隨著功率電子器件向高功率密度和小型化發展，散熱已成為其性能和可靠性的關鍵限制因素。液冷陶瓷熱沉將傳統陶瓷基板與液冷熱沉部件進行集成，能夠縮短傳熱路徑，提升散熱效率。而對于陶瓷熱沉所需的封閉內腔微細結構，利用傳統工藝成形較為困難。因此，清華大學呂志剛教授團隊所開展的研究工作旨在驗證光固化增材制造技術應用于高效率復雜陶瓷熱沉制備的可行性。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665723000399

 論文亮點

(1) 通過光固化增材制造技術制備了具有復雜冷卻結構的陶瓷熱沉，驗證了將光固化增材制造應用于陶瓷熱沉制備的可行性，推動了陶瓷熱沉面向集成化功率電子封裝結構的進一步應用；

(2) 利用增材制造的設計自由度優勢，提出并實現了貫穿式的歧管微通道冷卻結構，相比傳統歧管微通道結構提升了散熱效率，并減小了壓力損失。

 試驗方法

首先構建了流-熱耦合仿真模型，對陶瓷熱沉在不同冷卻工質流量下的性能進行求解。基于仿真模型的迭代設計，提出了貫穿式歧管微通道結構，提高進出歧管流動的傳熱與水力學效率。在此基礎上，利用光固化增材制造技術制備了貫通式及傳統歧管微通道結構的氧化鋁陶瓷熱沉，表征其內腔成形完整性與表面質量，并搭建實驗平臺測試其實際性能。其中，分別利用壓差傳感器和熱像儀測量熱沉壓降與表面溫度分布，實驗結果均與數值模擬結果進行了對比驗證。

 結果

本研究中所設計的陶瓷熱沉壁厚為0.5 mm，微通道寬度為1 mm，除進出口外整體為封閉結構。基于光固化增材制造的陶瓷熱沉內腔結構成形完整，表面質量良好，在正投影面和側向表面上分別實現了1.5 μm和3 μm的表面粗糙度。
所制備的陶瓷熱沉實驗性能與數值模擬結果匹配良好，實驗中表面平均溫度與數值結果差值低于2 °C，整體分布相似系數在不同流量下均高于0.9，進一步驗證了內腔結構精確成形且無明顯缺陷。
在1 L/min的流量下，貫穿式歧管微通道結構的壓降和熱阻相比傳統歧管微通道結構分別降低了19.8%和11.8%，并提高了溫度分布的均勻性。

 結論

(1) 基于光固化增材制造技術制備的陶瓷熱沉內腔成形完整，表面光潔度高，實驗傳熱及水力學性能與數值預測結果匹配。
(2) 本研究提出并實現了貫穿式歧管微通道結構，該結構減少了傳統歧管微通道結構中的豎直方向流動，實現了更高的散熱效率和更低的壓力損失，并能夠針對非均勻熱源分布進一步優化歧管結構設計以改善溫度分布。

 前景與應用

通過將液冷陶瓷熱沉應用于功率電子封裝，能夠進一步集成簡化封裝結構，提升器件散熱效率，提高可靠性；并發揮陶瓷材料耐磨損、耐腐蝕的性能優勢，實現液態金屬等高導熱冷卻工質的實際應用。

 代表性圖片

圖1 傳統功率電子封裝結構與基于陶瓷熱沉的封裝結構對比

圖2 基于光固化增材制造的陶瓷熱沉及其內部結構

圖3 陶瓷熱沉實驗測試裝置

圖4 實際陶瓷熱沉表面溫度分布與數值模擬結果對比

圖5 貫穿式與傳統歧管微通道結構整體熱阻對比

來源 l 機械工程學報

論文引用信息：

Haoyuan Wang, Kehui Hu, Ming Cheng, Zhigang Lu. Additive Manufacturing of Liquid-Cooled Ceramic Heat Sinks: An Experimental and Numerical Study. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2023, 2(4).

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100100.

(責任編輯：admin)

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