【技术入门】简介电化学增材制造技术，可助力芯片热管理技术升级
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随着数据中心等系统的重要性日益增加，OEM 和运营商越来越关注设备的总拥有成本，其中包括资本支出和运营成本。冷却芯片运行得更好，使用寿命更长，从长远来看可以节省成本。对于热应用来说，即使一度冷却也是大事。
据该公司产品及应用副总裁介绍，“目前数据中心热管理方案中约80%采用风冷，约40%-50%的能耗用于散热。”随着芯片功能越来越强大，不少芯片厂商和集成商都面临着风冷能力逼近极限的挑战，液冷技术可以为这一问题提供解决方案，其潜力或将带来变革。
本文主要研究能够生产复杂形状液冷装置的增材制造技术，即电化学增材制造（ECAM）。
用于冷却芯片的冷却板，其80%体积充满了[1]
传统制造工艺
如今，半导体行业依赖于冷板和其他冷却装置，这些装置通常使用挤压、压铸或一种称为刨削的工艺制造。在后一种工艺中，一块扁平的金属片（通常是铜）经过类似刨削的操作，将薄片材料剥离，并将其弯曲成散热器（如下图所示）。由此产生的散热器鳍片比前两种工艺生产的散热器效率分别高 12%-22% 和 62%-74%[2]。然而，这种工艺仅限于生产直的、规则的鳍片，并且只能在一个方向上生产，这也限制了几何形状。鳍片的厚度通常为原始板厚的 1/3 到 1 倍。纵横比越低和/或鳍片越多，整体散热效率就越高。材料通常是阳极氧化或镀镍铝，以及抗氧化处理的铜或镀镍铜。
此外，这些热管理设备可达的表面积有限，因此冷却程度也受到限制。
使用刨削工艺制造散热片（左）[2]（右）
电化学增材制造
3D打印不仅能够增加散热器的表面积、获得有利于散热的表面粗糙度，还是一种针对形状复杂的液冷板、热交换器的制造技术。
ECAM工艺使用电镀液（一种含有铜离子的水基镀液）作为原材料。其确切配方与电镀生产线中使用的配方略有不同，但化学成分相同，原材料也很容易获得。
工作原理：ECAM 并非将材料均匀地电镀到现成的零件上，而是基于局部电沉积（如下图所示）。通过使用浸入电镀液中的阳极阵列，根据每层的点图案选择性地激活阳极上的电流以实现局部控制，在阴极基板的精确位置逐像素地将溶液中的铜离子还原为原子，并逐个沉积金属原子。该工艺可以产生极其精细的特征，典型的层高在 10 到 50 微米之间。打印分辨率约为 50 微米。
打印速度：取决于部件高度和几何形状，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一批四块冷板。部件尺寸最大可达 100-150 毫米。
后处理：打印完成后，零件在机器中用去离子水冲洗，并将流出的水回收以补充原始溶液。在许多情况下，零件从可重复使用的构建平台上移除后就完成了，但也可以根据应用要求进行电镀、钝化或机械加工。
打印原理示意图，来源：
优势
与市场上常见的粉末或线材增材制造工艺相比，ECAM具有以下五大优势：
该设备消耗的电量更少，因此打印过程更加可持续。
用作原料的电解质溶液比金属粉末更安全且更容易处理，无需全封闭或惰性气体即可打印。基材可以是任何材料，对温度敏感的基材如PCB、硅板和现有的金属部件。
室温工艺为操作人员提供了更高的安全性。
液体原料对于大规模生产具有优势，包括可以从始终保持一致水平的大型集中罐中为多台打印机供料。
该机器的设计相对简单，可以快速扩展生产线。
印刷展品，来源：
应用
由于能够实现复杂设计的精细制造，再加上能够打印纯铜，ECAM 在小型精致的冷板、热交换器、射频天线、医疗设备和汽车应用方面将具有巨大潜力。该公司早期的重点是开发热和射频领域的应用。半导体制造商和 OEM 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，它可以带来设计和性能优势。使用拓扑优化软件生成的设计可以提供复杂的结构，其表面积远远超过芯片切割工艺。无论是风冷还是液冷，以这种方式制造的板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恒定。但是，使用 ECAM，特定芯片的热图可以作为相关冷板设计的输入。PCB 和其他结构可以精确地放置在需要补偿热量的位置，甚至可以全面分级以优化各处的性能。冷板甚至可以针对每个芯片进行定制，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 集成到现有的供应链和生产系统中。与其他增材制造技术一样，ECAM 在产品几何设计方面提供了极大的灵活性，例如三维天线设计，这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，该公司计划探索使用其他材料，如铜和镍合金、锡、铂、钯、钨和金。该公司还展示了使用 ECAM 直接在溅射铜硅晶片上打印的能力，从而无需在冷板和芯片之间使用热界面材料。
螺旋状射频装置[1]
商业模式
该公司的业务模式是生产零部件，而不是销售机器，并计划到 2024 年将 ECAM 机器的数量从 20 台扩展到 250 台，以便在概念验证阶段大批量生产小型零部件。这种快速增长反映了该公司在半导体领域看到的机会，以及其目标是在解决方案的成本基础上与传统制造业直接竞争。
参考：
[1] (ecam)---是--？=&=&=ecam
[2]