极致散热何解？高纯低氧铜粉，3D打印性能基石

根据MarketsandMarkets的研究，全球热管理市场规模预计将在2028年达193亿美元[1]。这一增长主要由人工智能计算、5G通信、新能源汽车等高端制造领域驱动。其中，人工智能领域的散热需求尤为突出，该领域的高性能计算设备对散热材料的热性能要求日益严苛。同时，Precedence Research的分析显示，全球汽车热管理系统市场规模将在2032年超600亿美元[2]，尤其是新能源汽车的发展进一步扩大了高端散热材料的应用空间。

纯铜的导热系数高达400 W/(m·K)，约是常用3D打印铝合金（如AlSi10Mg，约160 W/(m·K)）的2.5倍，更远高于不锈钢（约15-20 W/(m·K)），这一优异特性使其成为解决高功率密度散热挑战的理想选择之一。

在当前全球热管理需求快速增长的背景下，纯铜凭借其卓越的导热性能，在3D打印技术的加持下，正在迈向更广泛的商业化工业场景，为下一代电子设备的热管理提供关键解决方案。

纯铜增材制造典型应用场景

l极端高热流密度场景

极端高热流密度场景中，器件的发热功率大，但接触面积小，导致单位面积上的热流量极高（例如大于100W/cm²）。常规散热方案的导热效率有限，难以实现热量的快速传导与扩散，使得热量持续积聚在器件上无法及时疏解，最终导致芯片结温迅速飙升。

纯铜极高的导热系数确保了热量能被迅速从热源点横向扩散到整个散热底座，从根本上避免了局部过热，为后续的散热创造了条件。

典型应用：

①高性能计算与服务器CPU/GPU：尤其是那些核心频率极高、功耗巨大的型号，纯铜底座可以瞬间吸收热量，防止局部过热。

②功率电子器件：如IGBT、SiC/GaN（碳化硅/氮化镓）功率模块，这些器件开关频率高、效率高，但产生的热量非常集中。

③激光器的巴条和单管：激光二极管在极小区域内产生巨大热量，散热效率直接决定其输出功率和寿命。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

l散热效率极致追求且空间受限场景

在这一场景中，设备内部空间极其紧凑，无法通过增大散热器体积来提升散热能力，需要通过复杂的内部结构（如微通道、薄壁鳍片）来最大化表面积，同时要求材料本身具有最高的导热效率。

在利用3D打印实现这些复杂结构的同时，纯铜材料本身的高导热性确保了热量能高效地传递到这些扩展表面的每一个角落，使得“在方寸之间实现极致散热”成为可能。这是铝或不锈钢等材料即使能成型结构，也难以企及的散热效率。

图源militaryaerospace.com

典型应用：

①航空航天与国防电子：例如机载、弹载电子设备，空间和重量都是严格受限的宝贵资源，3D打印可以制造出传统工艺无法实现的、与壳体一体化的纯铜微通道冷板。

②高端医疗设备（如影像诊断探头和手术器械）：设备内部集成了高功率传感器和芯片，但外形尺寸有严格限制。

③超薄笔记本电脑或迷你PC：在极其轻薄的机身内压制高性能CPU和GPU。

l高度定制化、复杂内流道结构场景

在需要高度定制化、复杂内流道结构的场景中，散热流道需要根据热源分布和外壳形状进行随形设计，例如螺旋流道、分形流道、拓扑优化后的异形流道等，这些结构用传统铣削、钎焊工艺几乎无法制造或成本极高。

典型应用

①AI芯片液冷板：在此应用中，纯铜3D打印技术将第一场景（应对极端热流） 与本场景（复杂流道） 完美融合。通过一次性打印成形的、与芯片热点精准对准的三维随形微通道，将热量高效传递给冷却液。这种“点对点”的定制化能力，是风冷和传统水冷无法比拟的。

②定制化水冷头：针对高端超频PC和服务器液冷系统，纯铜3D打印的水冷头可以完美贴合CPU顶盖，内部流道可以精准对准最热的芯片核心，实现极致散热效果。

③集成式液冷散热器：将管路、歧管和散热鳍片一体化打印，减少组装接口，提升可靠性和散热效率。

铜金属3D打印一体化水冷板

制造商：广东必极科技有限公司

可应用于AI服务器GPU芯片冷却，无需钎焊，100%零泄漏，其内部采用TPMS微通道晶格结构设计，能够解决单个芯片1500W的散热需求。

l导电、电磁屏蔽功能一体化场景

在需要与导电、电磁屏蔽功能一体化的场景中，部件不仅需要散热，同时还要求其作为electrical ground（接地）的一部分，或者需要屏蔽内部或外部的电磁干扰。

典型应用

①射频/微波模块的壳体：外壳本身既是结构件、电磁屏蔽罩，又是高效的散热器，通过3D打印可以将其做成带有复杂冷却通道的活的结构。

②高功率电源模块的基板与外壳。

材料纯度与氧含量对增材制造质量的影响

l高纯度保障高导热性能

杂质是声子输运（导热的主要机制）的主要散射中心，高纯度确保了打印成形的部件能够最大限度地接近纯铜的本征导热系数（400 W/(m·K)），这对于追求极致散热的场景至关重要。众远新材料生产的纯铜粉末杂质含量极低（纯度≥99.95%）。

l低氧含量控制提升打印质量与稳定性

粉末的氧含量是影响打印质量和最终部件性能的关键指标，众远通过后续处理工艺，能将粉末的氧含量控制在很低的水平（≤100ppm）。低氧含量可以有效避免打印过程中产生气孔、球化等缺陷，提高产品的可靠性和致密度。此外，众远纯铜粉末在储存过程中能够有效控制氧含量的增长，稳定的低氧含量意味着粉末从出厂、运输、储存到使用的全生命周期内，其核心性能指标是一致的，这对于工业化批量生产中的质量控制和工艺稳定性至关重要。

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纯铜金属粉末适配的3D打印设备建议

l首选激光器类型

首选激光器类型是蓝光或绿光激光器，这是解决纯铜高反射率问题的有效途径之一。纯铜在绿光波段的吸收率高达78%，相比红外激光32%是翻倍的提升，这意味着激光能量能够被高效吸收并用于熔化粉末，而不是被反射回去损坏设备。

l纯铜打印推荐策略

• 提供足够能量以克服铜的高导热性，实现完全熔化；绿光因吸收率高，所需功率相对较低。

• 确保激光能量与材料有足够的作用时间，避免因冷却过快导致未熔合，速度需与功率精确匹配。

• 确保扫描线之间有足够的重叠，避免产生未熔合的孔隙。

• 打印前提前预热打印基板，预热可以显著降低打印过程中的热梯度，减少残余应力，防止翘曲开裂，并减缓熔池的冷却速度，改善熔池润湿性。

综合来看，众远新材料纯铜金属粉末的高纯度特性使其最大限度接近纯铜400W/(m·K)的本征导热系数，精准匹配极端高热流密度、空间受限等场景对高效传热的核心需求；低氧含量控制有效规避打印气孔、球化缺陷，保障粉末材料在全生命周期性能稳定，从材料端为先进热管理部件的增材制造批量生产筑牢质量基础。

针对纯铜激光高反射率这一行业难题，选择适配的激光器、优化3D打印方案外，材料合金化亦是可行路径，众远同步提供高品质铜铬锆铜合金材料，为不同散热需求场景提供多元选择，助力高端热管理部件实现性能突破与稳定量产。

参考文献及资料：

[1] MarketsandMarkets. "Thermal Management Market by Material, Device, Product, Industry and Region - Global Forecast to 2028."

[2] Precedence Research. "Automotive Thermal Systems Market Size to Hit USD 64.29 Bn by 2032"

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投稿丨daisylinzhu 微信

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