[發明專利]大長徑比結構微型金屬熱沉的制造方法

有效

• 申請號: 201410528141.0
• 申請日: 2014-10-09
• 公開（公告）號: CN104308154A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 齊樂華;伊浩;羅俊;張代聰;楊方
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B22F3/115
• 分類號: B22F3/115
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種熱沉的制造方法，特別是涉及一種大長徑比結構微型金屬熱沉的制造方法。

背景技術

隨著電子器件的高頻化、集成化和高功率化的發展，單位體積電子器件的發熱量和熱流密度大幅度地增加，對電子器件微域散熱冷卻系統提出了更高的要求。大長徑比結構是指長度與橫截面等效直徑的比值較大的柱狀結構，其具有較大的比表面積。由于大長徑比結構的微型金屬熱沉可以有效增大散熱面積，在空間飛行器天線、戰機雷達和聚光太陽能電池等系統中的高能量密度微域強化換熱方面有著重要的應用。然而，由于受到重量和空間的雙重約束限制，此類金屬熱沉對現有的制造方法提出了挑戰。

常規的金屬熱沉加工方法包括高速數控銑削、鑄造、粉末冶金和電火花加工等。高速銑削加工此類金屬微小結構件時，存在材料粘附性強、薄壁金屬微小結構易變形等問題；鑄造和粉末冶金工藝受制于模具形狀，很難成型出薄壁、弱剛度的金屬微小結構；電花火加工雖常被用于制造精細的薄壁金屬結構，但細微的電火花電極制作困難且極易損耗，故加工的翅片、薄壁尺寸不宜過小。

文獻“Studies?of?microstructures?made?of?Zn–Al?alloys?using?microcasting.The?International?Journal?of?Advanced?Manufacturing?Technology,2010,46(1-4):173-178”公開了一種制備大長徑比金屬微小結構的方法，通過首先制備出大長徑比結構的石膏模具，然后運用離心鑄造的方式對模具腔體進行合金熔液的澆注，最后再脫除石膏模具部分，從而制備出具有較大長徑比結構的6根Zn-4％Al合金圓柱。然而，該制造方法工序繁瑣，其模具制作困難且無重復使用性，對材料流動性要求較高，并且制備出的微小結構相對簡單，只能采用同一種材料，制造柔性較差。

中國發明專利“CN200510130503.1”公開了一種熱沉的制造方法，通過先將液態金屬灌入熱沉基座模具內，然后再將金屬柱狀散熱片植入模具內的液態金屬，最后待液態金屬冷卻并固定金屬柱狀散熱片后形成熱沉，這為制備大長徑比結構微型熱沉提供了一條新途徑。然而，該制造方法工序也較繁瑣，需要預先制備熱沉基座模具和柱狀散熱片結構，并較難成型具有曲面結構的熱沉基座，且在成型中仍需保證基座金屬材料熔點不高于柱狀散熱片的金屬材料，否則在植入散熱片過程中可能會導致柱狀散熱片材料的受熱熔化，進而影響其成型質量。

發明內容

為了克服現有熱沉的制造方法實用性差的不足，本發明提供一種大長徑比結構微型金屬熱沉的制造方法。該方法通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴中噴射出來，并基于離散堆積原理，以微米級的金屬微熔滴為制造單元，通過控制金屬微滴的堆積軌跡，進行逐點、逐層堆積，直至成型出微小零件。該制造方法工序簡單，無需模具的制備，對熱沉基座結構、散熱片結構和成型材料皆無過多限制，可以制備出不同材質的大長徑比結構微型熱沉。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種大長徑比結構微型金屬熱沉的制造方法，其特點是采用以下步驟：

步驟一、選擇金屬或者合金材料作為成型制件的原材料，采用物理與化學方法相結合的方式去除金屬表面氧化皮及雜質，并將其放入坩堝8中，然后對工作環境真空室14進行密封處理；

步驟二、啟動工作環境除氧/水控制子系統，通過真空泵1對真空室14進行抽真空后再通入惰性氣體Ar，使得真空室14內的壓強與外界大氣壓保持一致，經過2～4h的除氧處理后，使用氧含量檢測儀19與水含量檢測儀20對真空室14內的氧/水含量進行檢測，確保真空室14內的氧含量與水含量均降低至1PPM以下；

步驟三、啟動加熱控制子系統，并根據步驟一中選取的具體成型原材料，設定可控感應加熱器9的加熱溫度，使得可控感應加熱器9逐步將坩堝8加熱到金屬材料液相線以上100～150℃，進而確保坩堝8內是熔融態金屬原材料7；

步驟四、啟動微熔滴噴射控制子系統，將信號發生器18產生的方波信號輸入到氣路三通管5輸入端的電磁繼電器4上，通過電磁繼電器4的開閉控制氣路的實時通斷，再調節輸入方波信號的頻率和脈寬、入口處氣壓值和噴嘴尺寸的工藝參數，確保每次噴射出的金屬微熔滴尺寸穩定、均勻、可控；

步驟五、運用計算機16中的CAD軟件建立目標成型熱沉結構的三維模型，將其保存為STL格式文件，并將STL文件導入指定的切片處理軟件，對三維模型進行二維切片圖形數據處理，得出每一層的金屬微熔滴噴射堆積路徑數據；