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绿激光3D打印一体式「铜金刚石+纯铜」复合散热结构!拆解分层散热方案

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铜金刚石复合材料是今年涌入3D打印领域的一种“新材料”,它的导热系数是纯铜的1.5倍-2.5倍,已成为英伟达、华为两大巨头的共同选项。

关于该材料的3D打印也迎来新进展,希禾材料近日宣布,已成功采用绿激光技术在铜金刚石复合材料基板上实现高效、高质量的纯铜嫁接打印,打印成形区域致密度超过99%。

笔者进一步查询了英伟达的散热方案,其本身就并非是采用铜金刚石来代替纯铜来制造液冷板,而是一个包含多类材料的多层级结构。

希禾增材此次取得的突破,与这一散热结构方案高度相关。


铜金刚石基板+纯铜液冷

相关资料指出,散热系统是一个多层级的工程结构,包含了多种材料和结构。

以英伟达量产方案为例,芯片背面首先是高导热的石墨界面层,用来填充间隙使表面平整。之后是铜金刚石复合散热基板,它的作用是把局部集中的热点摊开到更大的平面上。但笔者查询到,这个基板内并不包含液冷通道,而是一块实体板材。再往外,是一体式的大尺寸微通道铜液冷板,通过流体循环带走全部热量。


MSI的钻石-铜复合底板

可在查询到这些知识之前,笔者还以为是用铜金刚石复合材料代替了纯铜。

金刚石的密度只有铜的一半,但导热性却比铜高出四倍。那为什么不直接用它来给芯片导热?

这是因为,高品质的金刚石制备特别困难,而且价格昂贵。即便是铜金刚石复合材料,在加工成液冷需要的精细结构时,也存在良率低、成本高、一致性不好把控的实际情况。

这也意味着在现在的技术条件下,没办法满足大规模量产的需求,而纯铜液冷板的制造工艺却更加成熟可靠。


来自北京安泰钢研的铜金刚石复合材料

目前,铜和金刚石的复合材料能够通过粉末冶金等成熟工艺来进行制造,导热系数通常在550-1000W/m·K之间,结合可加工性和成本来看,综合性能比纯铜要高很多。

最终,英伟达结合工程实际挑选了这种更合适的解决方案,在芯片处采用铜金刚石高效导热,然后依靠铜液冷板迅速把热量带走

铜金刚石基板

高质量嫁接3D打印纯铜

希禾增材并非直接对铜金刚石复合材料进行整体打印,而是在铜金刚石基板表面进行嫁接打印纯铜结构。

因为纯铜对绿激光有更高的吸收率,打印时能实现稳定熔化和高质量成型,从而能够在高导热基板表面高效构建复杂散热结构。

同时,绿激光打印具有能量耦合稳定、热输入可控等特点,有助于减少对金刚石相以及复合材料基板的热影响,从而降低热损伤风险。


铜金刚石基板+3D打印纯铜

导热系数显著提升

3D打印的一个重要优势,是能够一体制造出超薄壁、复杂微流道和TPMS晶格等散热能力更强的复杂结构。

对于传统加工技术来说,上述这些结构不仅无法加工,且流程往往非常复杂。涉及到分体加工、逐一焊接,不仅容易产生质量风险,还会增加热阻。而3D打印只需要一次打印,就能完整制造。对于传统而言,这无疑就是颠覆。


希禾增材3D打印铜金刚石高散热结构

根据希禾增材近日展示的案例成果,其在铜金刚石基板上,成功使用绿激光3D打印了带有复杂曲面以及TPMS晶格的复合结构。

笔者进一步向希禾增材进行了咨询,该复合基板的导热系数达到了700–800W/m·K,远远比纯铜400W/m·K的室温热导率高。

此外,打印成形区域的致密度达到99%以上,展示出该解决方案具备规模化应用的潜力。


在保留铜金刚石材料高导热优势的基础上,在其之上通过3D打印直接构建复杂的散热结构,消除传统焊接带来的热阻、渗漏风险,该方案给高性能热管理器件的一体化制造提供了新的工艺途径。

同时,这一方案还进一步展现出“先进材料+先进结构+3D打印”能够实现更高性能制造的特点。

希禾增材表示,将继续发挥绿激光3D打印的优势,进一步优化工艺和设计,不断完善铜金刚石复合材料散热产品,开发更优的散热部件。

注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。


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