AI 伺服器的單機功耗持續攀升，讓資料中心的散熱架構從氣冷逐步走向液冷。其中，浸沒式冷卻（Immersion Cooling）將整組伺服器直接浸入不導電的介電冷卻液中，由液體直接帶走元件產生的熱，是高密度運算環境的重要選項之一。
在這種架構下，伺服器內的每一種材料都會長期與冷卻液接觸，位於晶片與散熱器之間的導熱介面材料（Thermal Interface Material, TIM）也不例外。材料「可以放進冷卻液」，不代表它能在冷卻液中「長期維持原有性能」。本文依序說明浸沒式冷卻的原理、冷卻液的主要類型、冷卻液與材料之間的相容性問題，以及如何以長時間浸泡測試驗證導熱介面材料的相容性。
浸沒式冷卻原理：單相與兩相
浸沒式冷卻依冷卻液在運作過程中是否發生相變化，分為兩種架構：
- 單相浸沒式冷卻：伺服器通常浸在類似礦物油的碳氫系介電冷卻液中，冷卻液沸點相對較高，在整個運作過程中維持液態；冷卻液由泵浦送往冷卻液分配單元（CDU）中的熱交換器降溫後，再回到槽內循環[1]。
- 兩相浸沒式冷卻：冷卻液接觸發熱元件後沸騰汽化，藉由汽化潛熱帶走熱量，蒸氣再經冷凝器凝結回液體。由於冷卻液會汽化，系統需要較多的冷卻液補充與密封管理[2]。
兩種架構的共同點是：伺服器內的元件與材料都直接、持續地浸在冷卻液中。這正是浸沒式冷卻與氣冷、冷板式液冷最大的不同，也是材料相容性成為關鍵議題的原因。
浸沒式冷卻液有哪些類型
浸沒式冷卻液必須同時具備電氣絕緣與良好的熱傳特性。業界傳統上使用的冷卻液，主要包括氟碳化合物、碳氫化合物（合成油）與矽油等類型[2]；近年的研究也將酯類冷卻液納入比較[7]。各類冷卻液的化學結構不同，與高分子材料的相容性表現也不同：
| 冷卻液類型 | 代表例 | 常見架構 | 與高分子材料相容性的重點 |
|---|---|---|---|
| 碳氫系 | 礦物油、聚α烯烴（PAO）、GTL 合成油 | 單相 | 單相系統中最常用的類型[3]；屬非極性液體，對同樣偏非極性的高分子材料可能有膨潤風險[8][9] |
| 酯類 | 天然酯、合成酯 | 單相 | 化學結構與碳氫系不同，相容性需針對個別材料驗證[7] |
| 矽油 | 矽氧烷系冷卻液 | 單相 | 可能使矽膠類材料膨潤、改變形狀與尺寸[2] |
| 氟化液 | 全氟碳化合物、氫氟醚（HFE） | 兩相、部分單相 | 對 PDMS 等高分子材料的膨潤程度普遍較低[8]；但屬 PFAS 物質，供應與法規環境正在改變[5][6] |
以下補充兩點：
- 碳氫系冷卻液的相容性已持續改善，但仍需個別驗證。Schneider Electric 指出，現代合成油在材料相容性上已優於早期的礦物油與白油，多數相容性問題已大幅減少[4]。不過「大幅減少」不等於「不存在」，特定材料在特定冷卻液中的表現，仍需透過測試確認。
- 氟化液的供應環境正在變化。3M 已於 2025 年底完成退出 PFAS 製造[5]，其 Novec 與 Fluorinert 系列電子氟化液均屬受影響的產品[6]。對冷卻液選型而言，除了熱性能與相容性，供應穩定性與法規風險也成為評估項目之一。
冷卻液與材料的相容性：三類主要風險
當導熱介面材料長期浸泡在冷卻液中，可能出現以下三類氣冷環境中不存在的風險：
- 膨潤與尺寸變化：依「相似互溶」原理，化學性質相近的液體較容易滲入高分子材料。美國化學會（ACS）《Analytical Chemistry》的經典研究指出，聚二甲基矽氧烷（PDMS）在戊烷等烷類溶劑中膨潤明顯，在全氟化溶劑中則膨潤最少；在三項相容性考量中，膨潤的影響最大[8]。IBM 的美國專利文件也說明，礦物油可溶入部分 PDMS 材料，使導熱介面材料膨脹[9]。
- 導熱性能衰退：材料膨潤會使接合層厚度（Bond Line Thickness, BLT）增加，熱阻隨之上升，降低兩元件之間的散熱效率[9]。
- 成分溶出與冷卻液汙染：材料中的可移動成分被冷卻液萃取出來，除了材料性能改變，也可能影響整槽冷卻液的品質。2025 年美國材料研究學會（MRS）秋季會議發表的研究，以矽油、碳氫油、植物酯油與全氟碳四類冷卻液，搭配四種市售 TIM 進行長時間浸泡，並同時檢查 TIM 與冷卻液的變化，觀察到部分 TIM 出現劣化，其中相變化材料出現膨潤與溶解[7]。
IEEE ITherm 2022 一篇針對 TIM 與浸沒式冷卻液相容性的實驗研究也指出，PCB 上各元件與冷卻液之間的材料相容性，仍是浸沒式冷卻大規模導入資料中心前的主要考量[10]。浸沒式冷卻廠商 Submer 同樣將導熱介面材料列為伺服器導入浸沒式冷卻時必須確認相容性的材料類別之一[11]。
這些風險多半不會在浸泡數小時內出現，而是在長時間、高溫的條件下逐漸累積。
延伸閱讀：為什麼傳統矽膠導熱墊在浸沒式冷卻液中會膨脹？
如何驗證相容性：浸泡條件與判定指標
要判斷一款導熱介面材料是否適用於特定冷卻液，需要可量化、可重複的長時間浸泡驗證。驗證設計通常包含三個要素：浸泡條件、評估項目與判定門檻。
一.浸泡條件
浸沒式冷卻液廠商 Engineered Fluids 公開的簡易材料相容性測試程序，建議將浸泡樣品加熱至 80°C，或比預期使用溫度高 20°C（取兩者中較高者），並維持至少 21 天[12]。以高於一般運轉溫度的環境進行浸泡，可加速材料老化，讓長期浸泡的影響在合理的測試週期內被觀察到。
二.評估項目
浸泡前後的比較，至少應同時涵蓋「材料本身」與「冷卻液」兩端：
| 評估項目 | 觀察重點 | 對應的風險 |
|---|---|---|
| 材料外觀 | 變色、膨潤、龜裂、變形 | 結構破壞、尺寸改變 |
| 冷卻液外觀 | 變色或其他異常 | 成分溶出、冷卻液汙染 |
| 導熱係數 | 浸泡前後的變化率 | 散熱性能衰退 |
| 硬度 | 浸泡前後的變化率 | 軟化、硬化或結構劣化 |
三.判定門檻與物理意義
在一維穩態熱傳導下，導熱層本身的熱阻可簡化為：
R ≈ BLT ÷ k
其中 R 為熱阻，BLT 為接合層厚度，k 為導熱係數。
以此估算，若接合層厚度不變、導熱係數下降 10%，熱阻將上升約 11%（1 ÷ 0.9 ≈ 1.11）；若材料因膨潤使接合層厚度增加 10%，熱阻同樣上升約 10%。換言之，導熱係數或材料尺寸出現個位數到十幾個百分比的變化，就會直接反映在晶片溫度上。
硬度則決定了材料在組裝壓力下的壓縮行為與貼合能力。硬度明顯下降，可能代表材料吸收冷卻液而軟化；硬度明顯上升，則可能代表材料內部成分流失。兩者都會改變實際組裝中的接合層厚度與接觸狀態。
因此，將導熱係數與硬度的變化率分別控制在一定範圍內（例如 ±10%），是判斷材料在長時間浸泡後能否維持初始設計性能的實用門檻。
註：R ≈ BLT ÷ k 為導熱層塊材熱阻的簡化估算，未計入材料與接觸面之間的接觸熱阻。
實測案例：以 Shell S3 X 進行 80°C／504 小時浸泡
以下以旭立科技（LiPOLY）廠內實驗室近期完成的一項測試為例，說明上述驗證方法的實際應用。
測試介質：Shell Immersion Cooling Fluid S3 X
Shell Immersion Cooling Fluid S3 X 是殼牌（Shell）以氣體合成液體（Gas-to-Liquids, GTL）技術製造的合成型單相浸沒式冷卻液[14]，官方技術資料將其定位為穩定化的碳氫系冷卻液，應用於資料中心、高效能運算、邊緣運算與區塊鏈等場景[13]。其代表性物性如下[13]：
| 物性 | 測試方法 | 代表值 |
|---|---|---|
| 密度（15°C） | ASTM D4052 | 808 kg/m³ |
| 閃點 | ASTM D92 | 198°C |
| 流動點 | ASTM D97 | −42°C |
| 運動黏度（40°C） | ASTM D445 | 9.9 mm²/s |
| 中和值 | IEC 62021-1 | < 0.01 mg KOH/g |
資料來源：Shell Immersion Cooling Fluid S3 X Technical Data Sheet（v1.7）。表列為代表值，非規格保證值。
Shell 與 Cisco 共同發布的技術文件指出，S3 X 已針對伺服器硬體中使用的金屬、高分子與彈性體進行廣泛相容性測試[15]。不過，個別導熱介面材料是否相容，仍需由材料端以實際冷卻液逐一驗證。S3 X 屬於碳氫系冷卻液，是第三節所述膨潤風險較需留意的類型，因此作為測試介質具有代表性。
測試條件
| 項目 | 條件 |
|---|---|
| 浸泡介質 | Shell Immersion Cooling Fluid S3 X |
| 浸泡溫度 | 80°C |
| 浸泡時間 | 21 天（504 小時），連續進行 |
| 浸泡方式 | 試片完全浸入冷卻液，置於恆溫烘箱 |
| 評估項目 | 材料外觀、冷卻液外觀、導熱係數、硬度 |
| 判定標準 | 材料外觀無明顯劣化、冷卻液無變色、導熱係數與硬度變化率 ±10% 以內 |
浸泡溫度與時間與第四節所述 Engineered Fluids 公開程序的條件相同[12]。
測試結果
| 受測料號 | 材料外觀 | 冷卻液外觀 | 導熱係數 | 硬度 |
|---|---|---|---|---|
| AS02 | 通過 | 通過 | 通過 | 通過 |
| AS03 | 通過 | 通過 | 通過 | 通過 |
| AS05 | 通過 | 通過 | 通過 | 通過 |
| AS06 | 通過 | 通過 | 通過 | 通過 |
| AS07 | 通過 | 通過 | 通過 | 通過 |
測試單位：旭立科技廠內實驗室[16]。受測材料涵蓋墊片與膏膠類型。
在本測試條件下，五款受測材料浸泡後外觀無明顯劣化，冷卻液無變色，導熱係數與硬度變化皆在 ±10% 以內。此結果代表這些材料在 Shell S3 X 中具備良好的材料相容性與性能穩定性，可作為進一步導入浸沒式冷卻系統評估的依據；實際應用時，仍建議依目標系統的冷卻液、溫度與組裝條件進行驗證。
LiPOLY 浸沒式冷卻導熱介面材料
上述 AS02 / AS03 / AS05 / AS06 / AS07 為 LiPOLY 新一代導熱介面材料，涵蓋墊片與膏膠類型；LiPOLY 另有 DTT54-s / DTT55-s / DTT56-s 雙劑導熱固晶膠與 DTT61-s 浸沒式冷卻導熱墊片，兩者並列，可依組裝製程與間隙需求選用。規格、樣品與完整測試報告，歡迎洽詢 LiPOLY 業務窗口。
常見問題
Q1：單相與兩相浸沒式冷卻有什麼不同？
單相浸沒式冷卻的冷卻液在運作過程中維持液態，由泵浦送往熱交換器降溫後循環；兩相浸沒式冷卻的冷卻液則會在發熱元件表面沸騰汽化，藉由汽化潛熱帶走熱量，再經冷凝器凝結回液體。兩者的共同點是伺服器內的材料都直接浸在冷卻液中。
Q2：浸沒式冷卻液有哪些類型？
主要包括碳氫系（礦物油、PAO、GTL 合成油）、酯類、矽油與氟化液。單相系統以碳氫系最為常見；氟化液常用於兩相系統，但屬 PFAS 物質，供應與法規環境正在變化。不同類型的冷卻液與高分子材料的相容性表現不同，選材時需個別驗證。
Q3：為什麼導熱介面材料在浸沒式冷卻中需要特別驗證相容性？
因為導熱介面材料會長期直接浸在冷卻液中，可能出現膨潤、導熱性能衰退或成分溶出等問題。這些變化會使接合層厚度與熱阻改變，進而影響晶片溫度，也可能汙染冷卻液。
Q4：浸沒式冷卻相容性測試通常怎麼做？
常見做法是將材料試片完全浸入目標冷卻液，在高於實際使用溫度的條件下持續浸泡，例如 80°C、至少 21 天，再比較浸泡前後的材料外觀、冷卻液外觀、導熱係數與硬度等變化。
Q5：導熱係數變化 ±10% 代表什麼？
依熱阻簡化公式 R ≈ BLT ÷ k，在接合層厚度不變的情況下，導熱係數下降 10% 時，導熱層熱阻約上升 11%。將變化率控制在 ±10% 以內，代表材料在長時間浸泡後，散熱性能仍接近初始設計值。
參考資料
- Arcadis. “Liquid Immersion Cooling for Sustainable Data Centers,” 2024.
- ACHR News. “Immersion Cooling for Data Centers.”
- Inventec Performance Chemicals. “Evaluating Immersion Cooling Fluids for Data Centers: A Comparative Study between Hydrocarbon Oils and Fluorinated Fluids” (White Paper), 2024.
- Schneider Electric. “Comparing Dielectric Fluid Choices to Find the Best Solution for Your Data Center Liquid Cooling Needs,” 2020.
- 3M Company. Form 10-K for the Fiscal Year Ended December 31, 2025. U.S. Securities and Exchange Commission.
- 3M Company. “PFAS Manufacturing Phase Out — Customer Letter,” 2022.
- Materials Research Society. “Degradation Kinetics of Thermal Interface Materials in Single-Phase Liquid Immersion Cooling Systems” (EL10.12.05), 2025 MRS Fall Meeting & Exhibit.
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. “Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices.” Analytical Chemistry, 75(23), 6544–6554, 2003. DOI: 10.1021/ac0346712.
- International Business Machines Corporation. “Silicone-Based Thermal Interface Materials.” U.S. Patent No. 9,911,681 B2.
- Yu, L., Yang, J., Shia, D., et al. “A Study on Compatibility of Thermal Interface Materials with Coolants for Data Center Immersion Cooling.” 2022 21st IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (iTherm), 2022. DOI: 10.1109/iTherm54085.2022.9899572.
- Submer. “Navigating Material Compatibility in Immersion Cooling.”
- Engineered Fluids. “Material Compatibility Guide — Simplified Material Compatibility Testing Procedure.
- Shell. “Shell Immersion Cooling Fluid S3 X — Technical Data Sheet,” v1.7, 2022.
- Univar Solutions. “Shell Immersion Cooling Fluid S3 X — Product Information.
- Cisco Systems and Shell. “Optimizing AI Compute with Shell Immersion Cooling Fluid” (Partner Alliance Solution Brief).
- Shiu Li Technology Co., Ltd. (LiPOLY). “Shell S3X Immersion Cooling Fluid Compatibility Test Report — AS02, AS03, AS05, AS06, AS07” (internal test report), 2026.
- Shiu Li Technology Co., Ltd. (LiPOLY). “2026 Shiu Li E-Catalogue,” 2026.
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