供稿人：張海天 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-03-24
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(jī)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(jī)硅基質(zhì)中，可以通過應(yīng)用射頻加熱實(shí)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(jī)硅復(fù)合油墨配方及其印刷結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及可印刷性的影響。實(shí)驗(yàn)表明：在 CNT 負(fù)載量為 14 wt% 時(shí)，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(fù)載量下 CNT/有機(jī)硅墨水的雙對(duì)數(shù)圖。 (a) 表觀粘度隨剪切速率變化(b) 剪切儲(chǔ)能模量和損耗模量隨剪切應(yīng)力變化 (c) 不同 CNT 負(fù)載量印刷的 CNT/Si試樣
此外，利用單板計(jì)算機(jī)對(duì)印制散熱器的實(shí)際應(yīng)用性能進(jìn)行了評(píng)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(jiǎn)化熱界面材料的使用和散熱器組裝步驟，同時(shí)減少芯片和散熱器之間的熱界面數(shù)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該散熱器在簡(jiǎn)化裝配工藝的同時(shí)，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(shí)的 CPU 芯片溫度：(e) 溫度隨時(shí)間的變化 (f) 測(cè)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(shì)，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。