材料擠出 3D 打印片上打印 CNT/Si散熱器的射頻輔助固化工藝

供稿人：張海天
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

隨著高功率集成電子設(shè)備的快速發(fā)展，人們開發(fā)了許多基于聚合物的熱管理器件來解決過熱問題并提高電子設(shè)備的可靠性和壽命。在這里，我們演示了直接將碳納米管 (CNT)/硅樹脂散熱器材料擠出 3D 打印到電子設(shè)備上。碳納米管被用作導(dǎo)電納米填料和流變改性劑，分別提高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及有機硅油墨的可印刷性。此外，碳納米管也是射頻 (RF) 感受器，因此將碳納米管集成到有機硅基質(zhì)中，可以通過應(yīng)用射頻加熱實現(xiàn)快速爐外固化。

通過使用 DIW 3D 打印和射頻輔助固化工藝制造了 CNT/硅膠散熱器。采用碳納米管作為納米填料，研究碳納米管/有機硅復(fù)合油墨配方及其印刷結(jié)構(gòu)對導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及可印刷性的影響。實驗表明：在 CNT 負載量為 14 wt% 時，CNT/硅樹脂散熱器有著較為優(yōu)秀的高熱性能和電性能，并具有良好的成型能力。

圖 1 不同 CNT 負載量下 CNT/有機硅墨水的雙對數(shù)圖。 (a) 表觀粘度隨剪切速率變化(b) 剪切儲能模量和損耗模量隨剪切應(yīng)力變化 (c) 不同 CNT 負載量印刷的 CNT/Si試樣

此外，利用單板計算機對印制散熱器的實際應(yīng)用性能進行了評估，由于碳納米管/硅樹脂散熱器可以直接印刷并固化到連接到電路板的芯片上，可以簡化熱界面材料的使用和散熱器組裝步驟，同時減少芯片和散熱器之間的熱界面數(shù)量。實驗數(shù)據(jù)表明，該散熱器在簡化裝配工藝的同時，散熱性與現(xiàn)有商用鋁制散熱器保持一致。

圖 2 安裝在 Raspberry pi 板的 CPU 芯片上的散熱器：(a) 片上印刷的 CNT/硅膠散熱器 (b) 小型印刷床上印刷的 CNT/硅膠散熱器 (c) 大型印刷床上印刷的 CNT/硅膠散熱器 (d)商用鋁散熱器。 CPU 使用率在 5% 和 97% 時的 CPU 芯片溫度：(e) 溫度隨時間的變化 (f) 測試期間最后 100 秒的平均溫度和最高溫度

綜上所述，材料擠出 3D 打印與射頻輔助固化相結(jié)合具有制造高性能聚合物散熱器的能力，并且其兼具高效與低能耗的優(yōu)勢，有潛力成為現(xiàn)代電子領(lǐng)域高性能聚合物散熱器生產(chǎn)的主流方式。

參考文獻：
Thang Q. Tran, Anubhav Sarmah, Ethan M. Harkin, Smita Shivraj Dasari, Kailash Arole, Matthew J. Cupich, Aniela J.K. Wright, Hang Li Seet, Sharon Mui Ling Nai, Micah J. Green, Radio frequency-assisted curing of on-chip printed CNT/silicone heatsinks produced by material extrusion 3D printing, Additive Manufacturing. 78 (2023), 103842.