交叉支撑结构均热片之研制1033010413德霖技术学院.doc

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交叉支撑结构均热片之研制1033010413德霖技术学院

冠宇拉鍊股份有限公司與技術學院 計畫編號:德研(機械)103計畫類別:(  民國103年 月 日起至民國 10年1月日 合作廠商:冠宇拉鍊股份有限公司 計畫主持人:廖顯大講師 本成果報告包括以下附件: █結案報告一式二份:頁中 華 民 國 10年 月 日60W時,均熱片系統熱阻為0.311℃/ W,與紅銅片比較,熱源溫度降低3.9℃,系統熱阻降低22%。 關鍵詞:均熱片、散熱鰭片、系統熱阻 1.前言 隨著資訊、通信與光電產業的快速發展,電子產品逐漸走向高性能、高頻率、高速度與輕薄化的方向演進,且電子產品邁向次微米技術的過程中,晶片的空間被壓縮得更小更窄,相對的單位體積散發出來的熱量也以等比級數提高,造成電子元件的發熱密度越來越高,因此,電子產品之散熱可說是當前電子相關業者決定其產品穩定性的重要要素。以 Intel PC CPU 為例[1],熱能在10年間提高5倍。不幸的是近兩年PC的傳統散熱組件,一直追趕不上CPU 體積變小,功率加大的熱能。尤其CPU及VGA功率達75W以上時,散熱組件供應廠除了在加大風扇尺寸、加快轉速外,也祇能在鰭片設計上加大面積與增加鰭片數量,但熱流非常現實,會往阻力最小處竄流,常有CPU上方散熱模組可將熱趨散,但CPU底部PCB(Printed Circuit Board)卻因熱而變形的困境發生。 半導體製程技術的進步,晶片的導線數一直在增加,為了要容納這些導線,封裝後之面積常是晶片面積(die area)的數倍。因此封裝表面的熱通量並非均勻的分佈,容易形成熱點(hot spot),繼而因熱應力不均而導致晶片損壞,因此改善微處理器散熱的另一途徑則是從封裝內部的熱傳導特性著手。如何迅速有效的將熱量從晶片表面導出,避免熱量的集中,成為目前研發高性能晶片散熱問題的當務之急。均熱片(heat spreader)的作用即在有效消除熱點。將晶片熱源均勻擴散於封裝表面上,再傳給與其接觸的散熱鰭片。目前最先進的均熱片為微熱管型均熱片,利用管內工作流體產生相變化時所需的潛熱,可以傳遞極高的熱量,進一步達到均溫的效果。 綜觀蒸汽腔體蒸汽腔體蒸汽腔體2. 設計與製程 本文的研究目的則延續應用熱管的作動原理和優點,以及液汽分離的設計構想[2][3],以中央交叉支撐結構為液汽分離的隔板與腔體支撐的結構,其作動方式如圖一所示,預期將可有效的改善蒸汽流與液流界面因剪應力所造成的飛散界限,增加熱管最大熱輸送量。進一步以高熱傳導係數的金屬銅作為結構材料,製作出一新型均熱片。在製程上使用治具將銅空心圓管壓扁作為主要腔體,再利用線切割加工做出中央支撐的交叉結構,完成後使用治具將腔體、銅網與交叉支撐結構壓緊使其貼合,再用高溫錫焊封住兩端開口完成接合,最後進行工作流體充填、脫氣與封裝的動作以利後來的測試。 2-1 腔體設計與加工 蒸汽腔體用銅材質的銅,銅銅銅銅腔體銅銅腔體D.I. Water),充填量取決於均熱片腔體內毛細管構造容量的大小與蒸汽流道蒸汽的容積,經計算之後均熱片之充填量為 0.51c.c.。實驗中將已注入工作流體之均熱片夾持在機台上,開始抽真空至1×10-3 torr ;完成抽真空後,夾持模具以夾持力為50公斤將均熱片充填管夾扁,之後將上方剪斷並做焊接完成均熱片作業程序,如圖六所示。最後再將有充填管部分用腔體腔體3. 測試結果 測試前先將均熱片上下表面加工拋光,然後在發熱銅塊表面及散熱鰭片接觸面的部分塗上Shin Etsu x-23-7762高熱傳導係數的導熱膏,接著才將交叉結構均熱片中央的蒸發端位置正對發熱源貼上,交叉結構均熱片冷凝端貼上散熱鰭片與風扇,整體測試系統如圖八所示。接下來利用扣具將散熱鰭片與風扇固定在交叉結構均熱片上,並將環境溫度控制在23±1℃,環境溫度( Ta )的量測位置則在距離風扇入口上方3 cm處。接著每隔10W透過數據擷取機擷取一次資料,從 10W測到130W為止。每一個加熱功率都需要15分鐘後達到穩態,穩態後擷取量測值T1、T2、T3 、T4、Theater一組,每一加熱功率測量完畢便變更至另一個加熱功率,重複相同測量的過程。計算在每個加熱功率下量的T1、T2、T3 、T4、Theater值,計算出Rsystem與Rhs值,作為結果討論。如圖九~圖十三所示。 計算式如下: Rsystem=(Theater - Ta)/Q (1) Rhs = (Theater - (T1+ T2+ T3+ T4) /4)/Q (2) Rsystem : 系統熱阻 Rhs : 均熱片熱阻 Theater : 發熱源溫度 T1、T2、 T3、 T4 : 四邊表面的溫度 由圖九中顯示無結構之銅片與交叉結構

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