CN104289712A - 一种slm制造热沉成形摆放方法及支撑添加方法 - Google Patents

Abstract

一种SLM制造微通道热沉的摆放方法和支撑添加方法，属于激光先进制造领域。摆放方法为竖立方式，返水孔端在下，定位孔端在上，Z方向即是热沉增材制造层层叠加成形方向，垂直于基板向上。避免刮粉的刮刀与热沉成形过程中局部尖角结构有碰撞导致成形扭曲甚至失败现象，将热沉厚度边迎向刮刀减小接触面，热沉与刮刀运动方向呈一定角度。内部通道内不添加支撑，外部的支撑有3处，是进水主道孔和出水主道孔处斜支撑和底部支撑，斜支撑成形尖角伸出方向与刮刀刮粉运动方向一致，避免支撑尖角与刮刀碰撞导致的支撑成形失败。本发明保证热沉的外部结构和内部通道的成形质量，避免内部难去除支撑，并简化外部支撑增加其易去除性，节约材料，提高效率。

Description

一种SLM制造热沉成形摆放方法及支撑添加方法

技术领域

本发明涉及用SLM工艺制造在半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路中起散热冷却作用的一种微通道冷却热沉成形摆放方式和支撑添加方法，属于激光先进制造增材制造技术领域。

背景技术

微通道冷却热沉是一种模块式微通道致冷器(Modular MicrochannelCooled Heatsinks,简称MCC)。微通道热沉包含多个尺寸为数十至数百微米的微细水流通道，这样就能够扩大固液之间的接触面积，利用非常小的水流沟道宽度最大限度的减小了热边界层的厚度，因此大大提高了热传导效率。二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease首先提出了平行微通道热沉(Microchannel Heatsink，MCHS)，从理论上证明出了水冷却微通道可达1000W/cm2的散热能力。

目前，半导体激光器和大规模集成电路朝着大功率方向发展，单个芯片的功率不断增加其转换效率只有50％～70％，势必要产生大量的热量，芯片的散热要求也越来越高。半导体芯片内部有源区的热管理水平直接影响器件的性能和寿命。由于微通道热沉散热效率高、体积小等优点，半导体激光器阵列器件和大规模集成电路中的芯片运用微通道冷却热沉来散热是最好的选择。所以通道热沉散热技术是支撑高能固态半导体器件高性能工作的关键。

传统微通道热沉多用铜或铝作为基底材料，通过机械加工、等离子刻蚀、化学腐蚀等方法制备出多层内部镂空图形各异的矩形薄片，而后将其焊接起来制成微通道热沉。现在最常用的就是深层光刻分离曝光化学腐蚀技术制备微通道热沉。主要原理就是将光刻胶均匀的旋转涂覆在加工材料表面上，在一定温度下前烘，去除溶剂，而后将样品进行第一次完全曝光，完全曝光后的样品再次用光刻胶溶液旋转涂覆烘干，选用所需图形的掩膜版进行掩膜光刻，曝光结束后马上采用一定浓度的稀碱液显影，而后坚膜固化，最后腐蚀，控制时间得到通道，然后将用化学腐蚀加工得到的无氧铜冷却液密封层，微通道层，冷却液导引层进行表面处理后按设计顺序叠放在一起通过扩散焊连接在一起，最后进行表面抛光和镀金等表面处理。

由于制备工艺水平的限制，这种传统的微通道热沉在散热能力、使用寿命与体积重量等方面存在一定的局限性。在腐蚀过程中，时间决定了通道的深度，时间的控制决定了通道的尺寸质量，控制不好就容易引起侧向腐蚀，侧腐蚀效应导致微通道深宽比较低；同时很难获得平整的通道壁。制备过程的“失真”使得微通道热沉的实际散热性能低于理论设计的性能。在各层焊接过程中，不可避免地会产生焊接界面，从而引入大量的界面热阻，导致了微通道热沉散热效率的下降。这是制造过程中存在的弊端。

因此，在这样的发展背景下，传统热沉制造方法已经越来越难满足高能半导体激光芯片和大功率集成电路器件对高功率、长寿命、体积小的要求。需要新的生产工艺来进一步提高热沉的寿命和散热性能。

目前，3D打印技术非常火热成为先进制造的发展趋势，而实际上其属于快速成型技术的范畴。快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。

在金属零件制造领域，SLM(选区激光熔化)便是一种能直接成型高致密、高精度金属零件的快速成型技术。它利用激光束把金属或合金粉末选区熔化，并逐层堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，经过简单的表面处理就可以直接作为模具和工件使用。具体过程如图12所示：首先将工件CAD数据模型(31)通过分层软件如RP-TOOLS等进行分层成为CAD模型分层数据(32)，然后将分层数据导入SLM成形工艺机台(33)，在制造过程中，刮刀12水平运动将一定层厚的金属粉末(35)均匀地铺设在基板(10)上；激光在振镜(34)控制下对需要熔化的区域进行扫描熔化，凝固后形成一个加工层(36)，然后，基板下降一个层厚，重复下层的加工，如此往复，金属零件(37)一层层地被加工完成。

选区激光熔化技术优点是，原型的快速设计和自动制造保证了工具的快速制造。无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据CAD原型而将复杂的工具和型腔制造出来，一般来说，采用选区激光熔化快速成形技术，模具的制造时间和成本均为传统传技术的1/3。采用的材料能扩展到多种纯金属或合金材料(如不锈钢、工具钢、镍基合金等)，由于利用激光完全熔化金属粉末，成型件相对密度接近或达到100％，总体力学性能比采用铸造方法制成的金属件更为优异。

用SLM激光选区熔化工艺可以直接根据热沉的设计CAD原型制造微通道热沉，采用离散分层原理，一层一层熔化金属粉末然后叠加成形形成复杂的热沉内部循环通道，采用一体成型避免分层焊接增加的焊接热阻，热沉寿命缩短等缺陷，在结构上能够制作更为复杂的内微通道，微通道散热热沉的制造材料选择范围更为广泛。

发明内容

本发明的目的是，在用SLM激光选区熔化技术制造微通道热沉工艺中，需要对CAD数据进行加工前处理转化为片层数据，来适应SLM成形工艺保证成形过程的稳定性和成形件的质量。

本发明涉及SLM制造微通道热沉的成形摆放方法和支撑的添加方法。主要是在SLM激光选区熔化技术中CAD数据处理过程，包括成形摆放方式，支撑的添加两个方面。

本发明为实现上述技术所设计两个方面的结构分析内容如下：

微通道热沉内部通道是一个开放式循环通道，去离子冷却水在内部流动，如图1所示，分为进水通道层和出水通道层，热沉工作时进水通道层在下，出水通道层在上。去离子水由进水主通道(1)进入进水口(2)，经过进水通道(3)，进入进水微通道(4)，通过返水孔(5)，流入出水通道层，图2所示出水通道层，由返水孔(5)来的冷却水进入出水微通道(7)，然后进入出水通道(8)经过出水口(9)流回出水主通道(6)，完成一个内部循环。从图1图2中可以看到，微通道和微通道之间的脊延伸方向都是沿着内部水流动方向，如果沿着此方向增材成形可以避免出现大量悬垂面，也就避免内部通道形成过多的后期难以去除的支撑。

进一步，沿微通道延伸方向将局部斜垂通道壁面设计成呈斜面或者圆弧面过渡，且斜面与成形方向夹角小于40度，圆弧的面(两个进出水主道圆孔除外)其他直径都在0.4mm～2mm范围内，小于临界需加支撑圆弧面直径5mm，不需要加支撑。

更进一步，成形方向是沿微通道热沉最长边由底部反水孔(5)端开始一层一层成形，即成形仓内的Z轴方向。热沉厚度边迎向刮刀运动方向，热沉宽度边方向与刮刀运动方向呈一定角度，减小接触面，减小两者之间的摩擦力，避免刮粉刮刀与热沉成形过程中局部尖角结构有碰撞导致成形扭曲现象。

本发明为实现上述技术所设计两个方面的支撑添加内容如下：

微通道和微通道之间的脊成形未出现悬垂面，避免内部通道内需要添加后期难以去除的支撑。斜垂通道壁面呈斜面或者圆弧面过渡，斜面与成形方向夹角小于40度，保证成形可能性，圆弧的面(两个进出水主道圆孔除外)其他直径都在0.4mm～2mm范围内，小于临界需加支撑圆弧面直径5mm，不需要加支撑。

特别的，为保证进水主道(1)和出水主道(6)的两个悬空圆弧面成形质量，需要在其下面添加易去除类支撑。

进一步的，所添加的支撑在成形生长方向尽量背着刮刀刮粉方向，以免刮刀影响支撑的成形进而影响热沉圆弧面悬垂面的成形。

本发明是运用SLM激光选区熔化技术做大量制造微通道实验并对成形现象分析得到避免内部多余难去除支撑生成，外部支撑最少，成形质量，精度最好的成形摆放方式和支撑添加方法。

本发明尽量减少多余支撑外伸，减小单个热沉所占面积，从而增加一块基板上成形热沉数量，在保证质量的前提下，提高了制造效率。

本发明只有3处外部支撑，能使所加悬垂面成形良好，未出现不加支撑时的熔瘤粗糙不平现象，外部支撑易用简单机械加工工艺去除和外表面抛光处理，处理后外部表面质量Rz低于0.5μm。内部表面处理后Rz＝10-20μm。

附图说明

图1本发明所制造的微通道热沉结构进水通道层剖开图；(其中包含：进水主道1、进水口2、进水通道3、进水微通道4、返水孔5、出水主道6、定位孔38)。

图2本发明所制造的微通道热沉结构出水通道层剖开图；(其中包含：进水主道1、返水孔5、出水主道6、出水微通道7、出水通道8、出水口9、定位孔38)。

图3微通道热沉成形摆放方式；(其中包含：基板10、微通道热沉11、定位孔38)。

图4微通道热沉局部尖角结构成形与刮刀运动三维示意图；(其中包含：基板10、微通道热沉11、刮刀12、刮刀运动方向13、迎向刮刀运动方向局部尖角结构14、热沉宽度方向与刮刀运动方向偏转夹角15)。

图5微通道热沉局部尖角结构成形与刮刀运动三维示意图；(其中包含：基板10、刮刀12、刮刀运动方向13、迎向刮刀运动方向局部尖角结构14、热沉宽度方向与刮刀运动方向偏转夹角15)。

图6微通道热沉支撑添加示意图；(其中包含：微通道热沉11、斜支撑16、底部支撑24、定位孔38)。

图7微通道热沉支撑添加截面图；(其中包含：微通道热沉11、斜支撑16、激光熔化面17、一部分圆弧悬垂面18、锯齿状连接结构19)。

图8成形圆弧面平面示意图；(其中包含：圆弧悬垂面18、悬垂面高度h、悬垂面切线与水平线夹角α)。

图9微通道热沉支撑添加截面局部图；(其中包含：微通道热沉11、斜支撑16、激光熔化面17、锯齿状连接结构19、斜支撑单片厚度20、斜支撑单片间距21、斜支撑斜边与水平面夹角22)。

图10微通道热沉底部支撑示意图；(其中包含：锯齿状连接结构19、网格支撑相交薄壁间夹角23、底部网格薄壁支撑24)。

图11微通道热沉支撑齿状平面示意图；(其中包含：微通道热沉11、支撑齿伸入零件长度25、支撑齿根宽度26、支撑齿顶高度27、支撑齿断点线长度28、支撑齿顶部分高度29、支撑齿根部分高度30)。

图12SLM成形过程示意图；(其中包含：CAD模型数据31、CAD模型切片数据32、SLM成形工艺机台33、激光及振镜34、基板10、刮刀12、金属粉末35、激光熔化成形层36、实际工件37)。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的概述，但本发明的实施方式不限于此。

具体实施例：

本实施例是结合前文提到的微通道热沉内部结构和SLM采用离散分层的原理确定具体的实施方式。

本实施例中，微通道热沉内部通道是一个开放式循环通道，如图1和图2中所示。微通道和微通道之间的延伸方向决定内部水流动方向，沿着此方向增材成形可以避免出现大量悬垂面，避免内部通道形成过多的后续加工难去除内部支撑。在图3所示成形摆放方式，Z方向即是微通道热沉11工件层层叠加成形方向，垂直于基板10向上。沿微通道延伸方向将局部斜垂通道壁面设计成呈斜面或者圆弧面过渡，且斜面与成形方向夹角小于40度，圆弧的面(两个进出水主道圆孔除外)其他直径都在0.4mm～2mm范围内，小于临界需加支撑圆弧面直径5mm，不需要加支撑，也避免多余内部难去除支撑的出现。

本实施例中，成形的工件有局部尖角结构层层叠加迎向刮刀刮粉方向的都需要尽量避免，与刮刀的接触面应该是尽可能小，由点接触再到线接触，避免刮刀刮粉时和已成形工件的结构碰撞产生较大摩擦力，使细小成形部位被刮坏弯曲变形。如图4中所示，将热沉的厚度边迎向刮刀，以减小接触面。刮刀12沿着运动方向13刮粉，微通道热沉11在基板10上沿Z方向成形，刮刀12在刮粉过程中会与热沉已熔化凝固的前一层有摩擦接触，在迎向刮刀的尖角局部结构14在此过程中尤为明显，所以将热沉偏转5度到20度(热沉宽度方向与刮刀运动方向偏转夹角(15))，图5从俯视底板角度示意热沉成形其中一层的成形过程，迎向刮刀的尖角局部结构14在热沉偏转角度后，与刮刀最初接触由线接触变为点接触，将上述破坏情况几率降到最低。

本实施例中由于上述成形摆放方式，内部通道内不需要添加支撑，外部的支撑有3处，如图6所示：分别是进水主道孔和出水主道孔处支撑16和底部与基板连接处支撑24。由于进出水主通道孔圆弧面直径大于5mm，需要添加支撑。热沉进水口2和出水口9的位置影响添加直立支撑，只能添加斜支撑。如图6所示，斜支撑的斜伸出方向与刮刀刮粉方向一致，避免支撑尖角结构与刮刀碰撞导致的支撑成形失败。

本实施例中进出水通道孔斜支撑16是片状斜支撑类型，如图7所示，添加支撑的以保证直径大于5mm的圆弧面的稳定成形和质量。激光选区熔化面17层层叠加成形会有一部分成形弧面18，如图8所示，当圆弧面的切线与水平线夹角α小于40度这个范围内高度h的弧面是属于悬空的面，需要添加支撑。锯齿状连接结构19是为了在保证足够支撑力度的前提下减小支撑与圆弧面的接触面，以便于支撑的去除和提高圆弧面成形质量。详见专利《一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法》,专利公开号：CN103920877A。

本实施例中的斜支撑16参数如图9所示，斜支撑单片厚度20参数范围是0.1mm～0.3mm、此参数控制单片斜支撑的强度，斜支撑单片间距21参数范围是0.2mm～0.5mm，此参数控制悬垂面下斜支撑片数量，数量增加整体支撑强度增加，但易去除性下降。斜支撑斜边与水平面夹角22参数范围是40度到90度，40度为成形下限，90度为成形上限。小于40度斜支撑自身不能成形，起不到支撑的作用。通过这3个参数可调整斜支撑的强度和易去除性。

本实施例中的底部支撑是图11所示薄壁网格支撑，一方面减少支撑的用粉量，另一方面抓牢上面微通道热沉并减小支撑的强度增加易去除性。网格的尺寸可以依据所需强度来调节，范围是0.2mm～2mm。网格支撑两个方向薄壁夹角锐角23，范围是60度到90度。薄壁厚度范围是0.1mm～0.3mm。详见专利《一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法》,专利公开号：CN103920877A。

本实施例中，斜支撑16和网格薄壁支撑24与工件连接部分都是锯齿状连接结构19，锯齿状连接结构式在网格薄壁结构基础上进一步减小支撑与实体连接的面积，进一步增加支撑的易去除性，在锯齿的作用下，第一层悬面能够成形并且保证不被刮刀刮掉而影响下一层的成形，在图12中显示了支撑结构和零件连接处局部放大图，11为热沉，伸进实体长度25，控制支撑与实体在纵向上的结合强度，范围是0.05mm～0.3mm,。锯齿分为顶部和底部两部分，顶部宽度27和底部宽度26设置范围是0.1mm～0.4mm，控制齿与实体横向的结合强度和齿根部的强度，齿的顶部高度29和底部高度30设置范围是0.2mm～1.0mm，控制齿的强度和易去除性，断点线长度28是指齿在顶部和底部中间有一处横向截面收缩处，支撑与实体脱离断裂也发生在此，设置范围是0.1mm～0.2mm，控制齿断裂强度支撑断裂强度。详见专利《一种SLM制造金属零件易去除支撑结构设计方法》,专利公开号：CN103920877A。

本发明结合微通道热沉的结构特点和SLM激光选区熔化工艺的特点，提出一种应用于SLM激光选区熔化制造微通道热沉工艺的成形摆放方法和支撑的添加方法，既能保证热沉的外部结构和内部通道的成形质量，又能避免内部难去除支撑，并简化外部支撑增加其易去除性，节约材料用量，减小加工时间，提高生产效率。

本发明不限于以上举例微通道热沉结构，适用于其他内部循环通道微通道热沉。在运用SLM工艺制造与举例热沉外部结构类似的热沉时，涉及到的此类成形摆放方法和支撑添加方法都属于本发明方法。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种SLM制造热沉成形摆放方法，其特征在于：微通道热沉内部通道传统结构分为上下两层：出水通道层和进水通道层；冷却水由进水主通道(1)进入进水口(2)，经过进水通道(3)，进入进水微通道(4)，通过返水孔(5)，进入出水微通道(7)，然后进入出水通道(8)经过出水口(9)流回出水主通道(6)，完成一个内部循环；增材制造热沉摆放方式为竖立方式，返水孔(5)端在下，定位孔(38)端在上，Z方向即是热沉(11)增材制造层层叠加成形方向，垂直于基板(10)向上；将热沉厚度边迎向刮刀，沿热沉宽度方向与刮刀运动方向偏转夹角(15)，范围是5度到20度。

2.根据权利要求1所述的一种SLM制造热沉成形摆放方法，其特征在于：在此制造摆放方式下内部通道内没有支撑，外部支撑有3处，分别是进水主道孔和出水主道孔处支撑(16)和底部与基板连接处设置的底部支撑(24)；支撑(16)属于斜支撑，斜支撑尖角的伸出方向与刮刀刮粉运动方向一致；斜支撑由多层单片支撑构成；斜支撑单片厚度(20)参数范围是0.1mm～0.3mm，斜支撑单片间距(21)参数范围是0.2mm～0.5mm，斜支撑与水平面倾斜夹角(22)参数范围是40度到90度。

3.根据权利要求1所述的一种SLM制造热沉成形摆放方法，其特征在于：底部支撑是薄壁网格支撑，网格单个网格边长尺寸范围是0.2mm～2mm；网格支撑两个方向薄壁夹角锐角(23)，范围是60度到90度；薄壁厚度范围是0.1mm～0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种SLM制造热沉成形摆放方法，其特征在于：斜支撑(16)和网格薄壁支撑(24)与热沉实体连接部分是锯齿状连接结构(19)；支撑伸进热沉实体长度为(25)范围是0.05mm～0.3mm；锯齿顶部宽度(27)和底部宽度(26)可调范围是0.1mm～0.4mm；齿顶部高度(29)和底部高度(30)可调范围是0.2mm～1.0mm；断点线长度(28)可调范围是0.1mm～0.2mm。