算力時代的散熱新解，銅包金剛石3D打印

AM易道分享

英偉達最新的B200芯片，一張卡的功耗超過千瓦。

機柜整整齊齊塞下去，發熱量相當于一臺小型燃氣輪機。

液冷在用，浸沒式在試，但真正卡住下一代AI算力堆疊的，不是算力芯片本身做不出來，是熱散不出去。

誰能把芯片背后那塊巴掌大的散熱基板做得更薄、更導熱、更耐冷熱循環，誰就拿到了AI算力時代的入場券。

而這件事的最優解，材料圈的答案是：

銅加金剛石。

為什么是銅加金剛石
銅的導熱性，大家熟。但和金剛石比，差著好幾倍。

金剛石的導熱率遠高于銅，更關鍵的是金剛石的熱膨脹系數極低，受熱幾乎不變形。

芯片在工作時溫度反復升降，如果散熱基板和芯片的膨脹步調不一致，焊層會被反復撕扯，幾年下來芯片易廢。

把銅和金剛石復合到一起，理論上就是既能高效抽熱，又不會因為熱脹冷縮把芯片焊層搞裂。

這個組合被散熱圈稱為最佳。

激光二極管模塊、IGBT功率器件、5G毫米波器件、衛星熱控。

幾乎所有熱密度頂不住的場景，都在等銅-金剛石能用得起、做得出復雜形狀的那一天。

但這一天遲遲沒來。

卡了幾十年的死結
不是沒人嘗試。
壓制燒結、熱等靜壓、火花等離子燒結、液態金屬浸滲，粉末冶金能用的招數全用過。

問題是這些工藝做不出復雜形狀。

圓餅能做，方塊能做，有限的幾種模具澆出來的幾何能做。

但帶內部冷卻流道的散熱基板做不了，梯度孔結構的冷板做不了，貼合芯片背面的異形件也做不了。

那直接3D打印呢？

激光粉末床熔化（LPBF）本來就是給復雜結構準備的工藝。

但金剛石和這個工藝天然八字不合。

激光打到金剛石上，大部分能量直接穿過去。

金剛石對激光幾乎是透明的。

剩下被吸收的那點能量，又被金剛石超高的導熱率瞬間抽走，周圍的銅根本來不及形成穩定的熔池。

再加上局部溫度一高，金剛石表面會石墨化，材料還沒成形就先被燒毀了。

一邊是界面好但形狀不自由，一邊是形狀自由但根本打不動。

這個二選一，卡了行業很多年。

而且事情比表面上看起來還棘手。

金剛石難打的另一面，是銅也極難打。

LPBF工業上主流用的是1064納米左右的紅外激光。

這個波長打到純銅上，超過90%的能量被直接反射走，剩下不到10%被吸收。

激光器要燒到很大功率才能勉強讓銅熔化，熔池還極不穩定，飛濺、孔洞、變形是家常便飯。

這也是為什么純銅LPBF直到最近幾年才靠綠激光、藍激光開始做出商用方案。

也就是說，銅-金剛石這個組合，把LPBF領域兩個最難加工的材料湊到一起了。

一個對激光幾乎透明，一個對激光幾乎反射。

按常識，這種組合應該比單獨打任何一個都難得多。

但這次反過來了，兩個材料湊到一起，反而打通了。

英國團隊的破局思路
關鍵在于組合。

如果還是把銅粉和金剛石粉混在一起去打，那是兩個難疊加，更難。

但如果把銅變成金剛石的外衣，事情就反過來了。

英國Wolverhampton大學一個叫Robinson的團隊，聯合兩家英國公司。

一家做金剛石硬涂層的Diamond Hard Surfaces，一家做增材分析的Additive Analytics。

在今年3月發表的論文里，正是這么做的。

他們的破局點不在打印機，在粉末本身。

研究使用的EOS M290工業級LPBF設備

思路是，既然激光直接打金剛石打不動、直接打銅又打不穩，那就讓激光只打銅殼，讓銅殼去包金剛石。

這里有個微妙的物理事實。

純銅對激光的反射率雖然高，但當銅形成幾微米厚的薄殼、再附著在金剛石表面時，吸收率反而會上升。

一方面薄殼的多次反射增加了能量駐留，另一方面金剛石作為基底的高導熱把銅殼快速加熱到熔點附近，進一步降低了反射率。

也就是說，銅殼+金剛石核這個結構，不僅沒有把兩個難疊加，反而互相抵消了對方的難。

激光穩定地被銅殼吸收，金剛石被銅殼保護，銅殼又因為金剛石的存在變得更好駕馭。

他們用一種叫SPS（火花等離子燒結）的預處理工藝，給每一顆金剛石顆粒包了一層5到12微米厚的銅殼。

原本是金剛石粉和銅粉混在一起，變成了每顆都是銅殼裹金剛石核的復合粒子。

激光打過去，先打到銅殼上。

銅殼熔化后再去包裹金剛石核，中間最劇烈的相變和熱沖擊被銅殼緩沖掉了。

銅包金剛石粉末的電鏡照片，每顆粒子都是金剛石核被致密銅殼完全包覆，粒徑63-80微米，可以直接上工業打印機

這一步看似只是粉末預處理，其實是把傳統燒結的好界面和3D打印的形狀自由縫合到一起的關鍵工程。

后面所有打印實驗，都建立在這個粉末基礎上。

粉末的X射線斷層掃描，藍色是致密銅殼，黃橙色是金剛石核，內部孔隙小于2%

工藝窗口窄，但可控

粉末解決了，接下來是把激光參數調到對的位置。

團隊跑了15組單道實驗，激光功率、掃描速度反復搭配。

最后畫出來的工藝窗口：

能量密度150到220 J/mm3是穩定區，熔道連續、孔隙率低于2.5%。

低于這個區間，熔池能量不夠，銅變成一顆顆小球散在表面，不連續。

高于這個區間，銅被局部蒸發，熔池表面出現暗化和小坑。

不同參數下的15組單道照片：中間一行是穩定窗口，上下兩端是過燒和欠熔。

這張圖將是大家上手這個工藝時最實用的參考

下面這圖表明能量越高、熔道越寬越深，但變化趨勢很規整，意味著工藝可預測性好。

能量密度和熔道幾何的關系

孔隙率隨能量密度的變化

中間能量區孔隙率最低，對應最穩定的工作狀態。

到這一步，論文的第一個目標已經完成。

銅包金剛石可以穩定地用LPBF打印了。

但真正讓這篇論文變得有趣的，是接下來發生的事。

意料之外的新發現

單道走通后，團隊按慣例做多道疊加實驗，模擬真實零件成形。

在能量密度113到141J/mm3這個非常窄的區間里，他們看到了一個完全沒預料到的東西。

熔池表面長出了一張多邊形的金屬網。

多道熔池里薄膜失穩的示意：相鄰熔道之間會被夾出一層微米級的銅薄膜，這層薄膜在凝固瞬間自己破裂重組，織成網狀結構

不是裂紋，不是孔洞，是一張規則的、幾何上有周期性的多孔晶格。

孔徑0.5到2微米，韌帶粗0.2到0.8微米，均勻地鋪滿整個熔道表面。

論文作者明確指出，這種結構在LPBF領域從未被報道過。

下圖是20組多道實驗的形貌矩陣：

中間那幾格（113-141 J/mm3）就是金屬網出現的窗口，其他參數下都看不到這個現象。

再細看：

從光學顯微鏡下的實物，到示意圖，多邊形蜂窩結構清晰可辨。

更關鍵的是，單道實驗里，即便能量密度落在同樣的區間，這種網也沒出現過。

它必須靠多道疊加。

當激光掃完一道、再掃旁邊一道時，兩道熔池之間會被擠出一層薄薄的、微米級的銅膜。

這層膜在凝固瞬間，因為表面張力的作用，自己破裂、重組，織成了一張幾何規則的網。

這個過程發生在極短的時間窗口內。

慢一點，網會粗化合并成普通銅面；快一點，膜還來不及形成就凝固了。

團隊用一套基于經典薄膜失穩理論的物理模型，把這張網的尺寸和打印參數之間的關系算清楚了。

薄膜越厚、冷卻越慢、表面張力越大，網的孔徑就越大；反之就越小。

意味著可以按需調參，想要多大孔徑就打多大孔徑。

下圖是五種形貌區的工藝地圖：

能量密度從低到高，依次出現欠熔、自組織晶格、晶格粗化、致密化、過燒多孔五個區。

再看散熱的新解到底新在哪

繞了一圈，回到最開始的問題。

AI算力時代散熱卡到底卡在哪，這套工藝到底解了什么。

第一個新解，是形狀自由。

銅-金剛石這個材料組合存在了幾十年，但一直被困在簡單幾何里。

這次的突破，讓這個材料終于可以做成帶內部流道、梯度結構、局部可調孔隙的復雜熱管理部件，論文原文明確提到的幾種結構能力。

第二個新解，是一料兩用。

同一套粉末、同一臺設備、同一個工藝，調高能量密度，得到致密的散熱板；

調到那個窄窗口里，得到亞微米多孔的金屬網。

前者解決AI芯片背后那塊基板的導熱問題，后者本身就是熱管和均熱板內壁那層毛細芯。

基板和毛細芯，原本是散熱系統里兩個獨立做、再裝到一起的部件。

現在理論上可以用同一臺機器、同一種粉末，把基板和毛細結構在同一個零件上一次打印成形。

基板部分用穩定窗口的參數、毛細部分切換到那個窄窗口的參數。

第三個新解，是商業模式的新可能。

三方協作里，Diamond Hard Surfaces負責金剛石原料和表面處理，Additive Analytics負責工藝分析和參數優化，大學負責基礎研究。

粉末方法和多孔結構生成方法都已經申請了英國專利保護。

論文之外，能感受到這是一條已經在搭建的商業化路線組合。

或許，粉末本身可以單獨賣給做散熱的企業，工藝參數可以授權，最終的散熱模組可以直接做成產品交付。

銅+金剛石3D打印能不能完全解決AI算力時代的散熱卡點，這個問題現在還沒有答案。

但這篇論文做了三件事：

把打不了變成能打，把不復雜的結構變成能做復雜結構，再順手把導熱基板和毛細芯兩件事一起做了。

散熱這件事，從來不是某一個參數突破就能解決的。

它是一連串妥協的總和，成本、形狀、熱阻、壽命、產能、可制造性，全要平衡。

這個研究至少表明銅+金剛石材料終于可以用3D打印繼續推進了。

下一步是能否工程化，我們將繼續關注。

關于本文

這是AM易道對一篇嚴肅學術論文的解讀，AM易道做了轉譯和延伸解讀，實驗數據嚴格來自原文，但大量應用、產業判斷和部分類比表述屬于AM易道自己的理解。

建議讀者閱讀研究原文：Robinson 等，《Process driven self-organisation in laser powder bed fusion of copper coated diamond》，Diamond & Related Materials 165 (2026) 113591。