隨著電子設備技術的飛速發(fā)展，熱管理領域遭遇了前所未有的挑戰(zhàn)。設備的處理速度提升導致能源消耗和功率散發(fā)同步增長，但設備的小型化趨勢卻使得熱管理系統(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微型結構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微型結構散熱器的研發(fā)非常重要，但增材制造技術在散熱器生產領域的應用仍面臨了諸多挑戰(zhàn)，其中主要包括高昂的生產成本、有限的材料選擇，以及制造亞毫米級高質量散熱器的技術挑戰(zhàn)。這些限制因素需得到有效解決，才能促進熱管理技術的持續(xù)發(fā)展和廣泛應用。
基于此，來自紐約大學阿布扎比分校的研究團隊研發(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的設計靈活性與傳統(tǒng)鑄造方法的成本效益和可擴展性相結合，很好地解決了傳統(tǒng)粉末床熔化技術面臨的精密尺度、材料多樣性和成本限制問題。相關研究成果以“Additive manufacturing-assisted casting of 3D micro-architected heat sinks”為題發(fā)表在期刊《Materials Letters》上。
首先，該研究團隊選用摩方精密microArch? S240（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)，以HTL樹脂為材料，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上（圖1a），并浸泡入選定的包埋材料中。接下來，將固化后的模具置入爐中進行加熱，以實現(xiàn)蠟樹和散熱器模板的燒除。燒除熱循環(huán)的執(zhí)行如下：在30分鐘內升溫至750 °C，維持750 °C兩小時，隨后冷卻至室溫。經過燒除后，模板被熔化，留下一個與目標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。本研究中對兩種材料進行了測試，分別為AlSi10Mg和純銅。
圖1. 增材制造打印輔助鑄造過程的描述。
圖2展示了散熱器設計與制造的關鍵步驟：圖2a展示了散熱器的設計模型；圖2b展示了采用AlSi10Mg材料制成的散熱器樣品；圖2c提供了通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術制備的樹脂模板的電鏡圖像；以及圖2d展示了在去除包埋材料后得到的散熱器成品，成品中可見輕微的冷隔現(xiàn)象，揭示了鑄造過程中可能出現(xiàn)的細微缺陷。
為了更準確地量化這些缺陷，研究團隊采用了計算機斷層掃描（CT）技術。這些孔隙是在材料固化過程中形成的，主要由材料收縮和溶解氣體的釋放導致，這些孔隙是隨機分布的，無特定規(guī)律。樣品的總內部孔隙率計算為7.5%。
隨后，該實驗團隊嘗試制造500 μm單元格尺寸的樣品，并選用純銅材料進行實驗，但成功率較低。金屬與包埋材料之間的化學反應導致了樣品過度氧化和品質下降。相反，對于3 mm及更大單元格尺寸的樣品，制造過程取得了成功。
圖2. 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，研究團隊對該散熱器進行了測試，圖3a為所用的測試電路板，圖3b為完整的測試設置。在施加電壓差的過程中，電阻器上的功率增加，進而導致溫度升高。實驗首先在不安裝散熱器的情況下（標記為T1），在不同的功率水平下測量電阻器的溫度，并開啟風扇。隨后，將散熱器放置在電阻器上，并使用熱導膏進行固定（圖4c）。電阻器的底部設計較散熱器的長度更寬，因此，電阻器的一部分未被散熱器完全覆蓋。在散熱器附著后，該區(qū)域用于測量電阻器底部的溫度T2。最后，在散熱器頂部測量溫度T3（圖3d）。T1、T2和T3的溫度曲線在圖3e中繪制，并在圖3f中進行了詳細列出。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3. a) 測試電路板；b) 測試設置；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：本研究證實了采用增材制造技術輔助生產功能性3D微型散熱器的可行性。所制備的樣品表現(xiàn)出良好的拓撲穩(wěn)定性，與設計模型之間的偏差極小。該研究旨在作為驗證生產散熱器可行性的概念證明，且屬于初步研究范疇，為了進一步優(yōu)化散熱器的設計，需要在熱量和質量流動特性方面進行深入擴展研究。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137641
