相近閃火點下，黏度也最低，僅有33 cSt（編按：厘斯，為黏度單位）。

為了平衡高閃火點帶來的高黏度問題，團隊也同步開發黏度更低的合成酯冷卻液，透過分子結構設計調控，在40℃下動黏度低至5 cSt的條件下，仍可維持約193℃閃火點，為目前公開5 cSt級非氟系浸沒式冷卻液中具高閃火點表現之材料。

為了搶攻前瞻浸沒式冷卻液商機，工研院也和英特爾（Intel）合作成立實驗室，建置冷卻液特性檢測流程與平台，整合系統與材料開發驗證技術，提供廠商進行實機場域驗證，包含材料特性檢測、與伺服器零組件間的材料相容性、冷卻液工作週期評估等，開創產業切入國際市場的新契機。

找出黃金配方　導熱凝膠性能翻倍

在微觀世界中，晶片與金屬散熱器間，其實充滿許多凹凸不平的微小坑洞，若直接對貼會充滿導熱性極差的空氣，提升熱阻，這時緊貼晶片、能填補縫隙的「熱介面材料」（Thermal Interface Material；TIM），便成了提升熱量傳導的關鍵。

常見的熱介面材料有導熱膏、導熱凝膠、液態金屬等類型，因擺放位置不同又分為兩種，一種是晶片封裝內的「TIM1」，位於晶片和散熱器之間，直接貼合晶片；另一種是晶片封裝外的「TIM2」，位於散熱器和外部散熱鰭片、風扇之間。

相較於技術門檻較低、市場趨近於飽和的封裝外市場，工研院選擇挑戰技術門檻更高的TIM1領域，歷時三、四年研發，成功開發出新型導熱凝膠，導熱係數從現行市售的3～5W/m*K，翻倍提升至10W/m*K。

曹翔雁指出，雖然熱介面材料有多種形態，但在TIM1應用中，導熱凝膠可對應業界既有的點膠製程，具備製程導入門檻低、設備相容性高等優勢，因此成為團隊優先鎖定的開發方向。

導熱凝膠的成分，由樹脂加金屬粉調配而成，提升導熱係數的關鍵，便在於配方調整。團隊測試了市面上7、8種高導熱的環氧樹脂，不斷調整優化，最終找出一種獨特的樹脂結構，能幫助配方中金屬粉體增加燒結，讓金屬顆粒在高溫熔融後緊密黏結，進而大幅提升整體的導熱效率，最終成功開發出新型的TIM1導熱凝膠。

除了導熱凝膠外，團隊也投入負責接著晶片與基板的黏晶材料，同樣重新調整樹脂結構與配方比例，不僅導熱係數達130 W/m*K，晶片剪切強度也提升1.5倍，大幅提高性能表現。

找出關鍵樹脂結構只是第一步，後續還有測試關卡，團隊花了很長時間才在實驗室內，建置出一套完整的點膠機台製程環境以及關於導熱特性的測試平台，滿足研發階段的各項測試需求。目前導熱凝膠已初步送樣給業者測試，期望未來成為TIM1的新選擇。

隨著散熱需求持續提升，業界也開始探索減少甚至移除熱介面材料的設計方向，以降低多重介面所造成的熱阻。

然而，曹翔雁認為，即使採用金屬直接接觸，表面粗糙度與組裝公差所造成的微小空隙仍難以完全消除。因此，熱介面材料的形式未來或許會有所改變，但短期內仍不會消失，仍是降低接觸熱阻、提升整體散熱表現的重要關鍵。

全臺唯一第三方CDU性能測試服務

隨著高算力晶片熱設計功耗持續攀升，新興的直接晶片液冷架構快速崛起，扮演液冷「心臟」角色的「冷卻液分配單元」（CDU），將直接影響液冷的散熱效率和系統可靠度。

工研院綠能與環境研究所經理蔡禮豐說明，CDU就像液冷系統的中樞調度總管，負責將冷卻液輸送至冷板或浸沒式冷卻槽帶走熱量，並透過內建板式熱交換器，將吸收的熱傳到外部的冰水主機或冷卻水塔。這顆心臟的性能如何，將直接影響整體系統的運作效能與穩定性。

為此，工研院打造了全臺唯一第三方CDU性能測試服務平台，提供客觀且具公信力的測試驗證環境。

蔡禮豐經理指出，要評估一套CDU性能的好壞，主要有3項指標：循環泵浦能否提供預期流量與壓力、熱交換器的換熱效能是否合格，以及控制系統是否能因應負載變化而即時調整。目前工研院共有兩個CDU測試場域，分別能提供1,000kW和3,500kW等級的模擬熱源，以市面上主流的資料中心熱量動輒1,000kW起跳來看，一般業界的測試服務受限於加熱系統，測試能力多停留在380kW以下，工研院是目前臺灣唯一能提供MW級熱源的第三方測試平台，正好彌補了高功率CDU測試驗證市場的缺口。

工研院的CDU測試場域，也成了臺灣散熱產業迎擊AI熱浪的最佳驗證基地。由於臺灣在全球散熱產業居於領先，業界對於高功率CDU測試需求也很強勁。

蔡禮豐表示：「目前1,000kW測試得排隊3個月，3,500kW測試平台更已排程至明年，」顯示AI浪潮正帶動液冷測試市場快速擴張，也創造出新的產業商機。

無稀土馬達加持　陣列風扇節電降本

隨著AI資料中心算力大爆發，全天候運轉的風扇設備，也成了耗電巨獸。傳統空調箱多採用無法調速、效能低落的皮帶式風扇馬達；而現行高效能馬達極度依賴的「稀土永磁」材料，更因地緣政治成為受管制的戰略物質，取得不易加上成本高昂，成為產業隱憂。

為了提高產業自主韌性，工研院研發「陣列EC風扇」技術，採用價格僅為稀土十分之一的「鐵氧永磁」馬達，並成功突破鐵氧體磁力僅稀土五分之一的最大痛點，在完全不用稀土下，達到全球最高馬達能效IE5等級，實現40%節電效益，更降低高達80％的成本。

工研院綠能與環境研究所經理王建昌指出，鐵氧體先天磁力弱，要達到與稀土一樣的頂級性能，團隊作出三大突破︰首先是弦波磁路設計，透過精密的磁路設計，讓馬達內部磁場呈現平順、高效率的旋轉磁場。

第二在馬達驅控器上，採用創新減法設計，資料中心最怕停機，團隊捨棄容易老化故障的「電解電容」與「霍爾IC」兩大元件，大幅提升系統可靠度。但硬體減法的代價是馬達電流會劇烈震盪，因此團隊第三突破是採用比例諧振控制演算法，精準追蹤馬達電流，匹配弦波磁路，成功在低磁力條件下，仍能穩定控制馬達高效運轉。

此外，團隊還幫馬達設計一個智慧大腦，能根據資料中心負載，即時調整風量，達到節電目的。成本方面，捨棄昂貴稀土，驅控器供應鏈也國產自主，加上整體製造流程簡化，從馬達、驅控、風扇到熱交換模組共同設計，減少介面與系統整合等成本，成功讓成本大減8成。

為了靈活應用於不同場域，團隊更採取模組化策略，將馬達、驅控器和扇葉，整合成單一5kW的核心單元，根據客戶需求排列組合出不同功率等級的陣列風扇，「就像堆積木一樣。」

目前這項兼具高能效、高CP值與高可靠度的「陣列EC風扇」技術，已成功導入國內大型資料中心。

面對未來AI資料中心散熱逐漸走向液冷，王建昌認為，液冷把熱從晶片帶到機櫃外，但最終把熱導向大氣的「最後一哩路」，仍依賴大功率的EC風扇。「換言之，液冷時代，風扇將從『主要散熱元件』升級為『系統熱管理的關鍵角色』，重要性不減反增！」