Laser Powder Bed Fusion of Multi-Material Heat Sink on Silicon Substrate: A Sn-Al Solution for High-Power Electronic Heat Dissipation

材料科学 散热片 复合材料 微观结构 融合 激光器 热的 温度循环 脆性 金属间化合物 冶金 图层(电子) 基质(水族馆) 分层(地质) 焊接 碳化硅 惯性约束聚变 传热 蓝宝石 工作(物理) 金属陶瓷 钎焊 热流密度 钛合金 保险丝(电气) 电子设备和系统的热管理
作者
Andrea Mistrini,Amin Hodaei,Martina Meisnar,Davoud Jafari,Riccardo Casati
标识
DOI:10.1109/therminic65879.2025.11216960
摘要

Efficient thermal management is critical in modern high-power electronics, particularly for aerospace applications where compactness and reliability are essential. This work presents a multi-material thermal solution fabricated via Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), consisting of a SnAg3 thermal interface material and high-aspect-ratio AlSi10Mg pillar heat sinks directly printed on silicon wafers. Process parameters were optimized to ensure strong metallurgical anchoring while avoiding thermal damage to the brittle substrate. The SnAg3 layer exhibited a$\beta$-Sn matrix with finely distributed$\text{A g}_{3} \text{S n}$intermetallics and$\text{S i}$inclusions resulting from controlled substrate remelting. AlSi10Mg pillars with 0.5 mm diameter reached up to 99.4% relative density, showing a fine cellular-dendritic microstructure and no delamination at the$\text{Sn}-\text{Al}$interface. Moreover, thermal cycling from −70° C to +130° C confirmed interface stability. This approach demonstrates the feasibility of directly integrating TIM and heat sinks on silicon, paving the way for compact, additively manufactured thermal architectures in advanced electronics.
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