算力时代的散热新解，铜包金刚石3D打印

AM易道分享

英伟达最新的B200芯片，一张卡的功耗超过千瓦。

机柜整整齐齐塞下去，发热量相当于一台小型燃气轮机。

液冷在用，浸没式在试，但真正卡住下一代AI算力堆叠的，不是算力芯片本身做不出来，是热散不出去。

谁能把芯片背后那块巴掌大的散热基板做得更薄、更导热、更耐冷热循环，谁就拿到了AI算力时代的入场券。

而这件事的最优解，材料圈的答案是：

铜加金刚石。

为什么是铜加金刚石
铜的导热性，大家熟。但和金刚石比，差着好几倍。

金刚石的导热率远高于铜，更关键的是金刚石的热膨胀系数极低，受热几乎不变形。

芯片在工作时温度反复升降，如果散热基板和芯片的膨胀步调不一致，焊层会被反复撕扯，几年下来芯片易废。

把铜和金刚石复合到一起，理论上就是既能高效抽热，又不会因为热胀冷缩把芯片焊层搞裂。

这个组合被散热圈称为最佳。

激光二极管模块、IGBT功率器件、5G毫米波器件、卫星热控。

几乎所有热密度顶不住的场景，都在等铜-金刚石能用得起、做得出复杂形状的那一天。

但这一天迟迟没来。

卡了几十年的死结
不是没人尝试。
压制烧结、热等静压、火花等离子烧结、液态金属浸渗，粉末冶金能用的招数全用过。

问题是这些工艺做不出复杂形状。

圆饼能做，方块能做，有限的几种模具浇出来的几何能做。

但带内部冷却流道的散热基板做不了，梯度孔结构的冷板做不了，贴合芯片背面的异形件也做不了。

那直接3D打印呢？

激光粉末床熔化（LPBF）本来就是给复杂结构准备的工艺。

但金刚石和这个工艺天然八字不合。

激光打到金刚石上，大部分能量直接穿过去。

金刚石对激光几乎是透明的。

剩下被吸收的那点能量，又被金刚石超高的导热率瞬间抽走，周围的铜根本来不及形成稳定的熔池。

再加上局部温度一高，金刚石表面会石墨化，材料还没成形就先被烧毁了。

一边是界面好但形状不自由，一边是形状自由但根本打不动。

这个二选一，卡了行业很多年。

而且事情比表面上看起来还棘手。

金刚石难打的另一面，是铜也极难打。

LPBF工业上主流用的是1064纳米左右的红外激光。

这个波长打到纯铜上，超过90%的能量被直接反射走，剩下不到10%被吸收。

激光器要烧到很大功率才能勉强让铜熔化，熔池还极不稳定，飞溅、孔洞、变形是家常便饭。

这也是为什么纯铜LPBF直到最近几年才靠绿激光、蓝激光开始做出商用方案。

也就是说，铜-金刚石这个组合，把LPBF领域两个最难加工的材料凑到一起了。

一个对激光几乎透明，一个对激光几乎反射。

按常识，这种组合应该比单独打任何一个都难得多。

但这次反过来了，两个材料凑到一起，反而打通了。

英国团队的破局思路
关键在于组合。

如果还是把铜粉和金刚石粉混在一起去打，那是两个难叠加，更难。

但如果把铜变成金刚石的外衣，事情就反过来了。

英国Wolverhampton大学一个叫Robinson的团队，联合两家英国公司。

一家做金刚石硬涂层的Diamond Hard Surfaces，一家做增材分析的Additive Analytics。

在今年3月发表的论文里，正是这么做的。

他们的破局点不在打印机，在粉末本身。

研究使用的EOS M290工业级LPBF设备

思路是，既然激光直接打金刚石打不动、直接打铜又打不稳，那就让激光只打铜壳，让铜壳去包金刚石。

这里有个微妙的物理事实。

纯铜对激光的反射率虽然高，但当铜形成几微米厚的薄壳、再附着在金刚石表面时，吸收率反而会上升。

一方面薄壳的多次反射增加了能量驻留，另一方面金刚石作为基底的高导热把铜壳快速加热到熔点附近，进一步降低了反射率。

也就是说，铜壳+金刚石核这个结构，不仅没有把两个难叠加，反而互相抵消了对方的难。

激光稳定地被铜壳吸收，金刚石被铜壳保护，铜壳又因为金刚石的存在变得更好驾驭。

他们用一种叫SPS（火花等离子烧结）的预处理工艺，给每一颗金刚石颗粒包了一层5到12微米厚的铜壳。

原本是金刚石粉和铜粉混在一起，变成了每颗都是铜壳裹金刚石核的复合粒子。

激光打过去，先打到铜壳上。

铜壳熔化后再去包裹金刚石核，中间最剧烈的相变和热冲击被铜壳缓冲掉了。

铜包金刚石粉末的电镜照片，每颗粒子都是金刚石核被致密铜壳完全包覆，粒径63-80微米，可以直接上工业打印机

这一步看似只是粉末预处理，其实是把传统烧结的好界面和3D打印的形状自由缝合到一起的关键工程。

后面所有打印实验，都建立在这个粉末基础上。

粉末的X射线断层扫描，蓝色是致密铜壳，黄橙色是金刚石核，内部孔隙小于2%

工艺窗口窄，但可控

粉末解决了，接下来是把激光参数调到对的位置。

团队跑了15组单道实验，激光功率、扫描速度反复搭配。

最后画出来的工艺窗口：

能量密度150到220 J/mm³是稳定区，熔道连续、孔隙率低于2.5%。

低于这个区间，熔池能量不够，铜变成一颗颗小球散在表面，不连续。

高于这个区间，铜被局部蒸发，熔池表面出现暗化和小坑。

不同参数下的15组单道照片：中间一行是稳定窗口，上下两端是过烧和欠熔。

这张图将是大家上手这个工艺时最实用的参考

下面这图表明能量越高、熔道越宽越深，但变化趋势很规整，意味着工艺可预测性好。

能量密度和熔道几何的关系

孔隙率随能量密度的变化

中间能量区孔隙率最低，对应最稳定的工作状态。

到这一步，论文的第一个目标已经完成。

铜包金刚石可以稳定地用LPBF打印了。

但真正让这篇论文变得有趣的，是接下来发生的事。

意料之外的新发现

单道走通后，团队按惯例做多道叠加实验，模拟真实零件成形。

在能量密度113到141J/mm³这个非常窄的区间里，他们看到了一个完全没预料到的东西。

熔池表面长出了一张多边形的金属网。

多道熔池里薄膜失稳的示意：相邻熔道之间会被夹出一层微米级的铜薄膜，这层薄膜在凝固瞬间自己破裂重组，织成网状结构

不是裂纹，不是孔洞，是一张规则的、几何上有周期性的多孔晶格。

孔径0.5到2微米，韧带粗0.2到0.8微米，均匀地铺满整个熔道表面。

论文作者明确指出，这种结构在LPBF领域从未被报道过。

下图是20组多道实验的形貌矩阵：

中间那几格（113-141 J/mm³）就是金属网出现的窗口，其他参数下都看不到这个现象。

再细看：

从光学显微镜下的实物，到示意图，多边形蜂窝结构清晰可辨。

更关键的是，单道实验里，即便能量密度落在同样的区间，这种网也没出现过。

它必须靠多道叠加。

当激光扫完一道、再扫旁边一道时，两道熔池之间会被挤出一层薄薄的、微米级的铜膜。

这层膜在凝固瞬间，因为表面张力的作用，自己破裂、重组，织成了一张几何规则的网。

这个过程发生在极短的时间窗口内。

慢一点，网会粗化合并成普通铜面；快一点，膜还来不及形成就凝固了。

团队用一套基于经典薄膜失稳理论的物理模型，把这张网的尺寸和打印参数之间的关系算清楚了。

薄膜越厚、冷却越慢、表面张力越大，网的孔径就越大；反之就越小。

意味着可以按需调参，想要多大孔径就打多大孔径。

下图是五种形貌区的工艺地图：

能量密度从低到高，依次出现欠熔、自组织晶格、晶格粗化、致密化、过烧多孔五个区。

再看散热的新解到底新在哪

绕了一圈，回到最开始的问题。

AI算力时代散热卡到底卡在哪，这套工艺到底解了什么。

第一个新解，是形状自由。

铜-金刚石这个材料组合存在了几十年，但一直被困在简单几何里。

这次的突破，让这个材料终于可以做成带内部流道、梯度结构、局部可调孔隙的复杂热管理部件，论文原文明确提到的几种结构能力。

第二个新解，是一料两用。

同一套粉末、同一台设备、同一个工艺，调高能量密度，得到致密的散热板；

调到那个窄窗口里，得到亚微米多孔的金属网。

前者解决AI芯片背后那块基板的导热问题，后者本身就是热管和均热板内壁那层毛细芯。

基板和毛细芯，原本是散热系统里两个独立做、再装到一起的部件。

现在理论上可以用同一台机器、同一种粉末，把基板和毛细结构在同一个零件上一次打印成形。

基板部分用稳定窗口的参数、毛细部分切换到那个窄窗口的参数。

第三个新解，是商业模式的新可能。

三方协作里，Diamond Hard Surfaces负责金刚石原料和表面处理，Additive Analytics负责工艺分析和参数优化，大学负责基础研究。

粉末方法和多孔结构生成方法都已经申请了英国专利保护。

论文之外，能感受到这是一条已经在搭建的商业化路线组合。

或许，粉末本身可以单独卖给做散热的企业，工艺参数可以授权，最终的散热模组可以直接做成产品交付。

铜+金刚石3D打印能不能完全解决AI算力时代的散热卡点，这个问题现在还没有答案。

但这篇论文做了三件事：

把打不了变成能打，把不复杂的结构变成能做复杂结构，再顺手把导热基板和毛细芯两件事一起做了。

散热这件事，从来不是某一个参数突破就能解决的。

它是一连串妥协的总和，成本、形状、热阻、寿命、产能、可制造性，全要平衡。

这个研究至少表明铜+金刚石材料终于可以用3D打印继续推进了。

下一步是能否工程化，我们将继续关注。

关于本文

这是AM易道对一篇严肃学术论文的解读，AM易道做了转译和延伸解读，实验数据严格来自原文，但大量应用、产业判断和部分类比表述属于AM易道自己的理解。

建议读者阅读研究原文：Robinson 等，《Process driven self-organisation in laser powder bed fusion of copper coated diamond》，Diamond & Related Materials 165 (2026) 113591。