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英偉達(dá)最新的B200芯片，一張卡的功耗超過(guò)千瓦。

機(jī)柜整整齊齊塞下去，發(fā)熱量相當(dāng)于一臺(tái)小型燃?xì)廨啓C(jī)。

液冷在用，浸沒(méi)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(lái)，是熱散不出去。

誰(shuí)能把芯片背后那塊巴掌大的散熱基板做得更薄、更導(dǎo)熱、更耐冷熱循環(huán)，誰(shuí)就拿到了AI算力時(shí)代的入場(chǎng)券。

而這件事的最優(yōu)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(dǎo)熱性，大家熟。但和金剛石比，差著好幾倍。

金剛石的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于銅，更關(guān)鍵的是金剛石的熱膨脹系數(shù)極低，受熱幾乎不變形。

芯片在工作時(shí)溫度反復(fù)升降，如果散熱基板和芯片的膨脹步調(diào)不一致，焊層會(huì)被反復(fù)撕扯，幾年下來(lái)芯片易廢。

把銅和金剛石復(fù)合到一起，理論上就是既能高效抽熱，又不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s把芯片焊層搞裂。

這個(gè)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(wèi)星熱控。

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

但這一天遲遲沒(méi)來(lái)。

卡了幾十年的死結(jié)
不是沒(méi)人嘗試。
壓制燒結(jié)、熱等靜壓、火花等離子燒結(jié)、液態(tài)金屬浸滲，粉末冶金能用的招數(shù)全用過(guò)。

問(wèn)題是這些工藝做不出復(fù)雜形狀。

圓餅?zāi)茏?，方塊能做，有限的幾種模具澆出來(lái)的幾何能做。

但帶內(nèi)部冷卻流道的散熱基板做不了，梯度孔結(jié)構(gòu)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(lái)就是給復(fù)雜結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備的工藝。

但金剛石和這個(gè)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(guò)去。

金剛石對(duì)激光幾乎是透明的。

剩下被吸收的那點(diǎn)能量，又被金剛石超高的導(dǎo)熱率瞬間抽走，周圍的銅根本來(lái)不及形成穩(wěn)定的熔池。

再加上局部溫度一高，金剛石表面會(huì)石墨化，材料還沒(méi)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(dòng)。

這個(gè)二選一，卡了行業(yè)很多年。

而且事情比表面上看起來(lái)還棘手。

金剛石難打的另一面，是銅也極難打。

LPBF工業(yè)上主流用的是1064納米左右的紅外激光。

這個(gè)波長(zhǎng)打到純銅上，超過(guò)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(qiáng)讓銅熔化，熔池還極不穩(wěn)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(lán)激光開始做出商用方案。

也就是說(shuō)，銅-金剛石這個(gè)組合，把LPBF領(lǐng)域兩個(gè)最難加工的材料湊到一起了。

一個(gè)對(duì)激光幾乎透明，一個(gè)對(duì)激光幾乎反射。

按常識(shí)，這種組合應(yīng)該比單獨(dú)打任何一個(gè)都難得多。

但這次反過(guò)來(lái)了，兩個(gè)材料湊到一起，反而打通了。

英國(guó)團(tuán)隊(duì)的破局思路
關(guān)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(gè)難疊加，更難。

但如果把銅變成金剛石的外衣，事情就反過(guò)來(lái)了。

英國(guó)Wolverhampton大學(xué)一個(gè)叫Robinson的團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合兩家英國(guó)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(fā)表的論文里，正是這么做的。

他們的破局點(diǎn)不在打印機(jī)，在粉末本身。

研究使用的EOS M290工業(yè)級(jí)LPBF設(shè)備

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

這里有個(gè)微妙的物理事實(shí)。

純銅對(duì)激光的反射率雖然高，但當(dāng)銅形成幾微米厚的薄殼、再附著在金剛石表面時(shí)，吸收率反而會(huì)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(dǎo)熱把銅殼快速加熱到熔點(diǎn)附近，進(jìn)一步降低了反射率。

也就是說(shuō)，銅殼+金剛石核這個(gè)結(jié)構(gòu)，不僅沒(méi)有把兩個(gè)難疊加，反而互相抵消了對(duì)方的難。

激光穩(wěn)定地被銅殼吸收，金剛石被銅殼保護(hù)，銅殼又因?yàn)榻饎偸拇嬖谧兊酶民{馭。

他們用一種叫SPS（火花等離子燒結(jié)）的預(yù)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(fù)合粒子。

激光打過(guò)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(yè)打印機(jī)

這一步看似只是粉末預(yù)處理，其實(shí)是把傳統(tǒng)燒結(jié)的好界面和3D打印的形狀自由縫合到一起的關(guān)鍵工程。

后面所有打印實(shí)驗(yàn)，都建立在這個(gè)粉末基礎(chǔ)上。

粉末的X射線斷層掃描，藍(lán)色是致密銅殼，黃橙色是金剛石核，內(nèi)部孔隙小于2%

工藝窗口窄，但可控

粉末解決了，接下來(lái)是把激光參數(shù)調(diào)到對(duì)的位置。

團(tuán)隊(duì)跑了15組單道實(shí)驗(yàn)，激光功率、掃描速度反復(fù)搭配。

最后畫出來(lái)的工藝窗口：

能量密度150到220 J/mm3是穩(wěn)定區(qū)，熔道連續(xù)、孔隙率低于2.5%。

低于這個(gè)區(qū)間，熔池能量不夠，銅變成一顆顆小球散在表面，不連續(xù)。

高于這個(gè)區(qū)間，銅被局部蒸發(fā)，熔池表面出現(xiàn)暗化和小坑。

不同參數(shù)下的15組單道照片：中間一行是穩(wěn)定窗口，上下兩端是過(guò)燒和欠熔。

這張圖將是大家上手這個(gè)工藝時(shí)最實(shí)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(shì)很規(guī)整，意味著工藝可預(yù)測(cè)性好。

能量密度和熔道幾何的關(guān)系

孔隙率隨能量密度的變化

中間能量區(qū)孔隙率最低，對(duì)應(yīng)最穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

到這一步，論文的第一個(gè)目標(biāo)已經(jīng)完成。

銅包金剛石可以穩(wěn)定地用LPBF打印了。

但真正讓這篇論文變得有趣的，是接下來(lái)發(fā)生的事。

意料之外的新發(fā)現(xiàn)

單道走通后，團(tuán)隊(duì)按慣例做多道疊加實(shí)驗(yàn)，模擬真實(shí)零件成形。

在能量密度113到141J/mm3這個(gè)非常窄的區(qū)間里，他們看到了一個(gè)完全沒(méi)預(yù)料到的東西。

熔池表面長(zhǎng)出了一張多邊形的金屬網(wǎng)。

多道熔池里薄膜失穩(wěn)的示意：相鄰熔道之間會(huì)被夾出一層微米級(jí)的銅薄膜，這層薄膜在凝固瞬間自己破裂重組，織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

不是裂紋，不是孔洞，是一張規(guī)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(gè)熔道表面。

論文作者明確指出，這種結(jié)構(gòu)在LPBF領(lǐng)域從未被報(bào)道過(guò)。

下圖是20組多道實(shí)驗(yàn)的形貌矩陣：

中間那幾格（113-141 J/mm3）就是金屬網(wǎng)出現(xiàn)的窗口，其他參數(shù)下都看不到這個(gè)現(xiàn)象。

再細(xì)看：

從光學(xué)顯微鏡下的實(shí)物，到示意圖，多邊形蜂窩結(jié)構(gòu)清晰可辨。

更關(guān)鍵的是，單道實(shí)驗(yàn)里，即便能量密度落在同樣的區(qū)間，這種網(wǎng)也沒(méi)出現(xiàn)過(guò)。

它必須靠多道疊加。

當(dāng)激光掃完一道、再掃旁邊一道時(shí)，兩道熔池之間會(huì)被擠出一層薄薄的、微米級(jí)的銅膜。

這層膜在凝固瞬間，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔?，自己破裂、重組，織成了一張幾何規(guī)則的網(wǎng)。

這個(gè)過(guò)程發(fā)生在極短的時(shí)間窗口內(nèi)。

慢一點(diǎn)，網(wǎng)會(huì)粗化合并成普通銅面；快一點(diǎn)，膜還來(lái)不及形成就凝固了。

團(tuán)隊(duì)用一套基于經(jīng)典薄膜失穩(wěn)理論的物理模型，把這張網(wǎng)的尺寸和打印參數(shù)之間的關(guān)系算清楚了。

薄膜越厚、冷卻越慢、表面張力越大，網(wǎng)的孔徑就越大；反之就越小。

意味著可以按需調(diào)參，想要多大孔徑就打多大孔徑。

下圖是五種形貌區(qū)的工藝地圖：

能量密度從低到高，依次出現(xiàn)欠熔、自組織晶格、晶格粗化、致密化、過(guò)燒多孔五個(gè)區(qū)。

再看散熱的新解到底新在哪

繞了一圈，回到最開始的問(wèn)題。

AI算力時(shí)代散熱卡到底卡在哪，這套工藝到底解了什么。

第一個(gè)新解，是形狀自由。

銅-金剛石這個(gè)材料組合存在了幾十年，但一直被困在簡(jiǎn)單幾何里。

這次的突破，讓這個(gè)材料終于可以做成帶內(nèi)部流道、梯度結(jié)構(gòu)、局部可調(diào)孔隙的復(fù)雜熱管理部件，論文原文明確提到的幾種結(jié)構(gòu)能力。

第二個(gè)新解，是一料兩用。

同一套粉末、同一臺(tái)設(shè)備、同一個(gè)工藝，調(diào)高能量密度，得到致密的散熱板；

調(diào)到那個(gè)窄窗口里，得到亞微米多孔的金屬網(wǎng)。

前者解決AI芯片背后那塊基板的導(dǎo)熱問(wèn)題，后者本身就是熱管和均熱板內(nèi)壁那層毛細(xì)芯。

基板和毛細(xì)芯，原本是散熱系統(tǒng)里兩個(gè)獨(dú)立做、再裝到一起的部件。

現(xiàn)在理論上可以用同一臺(tái)機(jī)器、同一種粉末，把基板和毛細(xì)結(jié)構(gòu)在同一個(gè)零件上一次打印成形。

基板部分用穩(wěn)定窗口的參數(shù)、毛細(xì)部分切換到那個(gè)窄窗口的參數(shù)。

第三個(gè)新解，是商業(yè)模式的新可能。

三方協(xié)作里，Diamond Hard Surfaces負(fù)責(zé)金剛石原料和表面處理，Additive Analytics負(fù)責(zé)工藝分析和參數(shù)優(yōu)化，大學(xué)負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究。

粉末方法和多孔結(jié)構(gòu)生成方法都已經(jīng)申請(qǐng)了英國(guó)專利保護(hù)。

論文之外，能感受到這是一條已經(jīng)在搭建的商業(yè)化路線組合。

或許，粉末本身可以單獨(dú)賣給做散熱的企業(yè)，工藝參數(shù)可以授權(quán)，最終的散熱模組可以直接做成產(chǎn)品交付。

銅+金剛石3D打印能不能完全解決AI算力時(shí)代的散熱卡點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在還沒(méi)有答案。

但這篇論文做了三件事：

把打不了變成能打，把不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變成能做復(fù)雜結(jié)構(gòu)，再順手把導(dǎo)熱基板和毛細(xì)芯兩件事一起做了。

散熱這件事，從來(lái)不是某一個(gè)參數(shù)突破就能解決的。

它是一連串妥協(xié)的總和，成本、形狀、熱阻、壽命、產(chǎn)能、可制造性，全要平衡。

這個(gè)研究至少表明銅+金剛石材料終于可以用3D打印繼續(xù)推進(jìn)了。

下一步是能否工程化，我們將繼續(xù)關(guān)注。

關(guān)于本文

這是AM易道對(duì)一篇嚴(yán)肅學(xué)術(shù)論文的解讀，AM易道做了轉(zhuǎn)譯和延伸解讀，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)格來(lái)自原文，但大量應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)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。