伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的研究团队公布了一项新型冷板设计制造方案。该方案将拓扑优化（Topology Optimization, TO）与电化学增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing, ECAM）相结合，能够直接生产用于电子设备液冷散热的纯铜冷板，在散热性能与制造成本之间取得新的平衡。
传统冷板制造多采用机械加工或焊接方式，受限于刀具路径与工艺，流道通常呈简单的直线或U形，难以实现最优的换热效率。拓扑优化通过算法在给定边界条件内自动生成材料分布，得出理论上散热能力与流体阻力综合最优的流道结构。然而，将这种复杂三维几何转化为实物，传统减材制造往往力不从心，而常规的粉末床激光熔融（PBF-LB）在加工纯铜时因材料对激光的高反射率易出现缺陷。伊利诺伊大学团队采用的ECAM技术以电化学沉积为基础，在常温环境下逐层生长出高纯度铜件，能充分还原拓扑优化设计的精密通道，同时避免高能束带来的热应力与氧化问题。
制造流程与技术特点
研究团队的工作流程分为两个阶段：首先使用计算流体力学（CFD）与拓扑优化软件对冷板的流道布局进行迭代设计，目标是在指定泵功率下最大限度地降低热阻并减少压降。优化后的模型以STL文件形式导入ECAM设备，通过控制喷嘴与基板之间的电场强度及电解液成分，引导铜离子在阴极表面精确沉积。该过程无需高温烧结或支撑结构，可制造壁厚仅数百微米的薄壁流道，且沉积层的微观结构致密，接近锻造纯铜的导热性能。
与激光增材制造相比，ECAM对铜、金等高反射金属尤其友好，因为电化学过程不依赖光束与材料的相互作用，反射率不再是制约因素。此外，ECAM可在常规大气环境下运行，无需惰性气体保护，设备成本与能耗显著降低。
在材料纯度方面，ECAM制备的纯铜部件经检测杂质含量极低，热导率可达390 W/(m·K)以上，与高纯轧制铜板相当。这确保了冷板在大热流密度场景（如CPU、GPU功率超过300W）下依然能高效传递热量。
性能表现与应用方向
研究人员对采用该工艺制造的冷板样件进行了热循环测试。相比传统机械加工的直通道冷板，拓扑优化ECAM冷板在相同体积流量下的热阻降低了约20%，而压降增幅控制在10%以内。这意味着数据中心液冷系统可以在不增加水泵功耗的前提下，获得更强的散热能力，或在一定散热需求下采用更小、更安静的循环泵。
从应用角度看，纯铜液冷冷板主要面向高性能计算（HPC）、数据中心服务器、电力电子变换器以及电动汽车的逆变器与电机控制器等场景。尤其是在车规级功率模块中，冷板需要同时兼顾轻量化与高可靠性，ECAM制造的非对称流道设计较传统方案更有优势。此外，由于电化学增材制造可快速迭代，工程师能够针对不同热源布局定制专属冷板，缩短产品开发周期。
需要指出的是，目前该工艺仍处于实验室阶段，冷板的封装密封性、长期运行下的电化学腐蚀风险以及制造成本还需要进一步验证与优化。但UIUC团队的工作证明了拓扑优化与电化学3D打印结合在高端散热领域的可行性，为下一代液冷方案提供了新的技术路径。
本文参考来源：VoxelMatters
