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希禾增材绿激光纯铜3D打印：释放功率模块散热的结构自由度
类别：应用案例
领域：功率模块散热
发布时间：2026年06月29日
最后更新：2026年06月29日
希禾增材绿激光纯铜3D打印：释放功率模块散热的结构自由度
1. 传统液冷板：被工艺禁锢的散热设计
传统铣削、摩擦焊或冲压钎焊工艺只能加工直通道、平行流道或简单蛇形流道，易造成热堆积和性能瓶颈；而Pin-Fin针翅阵列结构能打破流体层流边界、增大换热比表面积，同等流量下散热能力显著更高。
图1 Pin-Fin结构示意图
来源：英飞凌 HybridPACK™ Drive 模块
但是受限于传统工艺，如CNC机加工、压铸等传统工艺，Pin‑Fin存在很多约束：
1. 刀具尺寸限制了细小针翅的加工精度；
2. 深腔、密集阵列容易出现刀具干涉、断刀风险；
3. 压铸需要考虑拔模角度、模具寿命和脱模可行性，结构设计受限；
4. 为了保证可制造性而牺牲设计自由度，最终难以完全还原仿真中的“最优结构”。
2. 打破制造枷锁，释放设计自由度
材料层面：攻克高反金属成型难
绿激光（532 nm）对铜的吸收率达40%，是红外激光（1032 nm）吸收率的8倍，能量耦合效率大幅优化，可制备高致密度、高导热、高导电的一体化纯铜散热构件。
工艺层面：无模具成型，突破结构边界
增材制造摆脱模具束缚，冷却流道不再局限于二维平面排布，可实现立体弯折、多层嵌套、内部点阵一体化成型等复杂结构。
3. 设计逻辑重构：工艺妥协到性能优先
新旧设计流程对比
传统设计逻辑：工艺优先——筛选可加工工艺→限定流道构→校核散热性能。
希禾增材新设计逻辑：性能优先——以最优热控为目标，依托CFD仿真反向推演流道形态，确认结构后直接打印成型，无需为加工难度弱化设计。
核心工程优化方案
拓扑优化流道：根据功率芯片的发热分布（通常中心区域热流密度最高），算法自动生成高枝状或网状流道，冷却液可优先流经热点区域，实现“按需冷却”。
共形冷却：使冷却流道的三维路径与模块底部的功率芯片排布完全共形，流道距离每个芯片底部保持恒定，消除局部热阻差异。
变截面流道：在入口低温区采用较大截面维持高流速，在出口高温区采用较小截面降低流速、增加换热时间，从而均衡温度梯度。
典型结构优化方向
基于绿激光纯铜3D打印技术，液冷板的结构设计可以在以下方向上获得倍数级提升：
4. 价值验证：设计自由转化为散热实绩
借助增材制造的设计自由度，在冷板内部中引入交错流道和水滴形换热单元等优化结构，在有限空间内极大改善了流场组织并提升有效换热面积。
（1）交错流道设计：增加换热面积
8000 W热源功率下，与传统结构对比：
优化构型1：最高温降低9℃，流阻降低20%。
通过流道三维交错布局，增加换热面积并优化流动路径，在降低热源温度的同时减小压损。
优化构型2：最高温降低11℃。
进一步强化流道间的扰动与二次流，换热系数更高，适用于对散热极限要求苛刻的场景。
挣脱“圆柱直肋”的工艺束缚，在三维空间中设计交错流道，可有效提升换热面积、诱导湍流强化换热，并根据系统需求在温升与泵耗之间灵活平衡。
（2）水滴形结构：强化散热
5000W热源功率下，与传统结构对比：
优化构型1：最高温降低10℃。
水滴外形引导流动平滑过渡，在相同流阻下可排布更多散热特征，显著增加换热面积。
优化构型2：最高温降低7℃，流阻降低2 kPa。
在水滴形基础上引入流道三维交错布局，进一步诱导湍流强化换热，同时优化了流动路径，流阻略有降低。
水滴形翅片及与交错流道的组合结构，在相同甚至更低流阻下实现了明显的温降。绿激光纯铜3D打印，让这类高密度、异形散热特征从设计变为现实。
（3）一体化分层流道设计：实现精准热管理
采用一体化分层流道架构，在单一构件内实现功能的垂直分区。结合对局部高温区域的非均匀定制化设计，该结构能够定向强化热源区域的换热能力，在有效抑制热点产生的同时，显著降低芯片结温：
上层负责流体分配与分流，确保流量分布均匀。
下层执行高强度的微尺度冲击冷却，显著提升局部换热系数。
图2 分层流道设计示意图
（4）TPMS结构：实现换热面积最大化
进一步，3D打印可解锁传统工艺无法实现的TPMS（三周期极小曲面）拓扑结构。TPMS是一种平均曲率为零的连续隐式曲面，用于液冷板内部流道时，具有以下热力学特性：
流道重构：全连通、高比表面积结构迫使冷却液持续偏转，形成周期性速度梯度与二次流。
边界层破坏：曲面曲率诱导的局部涡旋抑制热边界层发展，使近壁区冷流体持续更新，显著提升局部努塞尔数。
换热机制跃升：从“靠面积换热”转向“靠流场重构换热”，逼近对流换热理论极限。
图3 TPMS结构示意图
5. 工艺成熟：量产产品预期优势
依托纯铜高导热材质与拓扑优化流道设计，散热性能实现全面跃升：芯片结温大幅下降、温差精准可控、整体热阻显著降低，同等泵耗下散热能力提升。希禾增材纯铜3D打印现已形成成熟量产工艺，具备规模化批量交付实力。产品兼具高稳定性与长服役寿命，可完美适配车载高震动、宽温域等复杂应用工况。
打破“工艺定义散热”旧率，希禾增材打通纯铜打印量产壁垒，实现工业化落地绿激光纯铜3D打印，打造随形拓扑流道，完成微尺度精准热控。热管理不再妥协工艺，从此由设计定义温度。
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