CN116653076A - 一种基于3d打印技术的陶瓷均热板的制造方法 - Google Patents

一种基于3d打印技术的陶瓷均热板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，包括：设计和制备均热板的壳体以及设计吸热芯结构；根据吸热芯的结构和布局设计建立吸热芯三维模型；三维模型进行数据处理生成3D打印加工轨迹文件；依据吸热芯性能需求配置前驱体材料，将制备壳体固定在光固化3D打印机上，并在光固化3D打印机料槽内注入前驱体材料，设定加工位置，打印吸热芯3D结构；打印完成后，对制件进行清洗，清洗完成后，对吸热芯进行光固化处理；将光固化处理完成后的制件置于真空烧结炉内烧结；将烧结后的制件除抽气口外密封，抽真空后注入工质液体全部密封，获得陶瓷均热板。本发明利用聚合物前驱体转化陶瓷技术制造复杂吸热芯结构，可以有效弥补现有技术的不足。

Description

一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法
技术领域
本发明涉及集成电子器件散热技术领域，更具体的说是涉及一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法。
背景技术
随着MEMS技术的发展，电子器件集成化程度不断提高，电子器件特征尺寸不断减小，从而导致芯片的热通量不断提高。电子元器件的可靠性改善、功率容量增加、集成度提高以及结构微小型化等都直接取决于其热控器件的性能。均热板(Vapor Chamber，VC)，又称均温板、平板热管等，是电子行业中广泛应用的热控器件。目前，绝大多数集成电子器件的均热板主要采用铜基或铝基金属制造。然而，金属均热板存在热膨胀系数与电子器件难以匹配，容易导致连接失效问题。此外，金属材料因其导电性，在与电子器件封装时需设置绝缘层(或绝缘基板)，不仅显著增大总传热热阻，降低散热效果，同时又增加了热控系统总体积和重量，破坏了结构完整性。
陶瓷材料的热膨胀系数与功率半导体器件接近，并且具有绝缘性好、比强度高、耐高温等特点。利用陶瓷制造均热板，不仅可有效弥补金属均热板在连接性和绝缘性方面的不足，同时可以实现结构承载-热控一体化设计。另外，绝缘性良好的陶瓷还可大幅度降低信号屏蔽性，有利于手机、通信基站等设施的信号传输天线布局。目前，陶瓷材料业已在电子产品制造业中已经得到了广泛的应用，例如制造陶瓷手机外壳，可以提高手机信号的传输效果等。但陶瓷均热板的研发却仍处于探索阶段，还未有相关产品得到实际应用。主要原因在于陶瓷属于典型的难加工材料，常规的切削加工技术难以高效、低成本地在均热板内部加工复杂的吸热芯结构。专利2021103408262、202120645541.5和202110342879.8提出了利用陶瓷流延法成型吸液芯结构的陶瓷均热板结构及其制造方法；专利202211220243.7和202222626511.7提出了一种基于玻璃吸液芯的陶瓷均热板结构及制造方法；专利202210837979.2提出通过激光烧蚀和微铣削的方法加工吸液芯结构的陶瓷均热板制造方法。上述方法有力地推动了陶瓷均热板制造技术走向成熟。然而，上述方法存在加工效率低、制造柔性和加工精度不足等问题，对于均热板的复杂吸热芯结构制造和大批量生产较为不利。
因此，如何提供一种可大批量精加工复杂结构均热板的方法是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，包括以下步骤：
S1：设计陶瓷均热板的上板体和与所述上板体匹配的下板体以及吸热芯的结构和布局，且依据设计制备上板体和下板体组成均热板外壳；
S2：根据S1吸热芯的结构和布局设计要求，采用计算机建立吸热芯的三维模型；
S3：对S2的三维模型进行数据处理生成3D打印加工轨迹文件；
S4：将S1制备的上板体或下板体固定在光固化3D打印机上，并在光固化3D打印机料槽内注入吸热芯打印材料，设定加工位置，在上板体或下板体表面打印吸热芯3D结构；
S5：打印完成后，对制件进行清洗，清洗完成后，对吸热芯进行光固化处理；
S6：将S5光固化处理完成后的制件置于真空烧结炉内烧结；
S7：将烧结后的制件与另一板体拼合后形成均热板主体，将均热板主体内抽真空后注入工质液体；
S8：将S7注入工质液体后的均热板主体密封，获得陶瓷均热板。
优选的，所述上板体和下板体为SiC陶瓷材料。
优选的，S2建模为建立CAD三维模型。
优选的，还包括吸热芯材料的选取及打印材料的制备，具体为依据吸热芯的性能需求和微观结构需求选取材料体系，并且配置前驱体材料，将配置好的前驱体材料和光固化化合物共混，组成吸热芯打印材料。
优选的，S4中采用DLP、SLA或LCD技术进行3D打印。
优选的，S5中采用工业酒精或三丙二醇甲醚对制件进行清洗。
优选的，S7中拼合采用锡焊连接使两个板体形成密封结构，且留有抽气口。
进一步的，S8中采用锡焊将抽气口密封。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，具有如下有益效果：
1)本发明所提出的方法具有较高的成形精度高，吸热芯的加工尺寸可至0.1mm以下，加工精度可至微米级；
2)本发明所提出的方法材料利用率高，可实现近净成形；
3)本发明所提出的方法具有高度的制造柔性，且不受结构形态约束，可适应复杂的吸热芯结构，例如仿生结构等；
4)本发明所提出的方法通过设计共混聚合物的化学成分，可以灵活调控吸热芯的宏/微结构、材料组成和物理化学性质，从而具有较广阔的性能拓展和优化空间；
5)本发明所提出的方法具有较高的加工效率，通过开发专用打印设备和工装，可实现大批量生产；
6)本发明采用光固化3D打印吸热芯结构，其过程无热作用，避免了激光烧蚀或烧结等工艺产生的加工热应力。
7)本发明利用共混聚合物烧结裂解产生的孔隙获得多孔毛细结构，无需其他辅助造孔工艺，将聚合物转化陶瓷的不利因素转化为有力条件，简化了工艺流程，降低了制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2本发明实施例1的陶瓷均热板整体爆炸结构图；
图3为本发明实施例1的陶瓷均热板吸热芯与下板体的结合结构图；
图4为本发明实施例1采用的DLP光固化打印机打印陶瓷均热板吸热芯的装配及结构图；
图5为最终形成的陶瓷均热板外观整体结构示意图；
图6为最终形成的陶瓷均热板内部结构示意图。
图中，1-上板体，2-下板体，3-吸热芯，4-真空层，5-工质液体，6-锡焊焊缝，7-3D打印机Z轴，8-升降工作台，9-料槽，10-共混聚合物，11-UV光，12-透镜，13-UV光投影仪，14-数字微镜器件，15-抽气口。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，本发明提供了一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，包括以下步骤：
S1：设计陶瓷均热板的上板体和与所述上板体匹配的下板体以及吸热芯的结构和布局，且依据设计采用压制和气氛烧结制备上板体和下板体组成均热板外壳；
S2：根据S1吸热芯的结构和布局设计要求，采用计算机建立吸热芯的CAD三维模型；
S3：对S2的三维模型进行数据处理生成3D打印加工轨迹文件；
S4：将S1制备的上板体或下板体固定在光固化3D打印机上，并在光固化3D打印机料槽内注入吸热芯打印材料，设定加工位置，在上板体或下板体表面打印吸热芯3D结构；
S5：打印完成后，采用工业酒精或三丙二醇甲醚对制件进行清洗，清洗完成后，对吸热芯进行光固化处理；
S6：将S5光固化处理完成后的制件置于真空烧结炉内烧结；
S7：将烧结后的制件与另一板体采用锡焊拼合后形成均热板主体，且留有抽气口，通过抽气口将均热板主体内抽真空后注入工质液体；
S8：将S7注入工质液体后的均热板主体采用锡焊密封，获得陶瓷均热板。
还包括吸热芯材料的选取及打印材料的制备，具体为依据吸热芯的性能需求和微观结构需求选取材料体系，并且配置前驱体材料，将配置好的前驱体材料和光固化化合物共混，组成吸热芯打印材料。
其中，S4中采用DLP、SLA或LCD技术进行3D打印。
下面将采用具体的实施例对本发明的技术方案进一步描述。
实施例1
如附图2所述，加工该结构的陶瓷均热板，包括上板体1、真空抽气口15、带吸热芯3的下板体2，具体为AlN陶瓷均热板，上板体1尺寸52mm×52mm×3mm，中心为凹槽结构，凹槽尺寸为50mm×50mm×1mm，预留真空抽气口15为2mm×2mm；下板体2尺寸为50mm×50mm×1mm，材料均为AlN陶瓷。吸热芯3加工在下板体2上，为二维凸起结构，凸起设计尺寸为长×宽＝2mm×2mm，高度1mm，间距1mm。具体加工过程如下：
(1)将液态聚硅氮烷(PSZ)和乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)按照质量比3：2的比例混合，获得有机硅陶瓷前驱体聚合物；再将乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯(PPTTA)和脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(U600)按照质量比3：2比例混合，获得液态光敏树脂；最后将有机硅陶瓷前驱体聚合物和液态光敏树脂按照质量比2∶1混合，并加入总混合物3wt.％的光引发剂(TPO)和总混合物1wt.％的聚醚消泡剂，获得共混聚合物，即为3D打印材料；
(2)按照均热板上下板体的设计尺寸，采用SiC陶瓷材料作为均热板的上板体1、下板体2，其中上板体1尺寸52mm×52mm×3mm，中心为凹槽结构，凹槽尺寸为50mm×50mm×1mm，如图2所示；下板体2尺寸为50mm×50mm×1mm；
SiC陶瓷材料的上板体1、下板体2采用压制和气氛烧结的方法制备，具体制备参数如下：
压制参数为：压力50MPa，保压时间为10min；
气氛烧结参数为：通入氩气作为保护气体，以10℃/min的升温速率加热至600℃，保温0.5h，继续以10℃/min的升温速率加热至烧结温度2000℃，保温2.5h，以10℃/min的降温速率降温至700℃，随炉冷却至室温。
(3)根据吸热芯3结构设计，建立吸热芯3的3D打印CAD模型，考虑到聚合物转化陶瓷热解过程的收缩现象，将CAD模型的尺寸在原设计基础上增加20％，即凸起设计尺寸为长×宽＝2.4mm×2.4mm，高度1.2mm，间距0.6mm，具体的分布和与下板体2的位置如图2-3所示；
(4)利用商业ChituBox软件将CAD模型进行切片处理，其中切片厚度为50μm，并生成3D打印加工轨迹工艺文档；
(5)将均热板的下板体2安装在DLP光固化3D打印机上，并将步骤(1)配置好的共混聚合物加入3D打印机料槽9中；
(6)设置3D打印位置于下板体2上，输入步骤(4)的打印工艺文档，在下板体2表面打印吸热芯3结构(根据3D打印机尺寸，配合专用夹具，可以同时打印多个制件)，本实施例采用的DLP光固化打印机具体如图4所示；
(7)打印完成后，将陶瓷基板聚合物3D打印制件放入清洗机内，采用工业酒精清洗30min，去除制件上多余的共混聚合物；
(8)清洗完成后，将陶瓷基板聚合物3D打印制件放入紫外光固化机内，进行固化处理0.5h，使聚合物吸热芯3结构形状更加稳定、牢固；
(9)固化处理完成后，将陶瓷基板聚合物3D打印制件放入真空管式炉内进行烧结，烧结温度1200℃，烧结时间2h，使聚合物吸热芯3充分裂解，转化为多孔SiCNO陶瓷材料；
(10)利用砂纸对烧结后带有陶瓷吸热芯3的陶瓷均热板进行休整，去除毛刺等缺陷，再将上板体1和下板体2拼合，采用锡焊连接上板体1和下板体2；
(11)通过预留真空抽气口15，对上板体1和下板体2连接件内部腔体抽真空，并注入去离子水为工质液体5，如图5所示；
(12)利用锡焊封装真空抽气口15，最终获得陶瓷均热板，如图6所示。
光固化3D打印有多种形式，在另一些具体的实施方式中，除本发明所使用的DLP技术外，还应包括SLA和LCD等技术。
SLA技术是最早实现商业化的光固化3D打印技术。SLA 3D打印技术使用激光器作为光源，通过透镜聚焦后的激光束，按照设备指令将截面轮廓沿着液面进行扫描，扫描区域的树脂快速固化。然后，工作台再下降一层截面厚度的高度，再固化另一层截面，这样层层叠加形成一个三维实体。SLA对打印尺寸的限制很少，但打印速度明显低于DLP和LCD技术，通常适用于打印尺寸比较大的制件。
DLP技术主要是利用UV光投影仪配合数字微镜器件(Digtial MicromirrorDevices,DMD)将产品截面图形投影到液体光敏树脂表面，使被照射的树脂逐层感光固化。区别于SLA 3D打印技术的单点曝光，DLP技术采用面曝光，可以极大地提高打印速度，同时DLP 3D打印技术在精度、表面质量上，也会优于SLA 3D打印机。这种方案的优势是只需要很少的树脂就可以开始打印，但打印尺寸受到制约。
LCD技术是利用液晶屏LCD成像原理，通过来自LED阵列的UV光在液晶屏幕上投射选择性的透明区域，照射到树脂槽并被树脂吸收，同时整个层会立即固化。得益于LCD技术成熟的上游产业链，LCD 3D打印机通常可以达到比DLP 3D打印机更高的分辨率和更小的像素点尺寸。但由于技术局限性，LCD 3D打印机的光功率一般低于DLP 3D打印机，从而导致打印速度较慢。
以上三种光固化3D打印技术均可实现本发明的技术方案。本发明所举案例采用DLP技术，但可依据需求更换任何一种上述三种打印技术。
本发明实施例所涉及的共混聚合物成分和配比，仅用于说明本发明的实施过程，包括但不仅限于该配方。本发明实施例所涉及的均热板和吸热芯结构，仅用于说明本发明的实施过程，包括但不仅限于该结构。
本说明书采用递进的方式描述，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计陶瓷均热板的上板体和与所述上板体匹配的下板体以及吸热芯的结构和布局，且依据设计制备上板体和下板体组成均热板外壳；
S2：根据S1吸热芯的结构和布局设计要求，采用计算机建立吸热芯的三维模型；
S3：对S2的三维模型进行数据处理生成3D打印加工轨迹文件；
S4：将S1制备的上板体或下板体固定在光固化3D打印机上，并在光固化3D打印机料槽内注入吸热芯打印材料，设定加工位置，在上板体或下板体表面打印吸热芯3D结构；
S5：打印完成后，对制件进行清洗，清洗完成后，对吸热芯进行光固化处理；
S6：将S5光固化处理完成后的制件置于真空烧结炉内烧结；
S7：将烧结后的制件与另一板体拼合后形成均热板主体，将均热板主体内抽真空后注入工质液体；
S8：将S7注入工质液体后的均热板主体密封，获得陶瓷均热板。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，所述上板体和下板体为SiC陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，还包括吸热芯材料的选取及打印材料的制备，具体为依据吸热芯的性能需求和微观结构需求选取材料体系，并且配置前驱体材料，将配置好的前驱体材料和光固化化合物共混，组成吸热芯打印材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，S4中采用DLP、SLA或LCD技术进行3D打印。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，S5中采用工业酒精或三丙二醇甲醚对制件进行清洗。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，S7中拼合采用锡焊连接使两个板体形成密封结构，且留有抽气口。
7.根据权利要求6所述的一种基于3D打印技术的陶瓷均热板的制造方法，其特征在于，S8中采用锡焊将抽气口密封。
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