熱管燒結銅層的物性量測

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原文:   熱管燒結銅層的物性量測

 隨著積體電路製造技術及單體功能的不斷提升，以及使用者對於通訊影音產品功能的需求日增，高功率、小體積之電子或電腦元件已成為目前電路設計及製造的趨勢。由於電子產品藉由電能損益所散失的能量多以熱能的型態轉換發散，不良的散熱設計即成為其失效及損害的主要因素。根據統計，工件工作溫度每增加10℃，其MTBF(Mean time between failures)值就會縮短一半。因此，為改善電子元件之穩定性及壽命，散熱設計成為電子元件製造業愈來愈重視的問題。

在電子裝置的應用領域中，構裝電子元件冷卻技術的相關研究及發展，傳統上是以散熱片模組的設計利用自然對流(Natural convection)或強制對流(Forced convection)的手段為主[1-4]。於是，有研究者針對散熱模組中的風扇結構進行實驗及理論分析[5-7]。近年來，由於高功率電子元件發展迅速，利用循環水冷散熱，或是應用相變化之高焓差所製成的熱管(Heat pipe)、均熱片(Heat spreader)、及Vapor chamber等方法，逐漸引起產業界重視並積極投入人力研究[8-12]。

對於目前的桌上型電腦的CPU而言，鋁或銅製散熱片結合風扇之散熱模組設計確是必備的散熱技術。不過，隨著筆記型電腦的發展及桌上型電腦CPU發熱量的增加，目前的散熱模組技術勢將無法滿足散熱之需求，有必要開發新式的散熱模組以因應未來之挑戰。而在不同的散熱方法中，熱管因具有極高熱傳導率，故被視為是一個相當有潛力的傳熱元件。此乃由於熱管內部的飽和液-汽相變化機制，故使得熱管的傳熱能力是同樣尺寸銅金屬的數十倍以上。利用熱管作為熱的傳遞元件時，具有反應迅速及熱阻小之優點。因此，配合熱管或其衍生產品所發展出的各型高性能散熱模組，已逐漸被用於解決新一代電子產品中的散熱問題。

熱管最初的發展乃應用於太空技術。當系統處於太空中無重力之環境時，工作流體返回加熱部無法依賴重力的作用，故必須利用毛細作用將液體送回。流體返回過程中不需從外部提供額外的電力，且因熱管中央為中空的狀態，整體的質量非常輕。熱管不耗電且重量輕的特色，是應用於太空技術的主要理由。1966年，美國RCA公司首先將熱管商品化，從此熱管才廣泛地應用於一般工業技術。目前，從事微熱管研究的單位及製造的廠商，大多集中在美國、歐洲及日本。國內從事研究的單位則包括台大、工研院能資所、清大、淡江、北科大、成大等。

大多數微熱管的毛細結構均為溝槽或網目所組成的，早期僅Thermacore(USA)從事燒結式微熱管的製造。Dunn和Ready[13]曾對各種常用的毛細結構進行比較，發現燒結式(Sintered)微熱管的毛細力(熱管工作的趨動力)比網目及溝槽大，而熱阻則介於溝槽與網目之間。因此，燒結式微熱管可以兼顧高熱傳量與低熱阻的考量。由於燒結式微熱管具有上述高熱傳量與低熱阻的優點，應用在實際筆記型電腦的散熱時，尤其具有顯著的競爭力。

1994年，日本的Furukawa公司，正式將熱管技術應用筆記型電腦中解決散熱問題。其所發展的結合金屬板與單一熱管而成的散熱模組，至今已經被廣泛採用於許多可攜式的電子產品中。1998年，Namba[14]則採用多重並聯的熱管模組配合風扇藉以提升整體散熱性能。時至今日，多重併聯與將大直徑的熱管稍微壓扁後再結合於設計散熱模組中是目前工業界提昇熱管模組熱傳量的主要作法。同年，Zuo與Dussinger[15]提出HPVCCP(Heat pipe vapor chamber cold plates)的散熱模組概念，藉由二維數學模型發現其毛細界限與熱阻值之間的相互關係，並將實際模組製造出來，以實驗的方式比對理論數據。Thermacore公司則以數值模擬方式，在75W發熱功率下對固定幾何尺寸進行探討。其報告中指出，若在相同尺寸下比較，蒸汽式散熱模組(Vapor thema-base)的熱阻可降至傳統鋁擠型散熱器的56﹪左右。Yusuf等[16]於2000年時，將其設計的散熱模組原型以風洞測試平臺進行試驗，發現藉由調整蒸汽式散熱模組幾何尺寸與冷卻風量大小，能使蒸汽式散熱模組的熱阻值下降至0.4～0.2℃/W。

有鑑於熱管式及蒸汽式散熱模組之應用潛力，本研究室擬建立相關散熱模組的設計、製造與性能測試的相關先導性技術。探討逆向熱傳實驗方法應用於量測自製燒結銅層的孔隙率(Porosity)、滲透率(Permeability)、熱容量(Thermal capacity)、及等效熱傳導係數(Effective thermal conductivity)等物性，藉以評估燒結銅層之品質。

傳統燒結材料之等效熱傳係數量測技術[8-11,17]多屬穩態測試(Steady test)。此法皆需針對大尺寸之方塊型或圓柱型之燒結樣品進行量測，且費時較久。此外，燒結結構係為焊連於銅板上之薄層構造[如圖(一)所示，約 1mm厚]，並非大尺寸之方塊型或圓柱型之樣品，故傳統穩態測試法並不適用。實際上，現有量測方法中，亦無可用於薄層狀燒結銅層之物性量測法，極有必要發展專用之實驗技術。因此，本研究擬利用逆向理論(Inverse method)，藉由量測燒結銅層外表面特定點溫度值來同時估算其內部毛細結構層之等效熱傳係數和熱容量。逆向理論(Inverse method)應用於量測材料等效熱傳係數或熱容量已發展近十餘年[18,19]。本研究室近年積極從事逆向熱傳研究，已發表8篇相關國際論文(例如參考文獻[20-22])，並提出可同時預測等效熱傳係數、熱容量、及對流係數之最佳化計算程序[23]。本研究重點在於應用逆向熱傳法則建立量測燒結層物性的技術，並組裝一套完整的實驗量測系統。由於本法係屬暫態測試技巧，所需時間較短，且專用於薄層材料，故可用於準確量測不同孔隙率之燒結銅層的熱物性，所得成果有助於熱管式散熱模組之性能確保及提升。

  

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