以下文章来源于：洞察金属增材制造
随着数据中心等系统的重要性与日俱增，原始设备制造商和运营商越来越关注设备的总体拥有成本，其中包括资本支出和运营成本。温度更低的芯片将运行得更好，寿命更长，从而长期节省成本。对于热应用来说，哪怕是一度的冷却也是一件大事。
据Fabric8Labs的产品和应用副总裁透露，“目前，数据中心有约80%的热管理解决方案使用空气冷却。约40%-50%的能量消耗用于散热。”随着芯片功能变得日益强大，很多芯片厂商和集成商已经面临接近空气冷却能力极限的挑战。液体冷却技术能为这个难题提供一种解决思路，其潜力或许会带来变革。
本文主要介绍能制造形状复杂的液体冷却装置的增材制造技术，即电化学增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing, ECAM）。
用于冷却芯片的冷却板，其中80%的体积由Gyroid填充[1]
传统制造工艺
如今，半导体行业所依赖的冷却板和其它冷却装置通常是通过挤出成型，压铸成型或称为刨削的工艺制造而成。在后者工艺中，一块平整的金属板（通常是铜）要经过类似刨削的操作，将薄片材料剥离，弯曲成散热片（如下图所示）。所得散热鳍片的效率比前两种工艺生产的散热器的冷却能力分别会高出12%-22%和62%-74%[2]。但是，这种工艺仅限于生产直线、线条规则的散热片，而且只能在一个方向上生产，在几何形状上也受到限制。鳍片的厚度通常为原始板厚的1/3到1倍。当纵横比越低或/和鳍片越多时，整体的散热效率就越高。材料通常为经阳极氧化处理或者电镀镍的铝，以及经抗氧化处理的铜或电镀镍的铜。
此外，这类热管理装置能达到的表面积有限，所以冷却的程度也受限。
用刨削的工艺（左）[2]制造散热鳍片（右）
电化学增材制造
3D打印不仅可以增加散热装置的表面积和获得利于散热的表面粗糙度，还是面向形状复杂的液体冷却板和热交换器的制造技术。
ECAM工艺使用电镀溶液（一种含有铜离子的水基浴液）作为原料。其精确配方与电镀生产线中的配方略有不同，但由于化学成分相同，因此原材料易得。
工作原理：ECAM并不是将材料均匀地电镀到现成的部件上，而是以局部电沉积为基础（如下图所示）。通过使用浸没在电镀溶液中的阳极阵列，根据每一层的点阵图来有选择性地激活阳极上的电流，实现局部控制，逐个像素地将溶液中的铜离子在阴极基体的精确位置上还原成原子，金属原子一个接一个地沉积成型。该工艺能产生极其精细的特征，典型的层高在10到50微米之间。打印分辨率在50微米左右。
打印速率：根据零件高度和几何形状的不同，通常只需几个小时，例如，一台打印机可以在大约三小时内生产出一批冷板，即四块。部件尺寸可达100-150毫米。
后处理：打印完成后，零件在机器内用去离子水冲洗，流出的水可回收用于补给原溶液。在许多情况下，部件从可重复使用的构建平台上取下后就完成了，但也可以根据应用需求进行电镀、钝化或机加工。
打印原理示意图，图源：Fabric8Labs
优势
与市面上常见的基于粉末或丝材的增材制造工艺相比，ECAM有以下五大优势：
- 设备的耗电量更低，所以打印过程更具可持续性。
- 用作原料的电解质溶液比金属粉末更安全、更易于处理，无需全封闭或惰性气体即可进行打印。基材可以是任何材料，温度敏感的基体比如PCB，硅板，已经存在的金属部件。
- 室温工艺给操作员提供了更高的安全性。
- 液体原料有利于大规模生产，包括有机会从一个大型集中罐中为多台打印机提供原料，并始终保持在一定的水平。
- 机器的设计相对简单，可实现生产线的迅速扩展。
打印件展示品，图源：Fabric8Labs
应用
因为可以实现复杂设计的精细制造，加上可打印纯铜，所以ECAM在小型且精细的冷板、热交换器、射频天线、医疗设备和汽车应用方面将会大有可为。公司早期的重心集中在开发热和射频领域的应用上。半导体制造商和原始设备制造商选择ECAM的主要原因是，当3D打印与先进的设计和仿真软件相结合时，可以带来设计和性能方面的优势。利用拓扑优化软件生成的设计能提供复杂的结构，其表面积远远超过削片工艺。无论是空气冷却还是液体冷却，以这种方式制造的板材都有可能提供更好的热阻、控制压降并确保整个芯片的温度均匀性。
芯片本身的工作温度并不一致。但是，有了ECAM，可以将特定芯片的热图作为相关冷板设计的输入。Gyroid和其它结构可以精确地放置在需要的位置，以补偿热量，甚至可以在整个板上分级，以优化各处的性能。冷板甚至可以为每个芯片量身定制，这是传统制造技术无法实现的。
从硅到PCB的价值链仍在学习AM以及如何将AM整合到现有的供应链和生产体系中。和其它增材制造技术一样，ECAM给产品的几何形状设计赋予了极大的灵活性，例如三维天线设计，能使通信系统能够利用更宽的带宽。
随着首批纯铜热管理产品的投产，下一步该公司计划探索使用其它材料，如铜和镍合金、锡、铂、钯、钨和金。该公司还展示了使用ECAM直接在溅射铜的硅片上打印的能力，从而消除了目前在冷板和芯片之间使用热界面材料的需要。
带螺旋几何形状的射频设备[1]
商业模式
公司的业务模式是生产零部件，而不是销售机器，并计划在2024年将20台设备扩到250台ECAM机器，并投入使用，用于在概念验证阶段大批量生产小尺寸组件。这种快速增长反映了该公司在半导体领域看到的机遇，也反映了该公司的目标，即在其所能提供的解决方案的成本基础上，与传统制造业形成直接竞争关系。
参考资料：
[1] https://www.additivemanufacturing.media/articles/with-electrochemical-additive-manufacturing-(ecam)-cooling-technology-is-advancing-by-degrees?utm_source=linkedin&utm_medium=social&utm_campaign=ecam
[2] https://www.finskiving.com/de/heat-sink-fin-skiving-technology/heat-sink-fin-skiving-technology
文章来源：洞察金属增材制造
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