增材制造技术辅助铸造的3D微型结构散热器

发布日期：2024-12-30

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随着电子设备技术的飞速发展，热管理领域遭遇了前所未有的挑战。设备的处理速度提升导致能源消耗和功率散发同步增长，但设备的小型化趋势却使得热管理系统的可用物理空间日益缩减，从而提高了有效冷却的复杂性，并凸显了研发新型散热器的重要性和紧迫性。在此背景下，3D微型结构散热器以其高比表面积的特性，被提出作为传统鳍片和板式散热器的高效替代品。

尽管3D微型结构散热器的研发非常重要，但增材制造技术在散热器生产领域的应用仍面临了诸多挑战，其中主要包括高昂的生产成本、有限的材料选择，以及制造亚毫米级高质量散热器的技术挑战。这些限制因素需得到有效解决，才能促进热管理技术的持续发展和广泛应用。

基于此，来自纽约大学阿布扎比分校的研究团队研发了一种利用增材制造辅助铸造工艺制造的3D微型散热器。这种方法将增材制造技术的设计灵活性与传统铸造方法的成本效益和可扩展性相结合，很好地解决了传统粉末床熔化技术面临的精密尺度、材料多样性和成本限制问题。相关研究成果以“Additive manufacturing-assisted casting of 3D micro-architected heat sinks”为题发表在期刊《Materials Letters》上。

首先，该研究团队选用摩方精密microArch^® S240（精度：10 μm）3D打印系统，以HTL树脂为材料，制作了微型散热器模板。随后，将制成的模板固定在蜡注模树上（图1a），并浸泡入选定的包埋材料中。接下来，将固化后的模具置入炉中进行加热，以实现蜡树和散热器模板的烧除。烧除热循环的执行如下：在30分钟内升温至750 °C，维持750 °C两小时，随后冷却至室温。经过烧除后，模板被熔化，留下一个与目标散热器几何形状相吻合的模具空腔（图1b），并在真空环境下将熔融金属注入该空腔。本研究中对两种材料进行了测试，分别为AlSi10Mg和纯铜。

图1. 增材制造辅助铸造过程的描述。

图2展示了散热器设计与制造的关键步骤：图2a展示了散热器的设计模型；图2b展示了采用AlSi10Mg材料制成的散热器样品；图2c提供了通过摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术制备的树脂模板的电镜图像；以及图2d展示了在去除包埋材料后得到的散热器成品，成品中可见轻微的冷隔现象，揭示了铸造过程中可能出现的细微缺陷。

为了更准确地量化这些缺陷，研究团队采用了计算机断层扫描（CT）技术。图2e-i展示了重建的CT二值化切片，揭示了不同尺寸的半球形和不规则内部微孔。这些孔隙是在材料固化过程中形成的，主要由材料收缩和溶解气体的释放导致。图2e-ii以体积形式展示了孔隙的空间分布，可见这些孔隙是随机分布的，无特定规律。样品的总内部孔隙率计算为7.5%。图2e-iii的图表中展示了孔隙的大小分布及其所占百分比，其中大部分孔隙的尺寸介于4至20微米之间，且孔隙越大，所占百分比越低。

图2. 结构化微散热器的制造。a) CAD模型；b) 铸造样品；c-d) 聚合物基板（c）金属微散热器（d）的扫描电子显微镜（SEM）图像；e) 计算机断层扫描（CT）结果，（i）二值化重建切片，（ii）带有孔隙分布（绿色）的三维重建视图，以及（iii）孔隙大小分布图表。图e中的比例尺为1 mm。

随后，该实验团队尝试制造500 μm单元格尺寸的样品，并选用纯铜材料进行实验，但成功率较低（图3a）。金属与包埋材料之间的化学反应导致了样品过度氧化和品质下降。相反，对于3 mm及更大单元格尺寸的样品，制造过程取得了成功（图3b和c）。

图3. 纯铜微型散热器的电镜图像，展示了(a) 500 μm单元格尺寸和(b) 3 mm单元格尺寸；c) 采用3 mm单元格尺寸制造的纯铜散热器。

接下来，研究团队对该散热器进行了测试，图4a为所用的测试电路板，图4b为完整的测试设置。在施加电压差的过程中，电阻器上的功率增加，进而导致温度升高。实验首先在不安装散热器的情况下（标记为T1），在不同的功率水平下测量电阻器的温度，并开启风扇。随后，将散热器放置在电阻器上，并使用热导膏进行固定（图4c）。电阻器的底部设计较散热器的长度更宽，因此，电阻器的一部分未被散热器完全覆盖。在散热器附着后，该区域用于测量电阻器底部的温度T2。最后，在散热器顶部测量温度T3（图4d）。T1、T2和T3的温度曲线在图4e中绘制，并在图4f中进行了详细列出。附着散热器后，电阻器底部（T2）的温度显著降低。随着功率的增加，温度降低的效果更为显著。在0.048 W的功率下，温度下降了5.6%；而在0.34 W的功率下，温度下降高达13.2%。散热器顶部（T3）的温度相较于T1和T2显著降低，这反映了散热器上的温度梯度。在0.34 W的功率下，记录的温度从57.1°C（T2）降至48.3°C（T3），表明散热器底部与顶部之间有15.4%的温度变化。

图4. a) 测试电路板；b) 测试设置；c) 安装在电阻器上的散热器；d) 电阻器与散热器的示意图；e) 不同功率输出下的温度曲线；f) 数值数据。

总结：本研究证实了采用增材制造技术辅助生产功能性3D微型散热器的可行性。所制备的样品表现出良好的拓扑稳定性，与设计模型之间的偏差极小。该研究旨在作为验证生产散热器可行性的概念证明，且属于初步研究范畴，为了进一步优化散热器的设计，需要在热量和质量流动特性方面进行深入扩展研究。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137641

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