銅材質3D列印應用｜純銅、銅合金與電子散熱零件的材料選擇
銅材質3D列印應用：從材料特性到半導體與電子散熱零件
AI運算、先進封裝、高功率電子與資料中心快速發展，使熱管理逐漸從輔助功能轉變為影響設備效能、穩定性與壽命的重要條件。
台灣具備完整的半導體、伺服器、散熱模組、精密加工及系統整合供應鏈。隨著AI伺服器液冷需求提升，冷板（Cold Plate）、歧管（Manifold）、冷卻液分配裝置（CDU）及熱交換零件，也成為供應鏈持續投入的技術項目。DIGITIMES的2026年研究摘要指出，台灣供應鏈已在冷板、CDU與Manifold等環節建立製造及整合能力。
在這些高熱通量應用中，銅因具備良好的導熱與導電能力，成為重要材料之一。但銅材質3D列印的技術價值，不只是把傳統散熱器改成列印製造，而是利用複雜流道、增加熱交換面積及零件整合，重新設計熱量如何離開熱源。
銅為什麼適合散熱與電子零件
純銅的導熱率約為400 W/(m·K)，約為常見鋁合金的兩倍，因此能迅速將局部熱量傳導至較大的散熱面積。銅同時具有良好的電導率，常被用於散熱器、熱交換器、匯流排、感應線圈、電極及高功率電子元件。
對AI晶片、功率模組與半導體設備而言，真正的挑戰往往不只是材料能不能導熱，而是能否在有限空間內迅速將熱量帶離熱源。如果流道距離熱源太遠、冷卻液分配不均或接合處形成額外熱阻，即使使用銅，整體散熱效果仍可能受到限制。
金屬3D列印能將冷卻流道配置得更接近熱源，並利用漸變截面、平滑分流、晶格或TPMS等結構增加熱交換面積。不過，實際改善幅度仍需透過熱流模擬、流體分析與實體測試確認，不能將單一案例結果套用到所有產品。
純銅為什麼比一般金屬更難列印
在LPBF製程中，雷射是熔融金屬粉末的主要熱源。雷射照射粉末後，材料必須吸收足夠能量形成熔池，再與上一層金屬穩定結合。
純銅在這個過程中有兩個主要難點：
一、純銅對常見近紅外光纖雷射具有較高反射性。雷射照到銅粉後，部分能量會被反射，無法有效轉換成熔融材料所需的熱。NIST指出，銅與鋁等高反射金屬在LPBF中容易產生較大的能量損失，因此通常需要較高功率或經過專門設計的掃描策略。
二、純銅的導熱速度很快。這是銅適合散熱的原因，卻也是列印時的困難。雷射才剛將局部粉末加熱，熱量便迅速向周圍材料傳散，使熔池不容易維持穩定。能量不足時，可能產生未熔合、孔隙與層間結合不良；能量過度集中時，則可能增加飛濺及熔池不穩定。
因此，純銅不是不能使用紅外光雷射列印，而是需要足夠的有效能量、低氧環境、合適的粉末及經過驗證的雷射功率、掃描速度與層厚參數。
較短波長的綠光或藍光雷射能提高銅對光能的吸收，是目前銅加工的技術路線之一；高功率近紅外雷射搭配真空或惰性氣體環境及專用參數，也能實現高密度純銅與銅合金列印。不能只看雷射顏色判斷設備能力。
銅3D列印材料可以分成三種類型
看到設備標示支援「銅」，不代表原料、成品性能與後處理都相同。較容易理解的方式，是將銅材列印分成純銅、銅合金及黏結式銅原料三類。
純銅與無氧銅：優先保留導熱與導電能力
純銅或無氧銅主要追求高導熱與高導電性能，適合高效能散熱器、熱交換器、匯流排及導電零件。
3D Systems以DMP Flex 350與DMP Factory 350的1 kW雷射平台製造Certified Oxygen-Free Copper。原廠公布的未經熱處理導電率最高可達102% IACS。這裡的102% IACS代表相較國際退火銅標準的導電性能，不是表示材料純度為102%。
3D Systems的DMP Flex 350採用真空腔體架構，原廠資料顯示可將列印環境氧含量控制在25 ppm以下，以降低氧化並提升材料一致性。
純銅的導熱與導電性能高，但材料較軟。若零件還要承受水壓、結構負載、高溫或反覆熱循環，則需要進一步評估銅合金。
銅合金：兼顧散熱、強度與耐熱性
銅合金是在銅中加入少量鉻、鋯或其他元素，改善強度、耐熱性與高溫穩定性。其導熱及導電能力通常低於高純度銅，但更適合兼具熱管理與結構功能的零件。
CuCrZr鉻鋯銅是常見的高導熱銅合金，可用於冷卻流道、熱交換器及承受壓力的熱管理結構。
Farsoon的FS621M-Cu以大型CuCrZr零件為主要應用，成型空間為620 × 620 × 1100 mm，配置四具1,000 W近紅外光纖雷射。原廠公開測試顯示，列印材料接近理論密度，室溫導熱率超過345 W/(m·K)。
3D Systems也提供Certified CuCr2.4，經適當熱處理後，其導熱或導電性能可達純銅的94%左右，適合需要同時兼顧導熱與機械性能的應用。
黏結式銅原料：先列印，再燒結成純銅
Markforged Metal X不是以雷射直接熔融銅粉，而是將銅粉與黏結材料製成線材，先完成零件成型，再經過脫脂與高溫燒結，使銅顆粒結合。
因此，列印階段的原料確實含有黏結材料，但完成燒結後不是塑膠與銅混合的複合成品。Markforged公開資料顯示，燒結後材料含銅量至少99.8%，導電率約84% IACS，適合中小型、少量及客製化的導熱與導電零件。
這種製程避開純銅反射雷射的問題，也不需要在列印設備旁操作鬆散金屬粉末。不過，設計時必須處理脫脂時間、燒結收縮、薄壁變形及零件支撐等限制。
| 材料與製程 | 主要特性 | 較適合的方向 |
|---|---|---|
|
純銅／無氧銅 LPBF |
導熱、導電性能優先，列印技術門檻高 | 高效能冷板、熱交換器、導電零件 |
|
CuCrZr等銅合金 LPBF |
導熱性能略低，但強度及耐熱性較佳 | 承壓流道、大型熱交換結構、高溫零件 |
| 黏結式純銅列印 | 不使用雷射熔銅，需經過脫脂與燒結 | 中小型、少量及客製化銅零件 |
三個品牌的銅列印定位
3D Systems、Markforged與Farsoon都有銅材料應用，但不能只比較材料名稱。
3D Systems的核心是高精度DMP雷射粉床熔融，材料涵蓋無氧銅及CuCr1Zr、CuCr2.4等銅合金。其無氧銅方案適合重視高密度、高導電及高導熱性能的複雜零件；DMP與3DXpert NoSupports技術也可減少部分難以移除的內部支撐，擴大封閉流道的設計空間。
Markforged的Metal X使用黏結式金屬線材，列印後經脫脂與燒結成為純銅件。它適合中小型、少量多樣及希望降低金屬粉末操作門檻的製造環境，但必須考量燒結收縮與尺寸變形。
Farsoon以工業級開放式LPBF平台及大型、多雷射設備為主要特色。目前公開且經原廠驗證的銅材方案，以FS621M-Cu與CuCrZr大型零件最具代表性，適合大型工件、長時間成型及材料參數開發。
半導體設備供應鏈的應用方向
半導體製程設備對溫度均勻性、流體控制、潔淨度與尺寸穩定性要求極高。即使只有微小溫度梯度，也可能影響定位精度或製程一致性。
3D Systems公開的半導體設備應用涵蓋晶圓載台、線性平台冷卻、流體歧管、氣體輸送與Showerhead等零件。積層製造可重新配置冷卻流道、表面結構及壁厚，改善溫度梯度及設備穩定速度。其晶圓載台案例曾展示溫差降低與穩定時間改善，但相關案例不一定全部使用銅材，實際材料仍需依潔淨度、重量、剛性、腐蝕性與導熱需求選擇。
台灣半導體設備與零組件供應鏈可優先評估以下方向：
晶圓載台或精密平台若需要更均勻的冷卻，可以利用隨形流道縮短冷卻液與熱源的距離；氣體或液體歧管可透過一體成型減少接頭與管路；沉積設備的Showerhead則可整合流量分配與溫度管理結構。
是否選擇純銅，仍需考量零件重量、機械強度、真空相容性、表面處理及污染控制。金屬3D列印的價值首先來自幾何與流體設計，不代表所有半導體設備零件都應改用銅。
AI伺服器與電子散熱供應鏈的應用方向
在AI伺服器直接液冷系統中，冷板必須將GPU、CPU或其他高功率元件的熱量傳遞至冷卻液。傳統冷板通常以CNC加工水路後加蓋板焊接或釬焊，成熟且適合量產，但內部流道仍受到刀具方向與接合方式限制。
銅3D列印可製造分支、漸變、曲線或多層流道，使冷卻液依照熱源分布流動。冷板也能整合進水、分流、集水及部分Manifold功能，減少零件與接合點。
CDU或機櫃端熱交換器則可利用薄壁、晶格或TPMS結構，在有限體積內增加熱交換面積。不過，結構越複雜，不代表效果一定越好；還必須同時控制流阻、壓降、幫浦功耗、內壁粗糙度及清潔性。
銅3D列印也可延伸至高功率雷射、電源模組、逆變器、感應線圈、匯流排及RF零件。Markforged便將散熱器、熱交換器、Busbar及製造設備導電零件列為其純銅材料的應用方向。
銅材與製程如何選擇
材料選擇應從零件需求開始，而不是先決定設備品牌。若零件最重視導熱或導電性能，且需要高密度及複雜流道，可優先評估無氧銅LPBF。若零件需要承受壓力、振動、高溫或結構負載，CuCrZr或其他銅合金通常更容易在導熱與強度之間取得平衡。
若零件尺寸中小、數量不高，且企業希望避免直接操作金屬粉末，可以評估Markforged的黏結式純銅製程。若零件尺寸較大，或需要材料開發、多雷射效率與開放參數，則可進一步評估Farsoon的LPBF平台。
除了材料成分，還需確認最終密度、導熱率、電導率、熱處理狀態、表面粗糙度、尺寸公差及品質檢測方式。同樣標示為「銅」的列印件，可能因製程不同而呈現不同性能。
從試印與熱流驗證開始導入
銅材質3D列印的成本與技術門檻較高，較適合從單一高價值零件開始評估。
第一階段應提供3D模型、熱源位置、熱負載、冷卻液種類、流量、壓力、進出口溫度、尺寸限制及目前製程。工程團隊可依資料進行DfAM、CFD流體分析與熱傳模擬，判斷是否需要重新設計流道或材料。
完成列印後，還需進行去應力或時效熱處理、支撐移除、粉末清除、CNC加工與表面處理。內部流道可透過X-ray或CT檢查，並以流量、壓降、氣密或液密、熱阻及溫度均勻性測試確認性能。
馬路科技提供3D Systems、Markforged及Farsoon工業級金屬3D列印設備與應用評估服務，可依零件尺寸、純銅或銅合金需求、列印數量及後處理方式，協助企業從材料選擇、設計優化、試印到品質驗證，建立符合半導體與電子產業需求的導入流程。
銅提供優異的導熱與導電能力，金屬3D列印則讓工程師能重新設計熱量與流體的移動路徑。兩者結合的真正價值，不是製造更複雜的外型，而是在有限空間內建立更有效率、更可整合的熱管理結構。
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