紐約大學(xué)阿布扎比分校：增材制造技術(shù)輔助鑄造的3D微型結(jié)構(gòu)散熱器

隨著電子設(shè)備技術(shù)的飛速發(fā)展，熱管理領(lǐng)域遭遇了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。設(shè)備的處理速度提升導(dǎo)致能源消耗和功率散發(fā)同步增長(zhǎng)，但設(shè)備的小型化趨勢(shì)卻使得熱管理系統(tǒng)的可用物理空間日益縮減，從而提高了有效冷卻的復(fù)雜性，并凸顯了研發(fā)新型散熱器的重要性和緊迫性。在此背景下，3D微型結(jié)構(gòu)散熱器以其高比表面積的特性，被提出作為傳統(tǒng)鰭片和板式散熱器的高效替代品。

盡管3D微型結(jié)構(gòu)散熱器的研發(fā)非常重要，但增材制造技術(shù)在散熱器生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨了諸多挑戰(zhàn)，其中主要包括高昂的生產(chǎn)成本、有限的材料選擇，以及制造亞毫米級(jí)高質(zhì)量散熱器的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些限制因素需得到有效解決，才能促進(jìn)熱管理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

基于此，來(lái)自紐約大學(xué)阿布扎比分校的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種利用增材制造輔助鑄造工藝制造的3D微型散熱器。這種方法將增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)靈活性與傳統(tǒng)鑄造方法的成本效益和可擴(kuò)展性相結(jié)合，很好地解決了傳統(tǒng)粉末床熔化技術(shù)面臨的精密尺度、材料多樣性和成本限制問(wèn)題。相關(guān)研究成果以“Additive manufacturing-assisted casting of 3D micro-architected heat sinks"為題發(fā)表在期刊《Materials Letters》上。

首先，該研究團(tuán)隊(duì)選用摩方精密microArch® S240（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)，以HTL樹(shù)脂為材料，制作了微型散熱器模板。隨后，將制成的模板固定在蠟注模樹(shù)上（圖1a），并浸泡入選定的包埋材料中。接下來(lái)，將固化后的模具置入爐中進(jìn)行加熱，以實(shí)現(xiàn)蠟樹(shù)和散熱器模板的燒除。燒除熱循環(huán)的執(zhí)行如下：在30分鐘內(nèi)升溫至750 °C，維持750 °C兩小時(shí)，隨后冷卻至室溫。經(jīng)過(guò)燒除后，模板被熔化，留下一個(gè)與目標(biāo)散熱器幾何形狀相吻合的模具空腔（圖1b），并在真空環(huán)境下將熔融金屬注入該空腔。本研究中對(duì)兩種材料進(jìn)行了測(cè)試，分別為AlSi10Mg和純銅。

圖1. 增材制造輔助鑄造過(guò)程的描述。

圖2展示了散熱器設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵步驟：圖2a展示了散熱器的設(shè)計(jì)模型；圖2b展示了采用AlSi10Mg材料制成的散熱器樣品；圖2c提供了通過(guò)摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)制備的樹(shù)脂模板的電鏡圖像；以及圖2d展示了在去除包埋材料后得到的散熱器成品，成品中可見(jiàn)輕微的冷隔現(xiàn)象，揭示了鑄造過(guò)程中可能出現(xiàn)的細(xì)微缺陷。

為了更準(zhǔn)確地量化這些缺陷，研究團(tuán)隊(duì)采用了計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)。圖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規(guī)則內(nèi)部微孔。這些孔隙是在材料固化過(guò)程中形成的，主要由材料收縮和溶解氣體的釋放導(dǎo)致。圖2e-ii以體積形式展示了孔隙的空間分布，可見(jiàn)這些孔隙是隨機(jī)分布的，無(wú)特定規(guī)律。樣品的總內(nèi)部孔隙率計(jì)算為7.5%。圖2e-iii的圖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微米之間，且孔隙越大，所占百分比越低。

圖2. 結(jié)構(gòu)化微散熱器的制造。a) CAD模型；b) 鑄造樣品；c-d) 聚合物基板（c）金屬微散熱器（d）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；e) 計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）結(jié)果，（i）二值化重建切片，（ii）帶有孔隙分布（綠色）的三維重建視圖，以及（iii）孔隙大小分布圖表。圖e中的比例尺為1 mm。

隨后，該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)嘗試制造500 μm單元格尺寸的樣品，并選用純銅材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但成功率較低（圖3a）。金屬與包埋材料之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了樣品過(guò)度氧化和品質(zhì)下降。相反，對(duì)于3 mm及更大單元格尺寸的樣品，制造過(guò)程取得了成功（圖3b和c）。

圖3. 純銅微型散熱器的電鏡圖像，展示了(a) 500 μm單元格尺寸和(b) 3 mm單元格尺寸；c) 采用3 mm單元格尺寸制造的純銅散熱器。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該散熱器進(jìn)行了測(cè)試，圖4a為所用的測(cè)試電路板，圖4b為完整的測(cè)試設(shè)置。在施加電壓差的過(guò)程中，電阻器上的功率增加，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高。實(shí)驗(yàn)首先在不安裝散熱器的情況下（標(biāo)記為T(mén)1），在不同的功率水平下測(cè)量電阻器的溫度，并開(kāi)啟風(fēng)扇。隨后，將散熱器放置在電阻器上，并使用熱導(dǎo)膏進(jìn)行固定（圖4c）。電阻器的底部設(shè)計(jì)較散熱器的長(zhǎng)度更寬，因此，電阻器的一部分未被散熱器覆蓋。在散熱器附著后，該區(qū)域用于測(cè)量電阻器底部的溫度T2。最后，在散熱器頂部測(cè)量溫度T3（圖4d）。T1、T2和T3的溫度曲線在圖4e中繪制，并在圖4f中進(jìn)行了詳細(xì)列出。附著散熱器后，電阻器底部（T2）的溫度顯著降低。隨著功率的增加，溫度降低的效果更為顯著。在0.048 W的功率下，溫度下降了5.6%；而在0.34 W的功率下，溫度下降高達(dá)13.2%。散熱器頂部（T3）的溫度相較于T1和T2顯著降低，這反映了散熱器上的溫度梯度。在0.34 W的功率下，記錄的溫度從57.1°C（T2）降至48.3°C（T3），表明散熱器底部與頂部之間有15.4%的溫度變化。

圖4. a) 測(cè)試電路板；b) 測(cè)試設(shè)置；c) 安裝在電阻器上的散熱器；d) 電阻器與散熱器的示意圖；e) 不同功率輸出下的溫度曲線；f) 數(shù)值數(shù)據(jù)。

總結(jié)：本研究證實(shí)了采用增材制造技術(shù)輔助生產(chǎn)功能性3D微型散熱器的可行性。所制備的樣品表現(xiàn)出良好的拓?fù)浞€(wěn)定性，與設(shè)計(jì)模型之間的偏差極小。該研究旨在作為驗(yàn)證生產(chǎn)散熱器可行性的概念證明，且屬于初步研究范疇，為了進(jìn)一步優(yōu)化散熱器的設(shè)計(jì)，需要在熱量和質(zhì)量流動(dòng)特性方面進(jìn)行深入擴(kuò)展研究。