紐約大學阿布扎比分校：增材制造技術輔助鑄造的3D微型結構散熱器

隨著電子設備技術的飛速發展，熱管理領域遭遇了嚴重的挑戰。設備的處理速度提升導致能源消耗和功率散發同步增長，但設備的小型化趨勢卻使得熱管理系統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，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。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發展和廣泛應用。

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，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，以實現蠟樹和散熱器模板的燒除。燒除熱循環的執行如下：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象，揭示了鑄造過程中可能出現的細微缺陷。

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。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則內部微孔。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。圖2e-ii以體積形式展示了孔隙的空間分布，可見這些孔隙是隨機分布的，無特定規律。樣品的總內部孔隙率計算為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. 結構化微散熱器的制造。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) 計算機斷層掃描（CT）結果，（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（圖3a）。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，研究團隊對該散熱器進行了測試，圖4a為所用的測試電路板，圖4b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覆蓋。在散熱器附著后，該區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4d）。T1、T2和T3的溫度曲線在圖4e中繪制，并在圖4f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4. 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) 數值數據。

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。所制備的樣品表現出良好的拓撲穩定性，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。