科研进展 | 极端条件下的高性能均热板与微流道散热技术研究取得突破

发布时间：

2024-06-17

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近日，北京大学南昌创新研究院（以下简称“北大南昌院”）精密增材制造技术联合实验室（以下简称“联合实验室”）在项目研究中取得突破。北大南昌院基于3D打印技术研发的超薄不锈钢均热板和超薄柔性均热板，最大传热功率较市场竞品提升50%~100%。在微通道散热技术领域，联合实验室采用陶瓷3D打印技术一体化制备出陶瓷微通道散热器，其热阻相较竞品降低15%；同时制备的硅基微通道散热器，散热能力提升将近一倍。目前联合实验室在散热技术研究取得的重要突破，能有效解决半导体功率器件封装存在的热流密度过大及热应力集中问题，为电子产品的正常运行“保驾护航”，为产品研发进程注入新的动力。

项目介绍

增材制造技术，又被称为革命性的3D打印技术，正持续不断地为制造业领域注入新的活力及无穷的创新潜能。该技术突破了复杂三维微米结构的制造瓶颈，以其独特的一体化成型优势、高效的加工速度及较低的制作成本，深入到航空航天、医疗植入、汽车制造及消费品生产等多个行业。

在5G通信技术飞速发展的时代背景下，电子设备向智能化、轻薄化、多功能化及可折叠化方向发展，其高热流密度散热是个亟待解决的问题。北京大学南昌创新研究院联合重庆摩方精密科技股份有限公司以及江西铜业研究院成立“精密增材制造技术联合实验室”，采用高精度3D打印技术，致力于极端环境下的热管理技术及高性能散热器的研究开发。目前联合实验室配备了世界上先进的高精密光固化3D打印设备，如图1所示，其中microArch S230/S240打印设备均采用PμSL（面投影微立体光刻）技术，可分别实现2μm/10μm的高精度微尺度3D打印。同时联合实验室正开展高性能超薄均热板、超薄柔性均热板、陶瓷微通道散热器、硅基微通道散热器、硅基均热板及陶瓷均热板的研制，产品可广泛运用于5G微型基站、便携式移动设备及相控雷达等领域。除此之外，联合实验室还在积极探索利用3D打印技术研制微流控芯片，以实现高均一性、高通量载药微球的制备。

▲图1 超高精密3D打印机

应用前景

均热板在电子设备，如数据中心服务器、高性能计算系统、电动汽车电池管理系统及5G智能手机等，应用前景非常广阔。超薄/柔性均热板具有超薄、柔性及高效散热的特点，在国内智能手机领域有43亿元市场规模。目前联合实验室正致力于高性能超薄/柔性均热板技术创新性研发，追求打造更薄、更轻且传热性能更好的产品，如图2-3所示。同时也正在积极研制硅基及陶瓷均热板，如图4所示，旨在扩展均热板产品系列，以满足多样化的市场需求。研发团队采用了先进的3D打印技术，精确控制吸液芯与支撑柱多孔管芯结构的一体成型。这种创新设计确保了吸液芯的卓越散热效果，能大幅度提升了产品的散热性能。同时还引入了表面金属化处理，不仅确保产品具有出色的稳定性，还赋予了产品抗老化、耐腐蚀等显著特点。通过这一系列的技术革新及设计优化，联合实验室致力于引领行业潮流，为客户提供更优质、更前沿的产品和服务。

▲图2 超薄均热板

▲图3 超薄柔性均热板

▲图4 硅基均热板和陶瓷均热板

微通道散热器因其卓越的热管理性能，在相控阵雷达系统中得到广泛应用，尤其在军事、航空和航天领域展现出巨大潜力。据前瞻产业研究院的报告预测，该市场规模有望在2025年增长到67亿元人民币。目前联合实验室正研制的微通道散热器，如图5所示，基底采用易与芯片集成的硅片与陶瓷材料，具备高效散热、制备工艺简单、低流动阻力、流量分配均匀及耐腐蚀等特点。所研制的微通道散热器，针对高功率密度电子设备日益增长的散热需求，能有效解决芯片封装时由于温度差导致芯片脱焊、热应力集中等问题，为电子设备和系统提供持久稳定的散热保障。

▲图5 陶瓷微通道散热器和硅基微通道散热器

微流控芯片技术通过在微小尺度上精确控制流体流动，为医学、化学及生物学等领域的研究应用提供了强大的支持，预计市场规模(2024)达79.5亿美元。目前联合实验室研发的微流控制备微球技术，实现了多流道的集成与一体化成型，如图6所示，流道结构精细且独特，最小流道宽度达到了惊人的30μm。同时可实现微流控芯片批量化及定制化生产，能显著降低微球制备的成本并提高微球的生产效率。