材料挤出 3D 打印片上打印 CNT/Si散热器的射频辅助固化工艺

供稿人：张海天
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

随着高功率集成电子设备的快速发展，人们开发了许多基于聚合物的热管理器件来解决过热问题并提高电子设备的可靠性和寿命。在这里，我们演示了直接将碳纳米管 (CNT)/硅树脂散热器材料挤出 3D 打印到电子设备上。碳纳米管被用作导电纳米填料和流变改性剂，分别提高导热性和导电性以及有机硅油墨的可印刷性。此外，碳纳米管也是射频 (RF) 感受器，因此将碳纳米管集成到有机硅基质中，可以通过应用射频加热实现快速炉外固化。

通过使用 DIW 3D 打印和射频辅助固化工艺制造了 CNT/硅胶散热器。采用碳纳米管作为纳米填料，研究碳纳米管/有机硅复合油墨配方及其印刷结构对导电性和导热性以及可印刷性的影响。实验表明：在 CNT 负载量为 14 wt% 时，CNT/硅树脂散热器有着较为优秀的高热性能和电性能，并具有良好的成型能力。

图 1 不同 CNT 负载量下 CNT/有机硅墨水的双对数图。 (a) 表观粘度随剪切速率变化(b) 剪切储能模量和损耗模量随剪切应力变化 (c) 不同 CNT 负载量印刷的 CNT/Si试样

此外，利用单板计算机对印制散热器的实际应用性能进行了评估，由于碳纳米管/硅树脂散热器可以直接印刷并固化到连接到电路板的芯片上，可以简化热界面材料的使用和散热器组装步骤，同时减少芯片和散热器之间的热界面数量。实验数据表明，该散热器在简化装配工艺的同时，散热性与现有商用铝制散热器保持一致。

图 2 安装在 Raspberry pi 板的 CPU 芯片上的散热器：(a) 片上印刷的 CNT/硅胶散热器 (b) 小型印刷床上印刷的 CNT/硅胶散热器 (c) 大型印刷床上印刷的 CNT/硅胶散热器 (d)商用铝散热器。 CPU 使用率在 5% 和 97% 时的 CPU 芯片温度：(e) 温度随时间的变化 (f) 测试期间最后 100 秒的平均温度和最高温度

综上所述，材料挤出 3D 打印与射频辅助固化相结合具有制造高性能聚合物散热器的能力，并且其兼具高效与低能耗的优势，有潜力成为现代电子领域高性能聚合物散热器生产的主流方式。

参考文献：
Thang Q. Tran, Anubhav Sarmah, Ethan M. Harkin, Smita Shivraj Dasari, Kailash Arole, Matthew J. Cupich, Aniela J.K. Wright, Hang Li Seet, Sharon Mui Ling Nai, Micah J. Green, Radio frequency-assisted curing of on-chip printed CNT/silicone heatsinks produced by material extrusion 3D printing, Additive Manufacturing. 78 (2023), 103842.