以下文章來源于：洞察金屬增材制造
随着資料中心等系統的重要性與日俱增，原始裝置制造商和營運商越來越關注裝置的總體擁有成本，其中包括資本支出和營運成本。溫度更低的晶片将運作得更好，壽命更長，進而長期節省成本。對于熱應用來說，哪怕是一度的冷卻也是一件大事。
據Fabric8Labs的産品和應用副總裁透露，“目前，資料中心有約80%的熱管了解決方案使用空氣冷卻。約40%-50%的能量消耗用于散熱。”随着晶片功能變得日益強大，很多晶片廠商和內建商已經面臨接近空氣冷卻能力極限的挑戰。液體冷卻技術能為這個難題提供一種解決思路，其潛力或許會帶來變革。
本文主要介紹能制造形狀複雜的液體冷卻裝置的增材制造技術，即電化學增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing, ECAM）。
用于冷卻晶片的冷卻闆，其中80%的體積由Gyroid填充[1]
傳統制造技術
如今，半導體行業所依賴的冷卻闆和其它冷卻裝置通常是通過擠出成型，壓鑄成型或稱為刨削的工藝制造而成。在後者工藝中，一塊平整的金屬闆（通常是銅）要經過類似刨削的操作，将薄片材料剝離，彎曲成散熱片（如下圖所示）。所得散熱鳍片的效率比前兩種工藝生産的散熱器的冷卻能力分别會高出12%-22%和62%-74%[2]。但是，這種工藝僅限于生産直線、線條規則的散熱片，而且隻能在一個方向上生産，在幾何形狀上也受到限制。鳍片的厚度通常為原始闆厚的1/3到1倍。當縱橫比越低或/和鳍片越多時，整體的散熱效率就越高。材料通常為經陽極氧化處理或者電鍍鎳的鋁，以及經抗氧化處理的銅或電鍍鎳的銅。 此外，這類熱管理裝置能達到的表面積有限，是以冷卻的程度也受限。
用刨削的工藝（左）[2]制造散熱鳍片（右）
電化學增材制造
3D列印不僅可以增加散熱裝置的表面積和獲得利于散熱的表面粗糙度，還是面向形狀複雜的液體冷卻闆和熱交換器的制造技術。
ECAM工藝使用電鍍溶液（一種含有銅離子的水基浴液）作為原料。其精确配方與電鍍生産線中的配方略有不同，但由于化學成分相同，是以原材料易得。
工作原理：ECAM并不是将材料均勻地電鍍到現成的部件上，而是以局部電沉積為基礎（如下圖所示）。通過使用浸沒在電鍍溶液中的陽極陣列，根據每一層的點陣圖來有選擇性地激活陽極上的電流，實作局部控制，逐個像素地将溶液中的銅離子在陰極基體的精确位置上還原成原子，金屬原子一個接一個地沉積成型。該工藝能産生極其精細的特征，典型的層高在10到50微米之間。列印分辨率在50微米左右。
列印速率：根據零件高度和幾何形狀的不同，通常隻需幾個小時，例如，一台列印機可以在大約三小時内生産出一批冷闆，即四塊。部件尺寸可達100-150毫米。
後處理：列印完成後，零件在機器内用去離子水沖洗，流出的水可回收用于補給原溶液。在許多情況下，部件從可重複使用的建構平台上取下後就完成了，但也可以根據應用需求進行電鍍、鈍化或機加工。
列印原理示意圖，圖源：Fabric8Labs
優勢
與市面上常見的基于粉末或絲材的增材制造技術相比，ECAM有以下五大優勢：
- 裝置的耗電量更低，是以列印過程更具可持續性。
- 用作原料的電解質溶液比金屬粉末更安全、更易于處理，無需全封閉或惰性氣體即可進行列印。基材可以是任何材料，溫度敏感的基體比如PCB，矽闆，已經存在的金屬部件。
- 室溫工藝給操作員提供了更高的安全性。
- 液體原料有利于大規模生産，包括有機會從一個大型集中罐中為多台列印機提供原料，并始終保持在一定的水準。
- 機器的設計相對簡單，可實作生産線的迅速擴充。
列印件展示品，圖源：Fabric8Labs
應用
因為可以實作複雜設計的精細制造，加上可列印純銅，是以ECAM在小型且精細的冷闆、熱交換器、射頻天線、醫療裝置和汽車應用方面将會大有可為。公司早期的重心集中在開發熱和射頻領域的應用上。半導體制造商和原始裝置制造商選擇ECAM的主要原因是，當3D列印與先進的設計和仿真軟體相結合時，可以帶來設計和性能方面的優勢。利用拓撲優化軟體生成的設計能提供複雜的結構，其表面積遠遠超過削片工藝。無論是空氣冷卻還是液體冷卻，以這種方式制造的闆材都有可能提供更好的熱阻、控制壓降并確定整個晶片的溫度均勻性。
晶片本身的工作溫度并不一緻。但是，有了ECAM，可以将特定晶片的熱圖作為相關冷闆設計的輸入。Gyroid和其它結構可以精确地放置在需要的位置，以補償熱量，甚至可以在整個闆上分級，以優化各處的性能。冷闆甚至可以為每個晶片量身定制，這是傳統制造技術無法實作的。
從矽到PCB的價值鍊仍在學習AM以及如何将AM整合到現有的供應鍊和生産體系中。和其它增材制造技術一樣，ECAM給産品的幾何形狀設計賦予了極大的靈活性，例如三維天線設計，能使通信系統能夠利用更寬的帶寬。
随着首批純銅熱管理産品的投産，下一步該公司計劃探索使用其它材料，如銅和鎳合金、錫、鉑、钯、鎢和金。該公司還展示了使用ECAM直接在濺射銅的矽片上列印的能力，進而消除了目前在冷闆和晶片之間使用熱界面材料的需要。
帶螺旋幾何形狀的射頻裝置[1]
商業模式
公司的業務模式是生産零部件，而不是銷售機器，并計劃在2024年将20台裝置擴到250台ECAM機器，并投入使用，用于在概念驗證階段大批量生産小尺寸元件。這種快速增長反映了該公司在半導體領域看到的機遇，也反映了該公司的目标，即在其所能提供的解決方案的成本基礎上，與傳統制造業形成直接競争關系。
參考資料：
[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
文章來源：洞察金屬增材制造
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