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機電 4A 王薪豪 497370139 機電 4B 張哲睿 497370147

熱控組. 機電 4A 王薪豪 497370139 機電 4B 張哲睿 497370147. 熱管散熱模組效能之探討. 1-1 研究背景. 近年來由於半導體製程以及電子封裝技術的進步，晶片的運作速度與性能大幅提升，但也使晶片在運作時的熱耗增加。 電子元件故障時， 55% 來自溫度因素 1963 年， Grover 提出專利，充分利用熱傳導原理與致冷介質快速熱傳遞性質，藉由內部流體經相變化吸收潛熱，並透過蒸氣流迅速的將熱能帶離熱源區. 個人電腦而言，常見的散熱處理模式： 附加 散熱片 於發熱電子元件表面上 結合散熱片與風扇 熱電冷卻 ( 俗稱致冷片 )

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機電 4A 王薪豪 497370139 機電 4B 張哲睿 497370147

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  1. 熱控組 機電4A 王薪豪497370139機電4B 張哲睿497370147

  2. 熱管散熱模組效能之探討

  3. 1-1研究背景 • 近年來由於半導體製程以及電子封裝技術的進步，晶片的運作速度與性能大幅提升，但也使晶片在運作時的熱耗增加。 • 電子元件故障時，55%來自溫度因素 • 1963年，Grover提出專利，充分利用熱傳導原理與致冷介質快速熱傳遞性質，藉由內部流體經相變化吸收潛熱，並透過蒸氣流迅速的將熱能帶離熱源區

  4. 個人電腦而言，常見的散熱處理模式：附加散熱片於發熱電子元件表面上結合散熱片與風扇熱電冷卻(俗稱致冷片)個人電腦而言，常見的散熱處理模式：附加散熱片於發熱電子元件表面上結合散熱片與風扇熱電冷卻(俗稱致冷片) • 隨著製程技術的進步，導致晶片上單位熱通量的增加，因此需另尋其他更有效且符合現今筆電所要求的散熱方法 • 熱管就是在此種需求下，而被應用在筆記型電腦上，以求有效的解決散熱問題

  5. 1-2研究動機 • 熱管應用於筆記型電腦：Heat pipe with spreader plate：熱管將熱由處理器導出再傳送至一散熱平板並藉由自然對流達到散熱的目的Hinged heat pipe system：熱透過熱管由熱源傳至hinge connector，再透過第二根熱管鋁散熱平板Remote heat exchanger system：熱管連接處理器上的鋁塊，另一端嵌入鋁散熱平板中，利用風扇作強制對流

  6. 熱阻變化

  7. 由圖表得知，以第三種最為有效 • 另外，半導體技術增加，使得晶片越來越小，造成單位熱通量增大，接觸熱阻也跟著增加 • P.S.單位熱通量：單位面積、單位時間所 流過的熱量(J/m²)使接觸熱阻增加的原因：表面粗糙度增加、接觸面積變小、垂直負荷減少、表面溫度降低

  8. 在界面處充填散熱膏能有效減少接觸熱阻 • 因此，本文主要探討的是：風扇搭配熱管的效能表現散熱膏之熱導係數對散熱效益之影響不同直徑與多根熱管的差別

  9. 1-3-1熱管結構 • Moon et al.於2000年提出，由於電子元件密度提高、頻率增快、再加上筆記型電腦內的空間有限，因此需要用迷你型熱管迷你型熱管：直徑3~4mm • 測試的因素：工作流體的填充率熱管長度蒸發部與凝結部的長度傾斜的角度發熱功率

  10. 結果顯示，對3mm、4mm這種迷你型熱管而言，當工作流體的填充率為29.3%和31%時，可得到最小熱阻。而且若傾斜角在5°~-5°之間，長度在200mm~250mm之間時，3mm和4mm的熱管分別可以帶走6.8~9.5W和19.5~47.5W的熱量結果顯示，對3mm、4mm這種迷你型熱管而言，當工作流體的填充率為29.3%和31%時，可得到最小熱阻。而且若傾斜角在5°~-5°之間，長度在200mm~250mm之間時，3mm和4mm的熱管分別可以帶走6.8~9.5W和19.5~47.5W的熱量

  11. Ponnappan於2000年提出應用於迷你型平板熱管的新結構“Groove-wick”Ponnappan於2000年提出應用於迷你型平板熱管的新結構“Groove-wick” • 測驗後發現，當熱管蒸發部操作溫度為90°，並且與絕熱部的溫差為37°時，其熱通量可達115W/cm²，且蒸發部的熱傳係數為16000~22000W/cm²，凝結部的熱傳導係數為4000~14000W/cm²

  12. 1-3-2熱管應用 • Oomi et al.於1999年針對桌上型電腦使用熱管散熱模組進行研究，此散熱模組包括熱管、鋁片、散熱鰭片 • 由於目前處理器的發熱量通常在20~50W之間，使用直徑3mm的熱管不足以應付這麼大的發熱量，所以改用6mm的熱管

  13. Take與Webb開發整合型平板熱管IP-HP：在熱源與IP-HP間放一塊散熱板，目的是為了使熱源能平均分布並加大接觸面積，降低單位熱通量，減少接觸熱阻Take與Webb開發整合型平板熱管IP-HP：在熱源與IP-HP間放一塊散熱板，目的是為了使熱源能平均分布並加大接觸面積，降低單位熱通量，減少接觸熱阻 • 實驗數據顯示，當熱源尺寸為11x10mm²時，使用80x50mm²的散熱器將會比沒有使用的溫差小約43%，而整合型平板熱管之等效熱阻減少約50%

  14. 2-1工作原理 • 熱管主要由三個部分組成：密閉容器毛細管結構工作流體 • 熱導管本身是一個密閉的管狀容器，且一般為「長條管」型態，容器內裝有少許的「液體」，管的內壁運用技術處理使其具有「毛細結構」

  15. 管材的要求 管材取向包括： • 1.不能與管內的毛細管結構、工作流體產生化學作用（運作穩定性） • 2.熱傳導率要高、熱阻要低（加速散熱) • 3.不容易脆化（以防外力遭致導管斷裂) • 4.焊接時有較佳的氣密性（加速導熱、散熱) • 目前使用大部分為極高純度的無氧銅管

  16. 毛細管結構 • 現階段常見的毛細管結構 • 溝槽式 • 網目式 • 纖維式 • 燒結式 • 其中又以燒結式為佳，燒結式無論熱導管以何種方位角度放置都可無礙地進行毛細回流，其他的毛細管結構則多少仍有導管方位、角度的限制

  17. 工作流體 • 工作流體也要能與毛細結構適切搭配，流體的黏滯係數低，則毛細回流的速度快，如此可更快完成循環，可提升散熱效率 • 熱導管最常用的工作流體為水

  18. 熱管 • 熱管長度依作動領域可分：蒸發部絕熱部凝結部 • 熱管的作動原理：熱於蒸發部由外部熱源透過傳導進入，使工作流體蒸發，由於熱管兩端的蒸氣壓差使蒸氣由蒸發部經絕熱部傳到凝結部，然後放出潛熱後重新凝結為液態

  19. 2-2熱管基本理論 • 熱管工作時的五種極限值 • 在各曲線下的面積即為熱管於各作動溫度可傳送的最大熱通量。此面積的大小及形狀主要與工作流體和毛細管結構的材質有關 • 若不考慮蒸氣壓力降與重力影響，則由工作流體的性質決定

  20. 工作流體之性質可由下列四種參數組成一表示式”優點數(figure of merit)M”決定之 • M= • ：工作流體密度 • ：表面張力 • L：潛熱 • ：工作流體的黏滯係數 • P.S.M值越大代表性能越好

  21. 不同流體的優點數示意圖

  22. 在電子元件散熱方面，最大熱傳量通常由毛細管結構極限來決定在電子元件散熱方面，最大熱傳量通常由毛細管結構極限來決定 • 若輸入熱量增加，則蒸氣的流量跟液體的回流都會加大，若增加量超過毛細管結構輸送量的極限時，液體來不及回流到蒸發部，毛細管構造就會發生乾燥(dry out)甚或燒損(burn out)，此即毛細管結構極限

  23. 毛細管結構之最大毛細作用力 需大於或等於以下三種阻力：(1)液體從凝結部回流至蒸發部所造成的壓力降(2)蒸氣從蒸發部流至凝結部所造成的壓力降(3)重力位能差所造成的壓力降 ，其值可能為正、負或是零，依熱管擺置方向而定

  24. 2-2-1最大毛細壓力 • 由圓柱液面之表面張力的定義得知，位於汽液交界面的壓差為 • 如圖，且 ，r是等效半徑，而θ是接觸角。因此，蒸發部與凝結部的毛細壓差分別為：

  25. 因此，總毛細壓差為： • 當 =1及 =0時，總毛細壓差會有最大值

  26. 2-2-2工作流體由流動阻力所造成的壓力損失 • 通常由流動阻力所造成的壓力損失如黏性阻力、動量損失及重力等等 • 由於液體在熱管內的流速很慢，所以動量損失可以忽略不計 • 這節主要探討黏性阻力所造成的壓力損失

  27. 假設工作流體為不可壓縮流體，則壓力變化由Darcy’s law可得： • 是工作流體的動力黏滯係數 • 是工作流體於熱管軸向上任一點x處的質量流量 • 是熱管結構的滲透率 • 是熱管截面積 • 是工作流體的密度

  28. 2-2-3蒸氣由流動阻力所造成的壓力損失 • 蒸氣由流動阻力所造成的總壓力損失，是下面三個區域的壓力降之和：蒸發段的壓力降絕熱段的壓力降凝結段的壓力降 • 將熱管分成下面兩種情況來做討論：1.不可壓縮層流(一維簡化模式)2.不可壓縮層流(一維之Cotter理論)何謂不可壓縮層流????

  29. 一維簡化模式 • 當蒸汽流動速度小於聲速時(馬赫數<0.3)，可將蒸汽流視為不可壓縮流體 • 蒸汽壓降須符合下列兩種功能：加速蒸汽進入蒸發部，稱此為慣性項克服毛細管結構的摩擦阻力，稱為黏滯項 • 當單位面積的質流量為 時，則單位動量通量為即 = ※流功

  30. 假設現為穩定不可壓縮流體，黏滯項可由Hagen-Poiseuille方程式估算假設現為穩定不可壓縮流體，黏滯項可由Hagen-Poiseuille方程式估算 • 故蒸發部總壓力降為

  31. 同樣地，凝結部也是類似的情形，只是蒸氣流於此區域流動的方向不同，所以慣性項為負同樣地，凝結部也是類似的情形，只是蒸氣流於此區域流動的方向不同，所以慣性項為負 • 絕熱部由於無質量進出，故此區域的壓力降只有黏滯項，視流動情形有所不同

  32. 流動情形為層流： • 流動情形為紊流：

  33. 一維之Cotter理論 • 上述理論僅在完全展開層流才成立。在此小節將討論較為精準的理論模式。於圓管層流不可壓縮流穿過透孔性材質的結果

  34. 2-2-4重力位能差造成的壓力降 • 與熱管的擺置有關g：重力加速度l ：熱管長度 ：熱管擺置角度(凝結部位置高於蒸發部時為正)

  35. 2-3接觸熱阻 • 當熱通過兩材料界面時，界面對熱流產生一個明顯的阻力，即接觸熱阻。其溫度變化曲線說明如圖 • 現實中，沒有物體的表面是完全平滑的。兩材料之接合情況如圖 • 接觸熱阻主要有兩個熱傳遞分量：1.在各個接觸點上固體和固體間的傳導2.由接觸間隙的氣體之傳導

  36. 第二個因素被認為是熱阻的主要來源，因為氣體的熱傳導係數比固體小很多第二個因素被認為是熱阻的主要來源，因為氣體的熱傳導係數比固體小很多 • 接觸熱阻會隨著壓力增加而降低，因為壓力增加，使接觸面緊密接合，而使間隙變小，讓熱量得以順利的傳遞 • 所以常施加壓力於物體，或是在接觸面塗上一層散熱膏，以降低其接觸熱阻

  37. 3-1實驗方法 • 實驗中所探討的主題分為四種：1.不同數量之熱管的散熱效應2.不同直徑之熱管的散熱效應3.散熱膏之熱傳導係數對散熱效益的影響4.凝結部以自然對流和強制對流的方式散熱，對熱管散熱模組效能之影響

  38. 3-2實驗設備 • 烘箱：使用的目的在提供實驗過程中一個穩定、不受外界干擾的環境長：45cm、寬：40cm、高：40cm • 電源供應器：數位式直流電源供應器，用來供應模擬晶片與強制對流用風扇所需的功率。電源供應器有兩個輸出埠，每個輸出埠的最大輸出電流為2A，最大輸出電壓為32V，兩輸出埠可串聯使用 • 熱電偶：採T型熱電偶

  39. 3-3實驗模型 • 模擬晶片：由三個部分所組成，最底層為49歐姆之薄膜式加熱片，上覆一鋁薄片，鋁片中埋設5條線徑0.127mm之T型熱電偶，其上再覆另一厚度為0.2mm之鋁片 • 嵌入鋁塊：分為蒸發部與凝結部蒸發部：4.7x4.5x1 ，熱管嵌入深度4.5cm凝結部：4.8x4.8x2 ，熱管嵌入深度4.8cm

  40. 熱管：長度均為15cm，管壁材料為銅，工作流體為水。蒸發部長度為45mm、絕熱部長度為57mm、凝結部長度為48mm熱管：長度均為15cm，管壁材料為銅，工作流體為水。蒸發部長度為45mm、絕熱部長度為57mm、凝結部長度為48mm • 冷卻風扇：本實驗所用之風扇有兩種，其一為滾珠軸承風扇，工作額定電壓為12V，消耗功率2.76W，轉速5400rpm，最大風量45.2CFM。另一也為滾珠軸承風扇，工作額定電壓為12V，消耗功率1.56W，轉速4000rpm，最大風量141.6CFM

  41. 散熱膏：目的在於填補CPU晶片與散熱片間的空隙，以降低接觸熱阻散熱膏：目的在於填補CPU晶片與散熱片間的空隙，以降低接觸熱阻 • 本實驗所用的散熱膏有兩種，其熱傳係數分別為6.8W/m‧K和3.2W/m‧K • P.S.散熱膏的使用條件：必須在兩種物件結合的情況使用不可與物件發生化學變化

  42. 3-4實驗參數 • 1.熱管數量：1、2、3根三種 • 2.熱管直徑：4、5、6mm三種 • 3.對流方式：分為自然對流與強制對流，強制對流又分風量為45.2和11.6CFM • 4.散熱膏之熱傳導係數：6.8、3.2W/m*K • 5.模擬晶片之發熱功率：10.20.30.40W

  43. 四、結果與討論 • 以四種不同的熱阻來評估不同區域的性能表現 ：接觸熱阻 ：熱管等效熱阻 ：蒸發部鋁塊與空氣之對流熱阻 ：凝結部鋁塊與空氣之對流熱阻 • TypeA：散熱膏係數為3.2W/m‧KTypeB：散熱膏係數為6.8W/m‧KVolumn1：風量11.6CFM之風扇Volumn2：風量45.2CFM之風扇

  44. 熱傳導係數較高的散熱膏較能有效的降低接觸熱阻，而且發熱功率越大越明顯(圖)熱傳導係數較高的散熱膏較能有效的降低接觸熱阻，而且發熱功率越大越明顯(圖) • 使用多根熱管時，外熱阻減少的量不多。但若是轉換成溫度來看的話，在發熱功率為40W時，多一根熱管約略可降低6度(圖) • 但由於熱管在兩根時就足以負荷10~40W的熱量，所以加到三根效率不大

  45. 使用風扇可加速熱管作動速度，使效能提高，且管徑越大者效益增加的幅度越大(圖)使用風扇可加速熱管作動速度，使效能提高，且管徑越大者效益增加的幅度越大(圖) • 使用風量較大的風扇可增進效益，對於管徑較大的熱管，效率提高的幅度較大 • 會產生此種差異，主要是因為在強制對流時，利用風扇降低鋁塊表面溫度，減少對流熱阻，加速熱管循環的速度。由於大直徑熱管熱傳導熱量的性能與小直徑熱管有一段差距，所以強制對流會使差距變大

  46. 五、結論 • 對流熱阻於熱管散熱模組內占總熱阻的絕大部分 • 散熱膏主要降低接觸熱阻 • 使用多根熱管的影響不大。對大直徑如6mm，多一根熱管大約降低5%之熱阻，管徑較小者如5mm和4mm，使用兩根比一根可降低14%與10%的熱阻，但使用三根只比兩根降低約3%與5%

  47. 管徑小之熱管，由於最大熱傳量小，熱傳效果無法彰顯，所以在自然對流與強制對流和大直徑熱管相差並不明顯管徑小之熱管，由於最大熱傳量小，熱傳效果無法彰顯，所以在自然對流與強制對流和大直徑熱管相差並不明顯 • 使用兩根以上之熱管時，由於最大熱傳量已足以負荷此發熱功率，於自然對流時和6mm熱管相差0.7~5.7度，於強制對流時相差5.1~29.5度(圖)

  48. 熱管凝結部的散熱方式對熱管散熱模組效能之影響最大，比熱管直徑與熱管根數還要大。熱管直徑為6mm時，強制對流可比自然對流降低46.8~60.6%的熱阻，而5mm與4mm則分別可降低30.2~42.8%和27.6~42.5%的熱阻熱管凝結部的散熱方式對熱管散熱模組效能之影響最大，比熱管直徑與熱管根數還要大。熱管直徑為6mm時，強制對流可比自然對流降低46.8~60.6%的熱阻，而5mm與4mm則分別可降低30.2~42.8%和27.6~42.5%的熱阻

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