浸没式液冷系统中不同封装基板材质（ABF/PI/陶瓷）对两相沸腾核化点分布的影响机制研究
发布日期：2026年09月11日
【摘要】 本研究揭示：封装基板材质是影响浸没式液冷系统中两相沸腾核化点空间分布与动态稳定性的关键物理边界条件。不同材质通过表面能、热导率及微结构形貌的协同作用，显著调控气泡成核阈值、生长速率与脱离频率——其中聚合物类基板（如ABF、PI）因表面疏水性与低热容特性，易诱发局部过热并形成离散、非均匀的核化点；而陶瓷类基板凭借高热导率与化学惰性，更利于热量快速均布，促使核化点分布更密集、周期更稳定。该机制表明，基板并非被动传热界面，而是主动参与沸腾相变过程的“核化模板”。对系统设计而言，材质选择需兼顾热管理目标与相变行为可预测性：高功率密度场景下，陶瓷基板有助于提升沸腾均匀性与热响应鲁棒性；而柔性或集成度优先的应用，则需针对聚合物基板优化表面微纳结构以抑制热点聚集。研究成果为液冷系统从“散热”向“相变可控”演进提供了底层材料维度的设计依据。
【概览】
关键发现：
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封装基板材质通过表面能、热导率与微结构形貌的耦合作用，主导两相沸腾核化点的空间分布特征。
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聚合物类基板因固有疏水性与低热容，易引发局部热积累，导致核化点离散化与动态不稳定性增强。
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陶瓷类基板凭借高热导率与界面化学稳定性，促进热量横向扩散，支撑更密集、周期性更强的核化行为。
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基板并非单纯传热介质，而是具有模板效应的主动相变调控界面，其物理属性直接编码核化起始与演化规律。
核心建议：
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在高功率密度系统设计中优先选用高热导率陶瓷基板，并同步校准沸腾工况参数以匹配其均匀核化特性。
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针对聚合物基板应用，引入可控微纳结构加工工艺，在表面构建亲水-疏水平衡区域以抑制热点聚集。
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建立基板材质—表面能—沸腾动态响应的映射关系库，作为液冷系统热设计前期选材的标准化输入依据。
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将基板界面特性纳入两相流仿真模型边界条件，替代传统等效热阻假设，提升相变过程预测精度。
【引言】 随着AI大模型与高性能计算集群功耗持续攀升，单机柜功率密度已普遍突破50 kW，传统风冷与冷板式液冷在散热效率、能效比及系统可靠性方面正面临严峻挑战。浸没式液冷凭借其高换热系数、低泵功与天然均温特性，成为下一代数据中心热管理的关键路径。然而，工程实践中发现：即便在相同工况下，不同基板材质的GPU/CPU封装在两相沸腾过程中，其核化点启动位置、密度与演化规律存在显著差异——这直接导致局部热点、干涸风险及长期热应力不均，成为制约系统功率密度进一步提升的隐性瓶颈。本研究聚焦ABF（Ajinomoto Build-up Film）、聚酰亚胺（PI）和陶瓷三类主流封装基板，不满足于表观现象对比，而是从材料表面微结构（如粗糙度、润湿性梯度）、界面热阻动态响应及汽泡脱离驱动力的耦合作用出发，解析核化点空间分布的形成机制。我们通过高分辨率红外热成像与同步高速摄像，在可控过热度与流场条件下捕捉毫秒级核化事件，并结合基板表面能谱与形貌测绘，建立“材质本征属性—局部润湿状态—汽泡成核优先序”的映射关系。研究成果可直接支撑基板选型优化与微结构改性设计，为浸没式液冷系统从“能用”迈向“稳用、优用”提供可落地的技术判据。
一、浸没式液冷工况下ABF/PI/陶瓷基板表面润湿性与微结构特征实测分析 浸没式液冷系统中，基板表面润湿性与微结构并非孤立物理参数，而是决定两相沸腾核化行为的底层业务约束条件。在高功率芯片散热场景下，核化点密度与分布均匀性直接关联系统热响应稳定性与局部热点风险——这本质上是可靠性成本与能效运维成本的平衡问题。若核化点过度集中于微缺陷或污染区，将引发局部干涸与热应力循环，加速封装失效；若分布过散但强度不足，则导致沸腾迟滞、温升陡增，触发系统降频保护。因此，对ABF、PI、陶瓷三类主流基板开展实测分析，核心目标不是罗列接触角数值，而是识别其在真实工况（含微量杂质、温度梯度、流体扰动）下的动态润湿边界与结构-功能耦合规律。
- 润湿性实测需跳出静态接触角范式：行业普遍认知是，理想核化表面应具备适度亲液性（接触角30°–70°），但尚参科技分析框架指出，关键变量是“动态润湿滞后”——即前进角与后退角之差。ABF基板因环氧树脂组分易受氟化冷却液溶胀影响，在长期运行中滞后值显著增大，导致液膜回填延迟，核化点易“钉扎”于原位而难以迁移更新；PI薄膜虽初始接触角适中，但其表面存在纳米级相分离微区，在沸腾扰动下形成润湿/去润湿交替带，诱发非稳态核化簇生；陶瓷基板则呈现强各向异性——烧结致密度决定微孔连通率，而微孔既是气泡锚定点，也是液体补给通道，其拓