Зелёные детали Cu/алмаз, полученные DLP

Медно-алмазные композиционные материалы в настоящее время являются самым популярным решением для рассеивания тепла в электронных упаковках. Теплопроводность алмаза достигает 2000 Вт/м·К. После внедрения алмазных частиц в медную матрицу теплопроводность композиционного материала может достигать 600-800 Вт/м·К, что в 3-4 раза выше, чем у чистой меди, а стоимость значительно ниже, чем у чистого алмаза. Он быстро заменяет чистую медь и карбид кремния из алюминия в таких сценариях, как микросхемы искусственного интеллекта, упаковка бытовой электроники и охлаждающие пластины модулей питания.

3D-печать является ключевым процессом для медно-алмазного производства сложных конструкционных деталей, рассеивающих тепло. В настоящее время в отрасли существует несколько путей формирования, которые развиваются параллельно, каждый из которых адаптируется к различным сценариям применения. Недавно мы провели серию систематических экспериментов в направлении светоотверждения DLP (Digital Light Processing): мы использовали DLP для вырубки медного алмаза, и точность и качество структуры оправдали ожидания.

Почему трудно печатать медь–алмаз

Медный алмаз представляет собой двухфазную порошковую систему металл + сверхтвердая керамика. Существует несколько признанных трудностей при приготовлении суспензии и формовании печати:

Во-первых, оптическое поведение сильно отличается. Медный порошок имеет сильное отражение и слабое поглощение УФ-излучения, а алмазный порошок имеет темный цвет и сильное поглощение УФ-излучения. Два порошка совершенно по-разному реагируют на один и тот же набор параметров воздействия, а глубину отверждения трудно унифицировать.

Во-вторых, существует проблема стабильности навозной жижи. Медный порошок имеет высокую плотность (~8,9 г/см³) и легко осаждается; Частицы алмаза имеют высокую твердость и неправильную форму, что может легко повредить скребок и ускорить осадку.

В-третьих, окно спекания узкое. Алмаз легко графитируется при высоких температурах (>1000°С), при этом его теплопроводность резко падает. Он чрезвычайно чувствителен к атмосфере спекания, скорости нагрева и времени выдержки (образец, отображаемый в это время, еще не спечен и находится в зеленом состоянии).

Продемонстрированный процесс

Для приготовления суспензии мы отрегулировали показатель преломления системы светочувствительной смолы, чтобы свести характеристики оптического поглощения медного порошка и алмазного порошка в суспензии; мы ввели подходящий диспергатор для подавления седиментации медного порошка и обеспечения равномерного диспергирования алмазных частиц. Содержание твердого вещества следует поддерживать на высоком уровне, чтобы оставить место для последующего уплотнения при спекании.

Что касается параметров процесса, мы специально отрегулировали толщину слоя, время воздействия и количество нижних слоев воздействия для медно-алмазной суспензии. Каждое воздействие должно позволять свету проникать через слой суспензии для полного затвердевания дна, не переэкспонируя при этом детали кристаллической решетки.

Для проектирования конструкций этот эксперимент охватывает несколько типичных сложных решетчатых структур, таких как спиральная решетка гироида и варианты TPMS. Диаметр образца около 6 мм, что соответствует размеру радиатора.

Результаты печати

Ниже приведены некоторые образцы из этого эксперимента, все из которых находятся в состоянии жизни после печати:

Несколько результатов можно интуитивно увидеть на рисунке:

Высокая точность формы. Криволинейный переход поверхности гироида и вертикальные прямые балки деревянно-свайной конструкции полностью воспроизведены, без «закруглений» и размытия деталей, характерных для светоотверждения.

Внутри есть дыра. Все кристаллизованные внутренние каналы полностью соединены, без отверстий или отверстий — базовая предпосылка для последующих дисперсионных применений.

Хорошее качество поверхности. Поверхность зеленого тела гладкая и зернистая, края диска и края кристаллической решетки идеальны.

Следующие этапы разработки

Эксперимент проверил осуществимость медных алмазов DLP, оставив после себя оптимизацию процесса спекания и показатели производительности:

Что касается спекания, то основной задачей является решение проблемы графитизации алмаза, которая требует точного контроля атмосферы спекания (вакуум или инертный газ), скорости нагрева и времени выдержки.

Что касается производительности, спеченные образцы должны измерять основные показатели, такие как фактическая теплопроводность (целевое значение ≥600 Вт/м·К), коэффициент теплового расширения, прочность на изгиб и т. д., и постепенно увеличивать размер печати до размера реального радиатора.