當(dāng)前主要的散熱材料有哪些？純銅、銅合金、鋁合金等，這些金屬材料的3D打印工藝已經(jīng)較為成熟。

但英偉達卻將一種稱之為銅金剛石的復(fù)合材料，列為了其新一代AI芯片的散熱方案。

查詢發(fā)現(xiàn)，銅金剛石的熱導(dǎo)率超過了500W/(m·k)，而純銅約為400W/(m·k)，鋁合金僅為237W/(m·k)。

基于這一優(yōu)勢，銅金剛石成為了各方關(guān)注的新焦點，并在今年迎來規(guī)模化量產(chǎn)。

而銅金剛石的3D打印同樣值得關(guān)注，三帝科技采用其自研的粘結(jié)劑噴射工藝，已經(jīng)實現(xiàn)了該材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

對銅金剛石散熱的產(chǎn)業(yè)需求

高效能散熱的產(chǎn)業(yè)需求不僅僅有AI芯片，6G與激光半導(dǎo)體、汽車與3C電子，以及航空航天等領(lǐng)域，同樣需求銅金剛石材料。

?? AI服務(wù)器

AI領(lǐng)域是當(dāng)前重要的增量市場。以英偉達GPU芯片為例，H100的功耗還只有700w，而Rubin Ultra則達到了2500w以上，芯片的熱流局部密度甚至超過了超過了1000W/cm2，常規(guī)的液冷方案已經(jīng)無法滿足這一超高功率挑戰(zhàn)。

在這一背景下，英偉達已確認采用將金剛石銅復(fù)合材料，作為Rubin的標配散熱方案。此外，國內(nèi)供應(yīng)商如黃河旋風(fēng)、中京烽火等已經(jīng)批量供貨相關(guān)用戶。

預(yù)計到2030年，銅金剛石在高端液冷AI服務(wù)器中的滲透率將明顯提升。

?? 6G與激光半導(dǎo)體

6G和光通訊是銅金剛石散熱的另一個重要方向。這兩個領(lǐng)域的核心器件熱流密度能達到300W/cm2以上，與該領(lǐng)域常用的鋁碳化硅相比，銅金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是其3-5倍，熱膨脹系數(shù)與第三代半導(dǎo)體高度匹配，同時能減少信號損耗。

目前，在該領(lǐng)域占據(jù)較大市場份額的是日本住友，中國企業(yè)正在快速追趕。

例如，三帝科技基于BJ粘結(jié)劑噴射3D打印制造的微通道散熱器，已經(jīng)進入行業(yè)頭部客戶的驗證階段；中科院寧波材料所使用粉末冶金工藝研制的銅金剛石材料，導(dǎo)熱率達到了1000W/(m·K)。

三帝科技銅金剛石燒結(jié)件

?? 汽車與3C電子

新能源汽車行業(yè)對高效散熱的需求之一來源于超高壓充電，銅金剛石復(fù)合材料在該領(lǐng)域被用于制造熱沉等零部件。

一個具體的案例是，比亞迪申請了名為“金剛石-金屬復(fù)合材料及其制備方法、散熱基板、功率模塊、車輛”的專利。

在3C電子領(lǐng)域，銅金剛石散熱方案也在發(fā)揮重要作用。例如，聯(lián)想Yoga Slim 7i Aura Edition是全球首個規(guī)模化搭載銅金剛石散熱的消費電子產(chǎn)品，模組重量減輕約30%，厚度僅12mm，卻能穩(wěn)定輸出40W性能，同是將噪音控制在了較低水平。

?? 航空航天

航空航天領(lǐng)域?qū)︺~金剛石的需求，覆蓋從衛(wèi)星載荷、電驅(qū)系統(tǒng)、通信設(shè)備等多種應(yīng)用。

太空具有極端的溫差環(huán)境，從-200℃到數(shù)百攝氏度的高溫，銅金剛石均可以保持穩(wěn)定，熱震測試中的性能衰減也極小。它的高化學(xué)穩(wěn)定性還使其能夠抵御太空中的輻射(如宇宙射線、太陽風(fēng)),避免材料因輻照導(dǎo)致的性能退化(如銅的氧化或腐蝕)。

此外，其密度比純銅低1/3。隨著商業(yè)航天及衛(wèi)星發(fā)射需求的極具增長，銅金剛石的作用將越來越大。

三帝科技引領(lǐng)

銅金剛石3D打印產(chǎn)業(yè)化

銅金剛石的規(guī)模化量產(chǎn)面臨多項難題，如金剛石摻雜比例難以突破50%，大尺寸制造的顆粒分布不均，復(fù)雜微通道結(jié)構(gòu)難以加工等。傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)工藝面臨的問題也較為復(fù)雜，如成本高、加工形狀受限等。

3D打印技術(shù)提供了一種可行的制造手段。但正如前文所述，該目前取得實質(zhì)突破的，僅有三帝科技的BJ粘結(jié)劑噴射工藝。

銅金剛石生坯

三帝科技針對銅金剛石材料，開發(fā)出了“粘結(jié)劑噴射打印+梯度打印+低溫?zé)Y(jié)”組合工藝，帶來了多項突破。

首先是高摻雜比。該公司將金剛石的摻雜比例一舉提高至70%，使熱導(dǎo)率穩(wěn)定在600-800W/(m·K)，對于純銅來說是明顯的提升。

其次是相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力。得益于3D打印自由制造的屬性，可以直接制造出微通道、仿生結(jié)構(gòu)，使散熱面積相比傳統(tǒng)技術(shù)顯著提升。而且，三帝科技表示BJ技術(shù)的制造精度達±0.1mm，產(chǎn)品無需后續(xù)機加工。

最后是采用3D打印制造的銅金剛石具有良好的熱穩(wěn)定性。三帝科技表示，其產(chǎn)品已在熱循環(huán)穩(wěn)定性測試中達到了量產(chǎn)要求，熱擴散系數(shù)衰減率遠優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

銅金剛石生坯

三帝科技為推動粘結(jié)劑噴射3D打印銅金剛石實現(xiàn)量產(chǎn)，在蘇州成立了專門的產(chǎn)業(yè)化基地，配備了20余臺自研BJ設(shè)備，于今年4月正式開工生產(chǎn)。這也是國內(nèi)首個公開的采用3D打印工藝實現(xiàn)銅金剛石規(guī)模化量產(chǎn)的案例。

據(jù)三帝科技消息，該項目初期重點量產(chǎn)宏通道銅金剛石散熱器，計劃逐步完成AI服務(wù)器、激光設(shè)備等領(lǐng)域頭部企業(yè)的認證，實現(xiàn)批量供貨；中期將建成微通道量產(chǎn)線，年產(chǎn)能規(guī)劃達50萬片以上，可滿足多個高端領(lǐng)域的批量需求。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。