[发明专利]大长径比结构微型金属热沉的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热沉的制造方法，特别是涉及一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法。

背景技术

随着电子器件的高频化、集成化和高功率化的发展，单位体积电子器件的发热量和热流密度大幅度地增加，对电子器件微域散热冷却系统提出了更高的要求。大长径比结构是指长度与横截面等效直径的比值较大的柱状结构，其具有较大的比表面积。由于大长径比结构的微型金属热沉可以有效增大散热面积，在空间飞行器天线、战机雷达和聚光太阳能电池等系统中的高能量密度微域强化换热方面有着重要的应用。然而，由于受到重量和空间的双重约束限制，此类金属热沉对现有的制造方法提出了挑战。

常规的金属热沉加工方法包括高速数控铣削、铸造、粉末冶金和电火花加工等。高速铣削加工此类金属微小结构件时，存在材料粘附性强、薄壁金属微小结构易变形等问题；铸造和粉末冶金工艺受制于模具形状，很难成型出薄壁、弱刚度的金属微小结构；电花火加工虽常被用于制造精细的薄壁金属结构，但细微的电火花电极制作困难且极易损耗，故加工的翅片、薄壁尺寸不宜过小。

文献“Studies of microstructures made of Zn–Al alloys using microcasting.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,46(1-4):173-178”公开了一种制备大长径比金属微小结构的方法，通过首先制备出大长径比结构的石膏模具，然后运用离心铸造的方式对模具腔体进行合金熔液的浇注，最后再脱除石膏模具部分，从而制备出具有较大长径比结构的6根Zn-4％Al合金圆柱。然而，该制造方法工序繁琐，其模具制作困难且无重复使用性，对材料流动性要求较高，并且制备出的微小结构相对简单，只能采用同一种材料，制造柔性较差。

中国发明专利“CN200510130503.1”公开了一种热沉的制造方法，通过先将液态金属灌入热沉基座模具内，然后再将金属柱状散热片植入模具内的液态金属，最后待液态金属冷却并固定金属柱状散热片后形成热沉，这为制备大长径比结构微型热沉提供了一条新途径。然而，该制造方法工序也较繁琐，需要预先制备热沉基座模具和柱状散热片结构，并较难成型具有曲面结构的热沉基座，且在成型中仍需保证基座金属材料熔点不高于柱状散热片的金属材料，否则在植入散热片过程中可能会导致柱状散热片材料的受热熔化，进而影响其成型质量。

发明内容

为了克服现有热沉的制造方法实用性差的不足，本发明提供一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法。该方法通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴中喷射出来，并基于离散堆积原理，以微米级的金属微熔滴为制造单元，通过控制金属微滴的堆积轨迹，进行逐点、逐层堆积，直至成型出微小零件。该制造方法工序简单，无需模具的制备，对热沉基座结构、散热片结构和成型材料皆无过多限制，可以制备出不同材质的大长径比结构微型热沉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大长径比结构微型金属热沉的制造方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、选择金属或者合金材料作为成型制件的原材料，采用物理与化学方法相结合的方式去除金属表面氧化皮及杂质，并将其放入坩埚8中，然后对工作环境真空室14进行密封处理；

步骤二、启动工作环境除氧/水控制子系统，通过真空泵1对真空室14进行抽真空后再通入惰性气体Ar，使得真空室14内的压强与外界大气压保持一致，经过2～4h的除氧处理后，使用氧含量检测仪19与水含量检测仪20对真空室14内的氧/水含量进行检测，确保真空室14内的氧含量与水含量均降低至1PPM以下；

步骤三、启动加热控制子系统，并根据步骤一中选取的具体成型原材料，设定可控感应加热器9的加热温度，使得可控感应加热器9逐步将坩埚8加热到金属材料液相线以上100～150℃，进而确保坩埚8内是熔融态金属原材料7；

步骤四、启动微熔滴喷射控制子系统，将信号发生器18产生的方波信号输入到气路三通管5输入端的电磁继电器4上，通过电磁继电器4的开闭控制气路的实时通断，再调节输入方波信号的频率和脉宽、入口处气压值和喷嘴尺寸的工艺参数，确保每次喷射出的金属微熔滴尺寸稳定、均匀、可控；

步骤五、运用计算机16中的CAD软件建立目标成型热沉结构的三维模型，将其保存为STL格式文件，并将STL文件导入指定的切片处理软件，对三维模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的金属微熔滴喷射堆积路径数据；