CN116195374A - 经由3d打印制造的冷板 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种冷板，其具有铜基板和在该铜基板上的多个翅片。该翅片是多孔的，并且通过在该铜基板上3D打印铜‑银合金而制成。可替代地，可以3D打印该翅片，然后用钎焊材料将其粘附到该铜基板。使用热界面材料将该铜基板放置在待冷却的电子器件(诸如芯片封装)上。任选的歧管可以放置在该铜基板上，用于跨该翅片循环冷却剂。

Description

经由3D打印制造的冷板
背景技术
冷板为处理器在操作期间的冷却提供有效方式，这可以延长高价值集成电路芯片的寿命。诸如在位于大型数据中心的服务器机架中使用的那些处理器，在操作期间可以产生600W的热量。考虑到服务器机架中的处理器的紧密间隔以及服务器机架之间的间隔，空气冷却在规模上不是有效的解决方案，特别是随着工业向更高的人工智能和机器学习能力发展，这需要比其他用途更多的处理能力。传统的直接到芯片冷却板由具有直的薄翅片的铜板组成，该翅片使用例如CNC或刮削机机加工到表面中。这种结构通常可以在1L/min的流速下实现大约0.05℃/W的热阻率。
发明内容
冷板包括金属基板和金属基板上的多个翅片。翅片是多孔的，并且包括可增材制造材料。
冷板冷却系统包括金属板、金属板上的冷板以及在金属板上和冷板上方的歧管。歧管包括用于将冷却剂接收到歧管中的至少一个第一端口以及用于将冷却剂从歧管排出的至少一个第二端口。冷板包括金属基板和金属基板上的多个翅片或针，其中翅片或针是多孔的，并且包括可增材制造材料。
制造冷板的第一种方法包括：提供金属基板；以及金属基板上3D打印多个多孔翅片或针。
制造冷板的第二种方法包括：提供金属基板；3D打印多个多孔翅片或针；以及将翅片或针粘附到金属基板上。
附图说明
图1A为冷板冷却系统的透视图。
图1B为冷板的透视图。
图1C为用于制品的增材制造的系统的示意图。
图1D为用于制品的增材制造的方法的流程图。
图2为示出以下内容的图像：a.)使用3D打印适配器将铜板定位到打印机的构建侧中，b.)用粉末填充打印机的供应侧，c.)散布第一层粉末以覆盖铜板，以及d.)打印之后完成的翅片结构。
图3为示出以下内容的图像：在用于蒸发ExOne水性粘合剂中水分的热处理之前和之后，在机加工的铜板上所打印的翅片结构。
图4为示出以下内容的图像：在烧结热处理之前和之后，具有所打印的翅片结构的机加工的铜板。
图5为示出以下内容的图像：在二次热处理之前和之后的独立翅片结构。
图6为示出以下内容的图像：将钎焊箔和钎焊膏施加到用于钎焊的指定区域的机加工的铜板。
图7为示出以下内容的图像：使用(左)钎焊箔和(右)钎焊膏钎焊到铜板后的板/钎焊/打印结构组件。
图8为定制台式测试设备的示意图。
图9为将三个样品的模拟性能与热阻的实验测定值进行比较的图表。
图10为针对实施例2制造的翅片结构的反向散射图像，示出了水平线，该水平线指示来自3D打印的层和多孔结构的存在。
图11为针对实施例2制造的翅片结构的反向散射图像，示出了水平线，该水平线指示来自3D打印的层和多孔结构的存在。
具体实施方式
本发明的实施方案包括经由粘合剂喷射使用3D打印在铜板上形成翅片结构的方法。该3D打印的金属结构包括例如用于电子应用的单相直接到芯片冷却的直的或弯曲的铜或铜-银合金翅片。粘合剂喷射提供了优于传统研磨的若干优点，包括在制造期间潜在地更高的产量，以及多孔的并且具有高表面粗糙度的最终结构，从而增加与冷却流体接触的总表面积。
图1A为用于冷却电子器件(诸如具有热界面材料12的芯片封装10)的冷板冷却系统的透视图。该冷却系统包括与热界面材料12物理接触的铜板14、在铜板14上并且与之物理接触的散热器16、以及在散热器16之上并且与铜板14物理接触的任选的歧管20。歧管20包括用于将冷却剂接收以流经散热器16的至少一个端口22以及用于将冷却剂从歧管排出的至少一个端口24。铜板14、散热器16和歧管20组成用于冷却芯片封装10的热电微型组件18。
图1B为组成冷板的散热器16的透视图。散热器16包括金属基板26以及形成在金属基板26上的翅片28。可替代地，也可以不通过基板26进行放置而直接将翅片28形成在铜板14上，利用例如钎焊材料将翅片28粘附到铜板14上。翅片28包括使用可增材制造材料经由3D打印制造的多孔结构，如示例中所述。由于翅片是3D打印的，因此它们可以通过层的存在而包括横截面特征，从而指示翅片是经由3D打印(诸如粘合剂喷射)制成的。翅片包括直径通常为5微米-10微米的孔。翅片的示例性尺寸包括翅片的宽度为600微米，以及翅片的间隔为500微米(通道宽度)。翅片或冷板的其它结构的特征尺寸的典型范围为从300微米至1mm。这些示例性尺寸是按照打印的，因为经过热处理后，特征会缩小20％-25％。翅片可以是弯曲的或直的，并且可以是连续的或不连续的。如果翅片是不连续的，它们可以类似于针。
在一些实施方案中，在根据至少一些实施方案的冷板的增材制造中使用非暂态机器可读介质。数据通常存储在机器可读介质上。该数据表示冷板的三维模型或一系列二维模型，当层叠在彼此顶部时，这些二维模型包括三维模型，该三维模型可以由与增材制造设备(例如，3D打印机、制造装置、或其它此类装置)形成接口连接的至少一个计算机处理器访问。该数据用于使增材制造设备形成冷板。如本文所用，术语“三维模型”是指具有三个维度的一个模型和各自具有两个维度的两个或更多个模型两者，该具有两个维度的两个或更多个模型堆叠在彼此的顶部提供三维模型。
可以使用计算机建模(诸如计算机辅助设计(CAD)数据)来生成表示冷板的数据。表示冷板设计的图像数据可以以STL格式或任何其它合适的计算机可处理的格式导出到增材制造设备中。还可采用扫描三维对象的扫描方法来生成表示冷板的数据。获取数据的一个示例性技术是数字扫描。可以使用任何其他合适的扫描技术来扫描制品，包括X射线照相、激光扫描、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和超声波成像。其它可能的扫描方法在例如美国专利申请公布2007/0031791中有所描述。可以处理可包括来自扫描操作的原始数据和来源于原始数据表示制品的数据两者的初始数字数据集，以将冷板设计从任何周围结构(例如，冷板的支撑件)分割。
机器可读介质可以被提供作为计算装置的一部分。计算装置可具有一个或多个处理器、易失性存储器(RAM)、用于读取机器可读介质的装置、以及输入/输出装置，诸如显示器、键盘和指向装置。另外，计算装置还可包括其他软件、固件或者它们的组合，诸如操作系统和其他应用软件。计算装置可以是例如工作站、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、服务器、大型机或任何其他通用或应用程序特定计算装置。计算装置可从计算机可读介质(诸如硬盘、CD-ROM、或计算机存储器)读取可执行软件指令，或者可从逻辑连接到计算机的另一源(诸如另一台联网计算机)接收指令。
图1C为用于增材制造制品的系统30的示意图。系统30包括可以显示制品(例如，如图1B中所示的冷板)的3D模型34的显示装置36，以及响应于由用户选择或以其他方式激活的3D模型34的一个或多个处理器38，该一个或多个处理器使3D打印机/增材制造装置42生成制品44的物理对象。输入装置40(例如，键盘和/或鼠标)可以与显示器36和至少一个处理器38一起使用，特别是供用户选择3D模型34。3D模型34通常存储在由处理器38经由网络本地或远程访问的存储装置32(诸如非暂态机器可读存储器)内。冷板44包括金属基板和金属基板上的多个多孔翅片。冷板包括彼此直接粘结的多个层。
图1D为增材制造方法的流程图。该方法可以至少部分地由例如系统30实施和执行。该方法包括：从非暂态机器可读介质检索50表示根据至少一个实施方案的制品(即，冷板)的3D模型的数据。该方法还包括：由一个或多个处理器(例如，处理器38)使用数据(诸如3D模型)经由制造装置(例如，装置42)来执行52增材制造应用程序，以及由制造装置生成54制品(诸如所需的冷板)的物理对象。可以进行一个或多个各种任选的后处理步骤56，例如但不限于支撑件移除和热处理。
实施例
Figure BDA0004043822430000041
Figure BDA0004043822430000051
实施例1：将翅片结构直接打印到铜板上
将101铜12"×48"、1/8"的平板机加工成45mm×34mm×3mm。在四个角钻安装孔，并且在一侧铣出热电偶槽。特别地，要求平坦度要求达到在机加工期间补偿板的翘曲所需要或想要的程度。
用银等离子涂覆铜粉末(D90<20μm)，如美国专利7727931，第13栏第40行至第14栏第39行所描述，用银代替金靶，以形成薄(约20nm)的不均匀涂层以生产铜-银粉末。将粉末装载到来自ExOne(North Huntingdon,PA)的Mlab粘合剂喷射3D打印机中，并且打印机按照标准制造商推荐的启动过程准备打印。打印机使用ExOne的水性粘合剂。
将机加工的铜板插入3D打印适配器，以便紧密地配合到打印机的50mmx70mm的构建侧中，并且确保翅片结构将在板上居中。将包含一组1mm厚和0.6mm高的翅片的CAD文件加载到打印机软件中。使用表1所列的参数进行打印。将第一层直接打印到铜板上，每个随后的层也以这种方式粘附到板上。准备及打印工艺示于图2。
Figure BDA0004043822430000052
Figure BDA0004043822430000061
在打印步骤之后，将铜板小心地从打印机中提起，而不干扰所打印的翅片结构或包围翅片结构的粉末，并且进行热处理以去除水性粘合剂中大部分的水含量。
在来自CM炉的1200系列氢气氛炉中进行热处理。使用以下热处理工艺周期：
1.在室温下用100％氮气以80SCFH的流速吹扫20分钟。
2.以10SCFH的流速将气体转换为100％氢气。
3.以5℃/min的速率升温至195℃。
4.在195℃下保持2小时。
5.以5℃/min的速率冷却至80℃(参见下文)。
6.以80SCFH的流速将气体转换为100％氮气。
7.用氮气吹扫20分钟。
虽然将5℃/min的标称冷却速率编程到炉中，但是炉不具有快速冷却其自身的装置。该程序反而允许炉以与所编程速率10℃的抑制尽可能快地冷却。
图3示出了热处理过程之前和之后，机加工的铜板上所打印的翅片结构。颜色的轻微变化表示炉的还原性气氛对金属粉末中铜含量的影响。
在热处理过程之后，人工将松散的粉末从机加工的铜板上刷掉，仅留下所打印的结构。用低压空气软管吹掉少量剩余的松散粉末。
然后，对清洁的“生坯”部件进行第二次热处理(在同一炉中)以将结构烧结在一起。使用以下热处理工艺周期：
1.在室温下用100％氮气以80SCFH的流速吹扫20分钟。
2.以10SCFH的流速将气体转换为100％氢气。
3.以5℃/min的速率升温至500℃。
4.在500℃下保持1小时。
5.以5℃/min的速率升温至900℃。
6.在900℃下保持10小时。
7.以5℃/min的速率冷却至100℃(参见下文)。
8.以80SCFH的流速将气体转换为100％氮气。
9.用氮气吹扫20分钟。
虽然将5℃/min的标称冷却速率编程到炉中，但是炉不具有快速冷却其自身的装置。该程序反而允许炉以与所编程速率10℃的抑制尽可能快地冷却。
图4示出了在烧结热处理之前和之后，机加工的铜板和所打印的翅片结构。颜色的变化表示炉的还原气氛。由于粉末的固结和致密化，在烧结过程之后，翅片在视觉上更薄。在该粉末的x-y平面中，根据经验观察到的线性收缩率为22％，所打印部件的顶部(未受约束)比底部(受约束)收缩略多。因此，当翅片被打印到1mm的标称宽度时，烧结后得到的宽度为约800μm。
实施例2：独立翅片结构的打印然后钎焊
使用实施例1中概述的相同打印参数来打印具有基底的独立翅片结构。
代替使用铜板作为第一层的基底，在打印期间和之后，所打印的部件悬浮在松散粉末中。所打印结构由直的翅片和1mm厚的正方形基底组成。所打印结构在x-y平面中的尺寸超大27％，以补偿烧结过程中的收缩。
使用实施例1中描述的参数打印和热处理部件，不同之处在于：在第二次热处理期间，在900℃下的保持时间从10小时缩短至4小时。
图5示出了在第二次(较高温度)热处理之前和之后的一个翅片结构。注意热处理之后结构的收缩(照片是相同比例的)。整体收缩比图4中更显著，因为独立翅片结构不在将充当所打印结构的底表面的支柱的铜板上。因此，它能够比实施例1收缩得更多。
在第二热处理过程之后，将翅片结构钎焊到清洁的铜板(根据实施例1机加工的)上。以两种不同的形式使用银钎焊45钎焊材料，包括：1)薄箔；2)膏料/浆料。
将钎焊材料施加到机加工的铜板上(图6)，并且将所打印的翅片结构放置在钎焊材料的顶部。
图6为示出以下内容的图像：将钎焊箔和钎焊膏施加到用于钎焊的指定区域的机加工的铜板。
根据以下程序(使用与实施例1中相同的炉)，对机加工的铜板、钎焊材料和所打印的翅片结构的堆叠体进行热处理，以形成板/钎焊/打印结构组件：
1.在室温下用100％氮气以80SCFH的流速吹扫20分钟。
2.以10SCFH的流速将气体转换为100％氢气。
3.以5℃/min的速率升温至635℃。
4.在635℃下保持30分钟。
5.以5℃/min的速率升温至780℃。
6.在780℃下保持10分钟。
7.以5℃/min的速率冷却至100℃(参见下文)。
8.以80SCFH的流速将气体转换为100％氮气。
9.用氮气吹扫20分钟。
虽然将5℃/min的标称冷却速率编程到炉中，但是炉不具有快速冷却其自身的装置。该程序反而允许炉以与所编程速率10℃的抑制尽可能快地冷却。
根据钎焊材料的固相线温度和液相线温度(如供应商所报告的，分别为655℃和745℃)选择保持温度。
图7示出了经过钎焊热处理之后的板/钎焊/打印结构组件。
实施例3：将较薄的翅片结构直接打印到铜板上
重复实施例1的步骤，但有以下两个变化：
1.CAD模型中的翅片的宽度从1mm减小至0.5mm。
2.在第二次热处理期间，在900℃下的保持时间的长度从10小时缩短至5小时。
热性能
使用定制的台式设置来测量冷板的热性质。该设置复制了处理器的热环境，同时允许比真正的处理器更细粒度的控制和更好的跨测试重复性。
该试验设置包括：
●去离子水储存器。
●水泵(微型泵83472)，由输入DC电压进行可变控制(微型泵，Vancouver,WA)。
●流量计(微流FTB324D，Omega，Norwalk,CT)。
●热电偶，以测量待测器件(DUT)入口处的水温。
●加热系统，包括：
o铜加热基座，该铜加热基座的关键尺寸与其模拟的处理器的关键尺寸相同。
o插入铜加热基座中的加热棒。
o粘附于基座顶部(微结构表面)的DUT。
o粘附于DUT顶部的透明歧管。
o压力测量(Setra 2301050PD2F11B)，以监测跨DUT(Setra,
Boxborough,MA)的压降。
o三个热电偶，用于沿铜基座的垂直长度测量铜基座的温度。
o粘附于DUT底侧的热电偶。
●数据收集系统(具有34972A底盘的Keysight 34901A卡)，以监测热电耦读数和水压读数(Keysight,Santa Rosa,CA)。
●可调变压器，以控制进入加热棒的AC功率(ISE,Inc.,Cleveland,OH)。
图8为定制台式测试设备的示意图。
以最靠近冷板底部安装的热电偶与入口水温之间的温差计算从微结构到流体的热对流：
Figure BDA0004043822430000091
其中加热通量密度
Figure BDA0004043822430000092
等于功率除以基座的横截面积。通过基座的功率从嵌入基座内的热电偶的温度差推导出，诸如图8中的x1和x3。测试包括收集温度、流速和压力数据。随测试而变化的输入参数包括输入功率和泵电压(以修改流速)。
表2提供了为以上所述实施例测量的热阻率。
Figure BDA0004043822430000093
Figure BDA0004043822430000101
基线比较
在与实验设置相同的条件下，使用计算流体动力学(CFD)模型模拟不同流速下的微通道冷板的热阻。运用有限体积法(FVM)计算在计算域中的热场和流场。
通过制造和测试三个不同冷板的热性能来验证模型。在200mLPM和1400mLPM之间的流速下收集热阻数据，并与模拟结果进行比较。
第一样品是没有微通道的扁铜板。
第二样品和第三样品具有使用放电加工(EDM)方法制造的微通道以生成微通道，微通道的通道宽度分别为152um和203um。
图9比较了三个样品的模拟性能与热阻的实验测定值。
该计算展示了1000mLPM的流速下，在实验测量的热阻抗的3％内预测散热器性能的模拟。因此，仿真提供了具有高置信度的性能预测的有效手段。
表3比较了使用实施例3的方法制造的散热器的性能与具有相同(实施例4)和小2X(实施例5)的机加工的铜散热器的预测性能。
实施例3中样品的热性能优于(热阻小×2.4)类似的机加工的铜样品的热性能。样品的热阻甚至显著小于通道宽度为250um的机加工的铜散热器的电阻。这是通过使用粘合剂喷射来制造散热器通道所实现的改进的意想不到的结果。
Figure BDA0004043822430000102
图10为针对实施例2制造的翅片结构的反向散射图像，示出了水平线，该水平线指示来自3D打印的层和多孔结构的存在。
图11为针对实施例2制造的翅片结构的反向散射图像，示出了水平线，该水平线指示来自3D打印的层和多孔结构的存在。

Claims (26)

1.一种冷板，所述冷板包括：
金属基板；和
在所述金属基板上的多个翅片，其中所述翅片是多孔的并且包括可增材制造材料。
2.根据权利要求1所述的冷板，其中所述金属基板包含铜。
3.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片包含铜-银合金。
4.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片包含铜。
5.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片包含铜基合金。
6.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片是直的。
7.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片是弯曲的。
8.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片在热处理之前具有大约600微米至1毫米的宽度。
9.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片在热处理之前具有大约500微米的间距。
10.根据权利要求1所述的冷板，其中所述翅片的孔在热处理之后具有大约5微米至10微米的直径。
11.一种冷板冷却系统，所述冷板冷却系统包括：
金属板；
冷板，所述冷板在所述金属板上，其中所述冷板包括：
金属基板；和
在所述金属基板上的多个翅片，其中所述翅片是多孔的并且包括可增材制造材料；和
歧管，所述歧管在所述金属板上并且在所述冷板上方，其中所述歧管包括用于将冷却剂接收到所述歧管中的至少一个第一端口，以及用于将所述冷却剂从所述歧管排出的至少一个第二端口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述金属板包含铜。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述金属基板包含铜。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片包含铜-银合金。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片包含铜。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片包含铜基合金。
17.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片是直的。
18.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片是弯曲的。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片在热处理之前具有大约600微米至1毫米的宽度。
20.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片在热处理之前具有大约500微米的间距。
21.根据权利要求11所述的系统，其中所述翅片的孔在热处理之后具有大约5微米至10微米的直径。
22.根据权利要求11所述的系统，所述系统还包括在所述金属板的与所述冷板相对的一侧上的热界面材料。
23.一种制造冷板的方法，所述方法包括以下步骤：
提供金属基板；以及
在所述金属基板上3D打印多个翅片，其中所述翅片是多孔的。
24.一种制造冷板的方法，所述方法包括以下步骤：
提供金属基板；
3D打印多个翅片，其中所述翅片是多孔的；以及
将所述翅片粘附到所述金属基板。
25.一种非暂态机器可读介质，所述非暂态机器可读介质具有表示冷板的三维模型的数据，当由与3D打印机形成接口连接的一个或多个处理器访问时，使得所述3D打印机形成所述冷板，所述冷板包括：
金属基板；和
多个翅片，所述多个翅片在所述金属基板上，其中所述翅片是多孔的，
其中所述冷板包括彼此直接粘结的多个金属层。
26.一种方法，所述方法包括：
从非暂态机器可读介质中检索表示冷板的3D模型的数据，所述冷板包括：
金属基板；和
在所述金属基板上的多个翅片，其中所述翅片是多孔的，
其中所述冷板包括彼此直接粘结的多个金属层；
由一个或多个处理器使用所述数据经由制造装置来执行3D打印应用程序；以及
由所述制造装置生成所述冷板的物理对象。
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