随著积体电路製造技术及单体功能的不断提升,以及使用者对於通讯影音產品功能的需求日增,高功率、小体积之电子或电脑元件已成为目前电路设计及製造的趋势。由於电子產品藉由电能损益所散失的能量多以热能的型态转换发散,不良的散热设计即成为其失效及损害的主要因素。根据统计,工件工作温度每增加10℃,其MTBF(Mean time between failures)值就会缩短一半。因此,为改善电子元件之稳定性及寿命,散热设计成为电子元件製造业愈来愈重视的问题。

    在电子装置的应用领域中,构装电子元件冷却技术的相关研究及发展,传统上是以散热片模组的设计利用自然对流(Natural convection)或强制对流(Forced convection)的手段为主[1-4]。於是,有研究者针对散热模组中的风扇结构进行实验及理论分析[5-7]。近年来,由於高功率电子元件发展迅速,利用循环水冷散热,或是应用相变化之高焓差所製成的热管(Heat pipe)、均热片(Heat spreader)、及Vapor chamber等方法,逐渐引起產业界重视并积极投入人力研究[8-12]。
    对於目前的桌上型电脑的CPU而言,铝或铜製散热片结合风扇之散热模组设计确是必备的散热技术。不过,随著笔记型电脑的发展及桌上型电脑CPU发热量的增加,目前的散热模组技术势将无法满足散热之需求,有必要开发新式的散热模组以因应未来之挑战。而在不同的散热方法中,热管因具有极高热传导率,故被视为是一个相当有潜力的传热元件。此乃由於热管内部的饱和液-汽相变化机制,故使得热管的传热能力是同样尺寸铜金属的数十倍以上。利用热管作为热的传递元件时,具有反应迅速及热阻小之优点。因此,配合热管或其衍生產品所发展出的各型高性能散热模组,已逐渐被用於解决新一代电子產品中的散热问题。
    热管最初的发展乃应用於太空技术。当系统处於太空中无重力之环境时,工作流体返回加热部无法依赖重力的作用,故必须利用毛细作用将液体送回。流体返回过程中不需从外部提供额外的电力,且因热管中央为中空的状态,整体的质量非常轻。热管不耗电且重量轻的特色,是应用於太空技术的主要理由。1966年,美国RCA公司首先将热管商品化,从此热管才广泛地应用於一般工业技术。目前,从事微热管研究的单位及製造的厂商,大多集中在美国、欧洲及日本。。国内从事研究的单位则包括台大、工研院能资所、清大、淡江、北科大、成大等。
    大多数微热管的毛细结构均为沟槽或网目所组成的,早期仅Thermacore(USA)从事烧结式微热管的製造。Dunn和Ready[13]曾对各种常用的毛细结构进行比较,发现烧结式(Sintered)微热管的毛细力(热管工作的趋动力)比网目及沟槽大,而热阻则介於沟槽与网目之间。因此,烧结式微热管可以兼顾高热传量与低热阻的考量。由於烧结式微热管具有上述高热传量与低热阻的优点,应用在实际笔记型电脑的散热时,尤其具有显著的竞争力。
    1994年,日本的Furukawa公司,正式将热管技术应用笔记型电脑中解决散热问题。其所发展的结合金属板与单一热管而成的散热模组,至今已经被广泛採用於许多可携式的电子產品中。1998年,Namba[14]则採用多重并联的热管模组配合风扇藉以提升整体散热性能。时至今日,多重併联与将大直径的热管稍微压扁后再结合於设计散热模组中是目前工业界提昇热管模组热传量的主要作法。同年,Zuo与Dussinger[15]提出HPVCCP(Heat pipe vapor chamber cold plates)的散热模组概念,藉由二维数学模型发现其毛细界限与热阻值之间的相互关係,并将实际模组製造出来,以实验的方式比对理论数据。Thermacore公司则以数值模拟方式,在75W发热功率下对固定几何尺寸进行探讨。其报告中指出,若在相同尺寸下比较,蒸汽式散热模组(Vapor thema-base)的热阻可降至传统铝挤型散热器的56﹪左右。Yusuf等[16]於2000年时,将其设计的散热模组原型以风洞测试平臺进行试验,发现藉由调整蒸汽式散热模组几何尺寸与冷却风量大小,能使蒸汽式散热模组的热阻值下降至0.4~0.2℃/W。
    有鑑於热管式及蒸汽式散热模组之应用潜力,本研究室拟建立相关散热模组的设计、製造与性能测试的相关先导性技术。探讨逆向热传实验方法应用於量测自製烧结铜层的孔隙率(Porosity)、渗透率(Permeability)、热容量(Thermal capacity)、及等效热传导係数(Effective thermal conductivity)等物性,藉以评估烧结铜层之品质。
    传统烧结材料之等效热传係数量测技术[8-11,17]多属稳态测试(Steady test)。此法皆需针对大尺寸之方块型或圆柱型之烧结样品进行量测,且费时较久。此外,烧结结构係为焊连於铜板上之薄层构造[如图(一)所示,约 1mm厚],并非大尺寸之方块型或圆柱型之样品,故传统稳态测试法并不适用。实际上,现有量测方法中,亦无可用於薄层状烧结铜层之物性量测法,极有必要发展专用之实验技术。因此,本研究拟利用逆向理论(Inverse method),藉由量测烧结铜层外表面特定点温度值来同时估算其内部毛细结构层之等效热传係数和热容量。逆向理论(Inverse method)应用於量测材料等效热传係数或热容量已发展近十餘年[18,19]。本研究室近年积极从事逆向热传研究,已发表8篇相关国际论文(例如参考文献[20-22]),并提出可同时预测等效热传係数、热容量、及对流係数之最佳化计算程序[23]。本研究重点在於应用逆向热传法则建立量测烧结层物性的技术,并组装一套完整的实验量测系统。由於本法係属暂态测试技巧,所需时间较短,且专用於薄层材料,故可用於準确量测不同孔隙率之烧结铜层的热物性,所得成果有助於热管式散热模组之性能确保及提升。
 

 

 

 

图(一)暂态式逆向法量测烧结铜层之热传导係数之概念及其边界条件设定
[来源:来自网络] [作者:不详] [日期:08-11-27] [热度:]

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