壓差式迴路式均熱片之研製 Fabrication of Pressure-Difference Loop Heat Spreader

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1 壓差式迴路式均熱片之研製 Fabrication of Pressure-Difference Loop Heat Spreader 1 2* Yu-Tang Chen Shei Hung-Jung Sheng-Hong Tsai Shung-Wen Kang Chin-Chun Hsu 1 2* 3! "# $ % 4& '! " ( )* +, E CC3 1 Department of Mechanical Engineering, De Lin Institute of Technology 2* China University of Science and Technology 3 Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering, Tamkang University 4 Department of Mechanical and Computer Aided Engineering, St. John s University NSC Project No.: E CC3 摘要 本計畫主要是利用無閥式幫浦的概念並結合迴路式系統的原理, 設計製作壓差式迴路式均熱片 (Pressure-difference Loop Heat Spreader, PDLHS), 藉由噴嘴與擴大器的搭配使用, 使工作流體在進口與出口間產生相對的壓力差, 利用此壓力差達到工作流體流進流出的目的, 使的整體元件在只需熱能輔助下能持續不間斷的作動 此計劃之壓差式迴路式均熱片利用 PDMS( 聚二甲基矽氧烷 ) 為主要結構, 由於 PDMS 熱傳導係數極低, 因此在加熱端及冷凝端部分另加上銅塊以利傳導, 搭配溫度量測器詳細記錄加熱端及冷凝端溫度的變化, 由於 PDMS 為透明的材質, 亦可直接觀察壓差式迴路式均熱片整體的作動情形 結果發現, 壓差式迴路式均熱片最佳熱阻值發生在 1.7W 時, 熱阻為 18.8 C/W / : ; < PDMS Abstract This project adopts the concept of valve-less pump and integrates the principle of the loop to design a new Pressure-difference Loop Heat Spreader, PDLHS. By the 33

2 = >?8 9?: ; <@ A B collocation of nozzle and diffuser, the pressure- difference will be generated between the inlet and outlet and make the working fluid running. The whole device can also work continually by the heat. This study utilizes the PDMS as the main structure, and the copper material is set on the evaporator and the condenser due to the PDMS has lower thermal conductivity. Besides we also use the temperature measurement to record the variation of temperature and we will find out the phenomenon of the boiling and circulation after the flow visualization. The result shows the Pressure-difference Loop Heat Spreader has the best thermal resistance is 18.8 C/W when it is 1.7W. Keywords: NozzleCDiffuserCPDMSCLoopCHeat spreader 一 前言 近年來半導體發展迅速,CPU 已非以往之單核心, 而為多核心處理器, 並隨著處理器的速度與緻密度的增加,CPU 散熱問題便日益重要, 更是工程上的ㄧ大挑戰 一般桌上型或筆記型電腦之散熱模組式由均熱片 散熱鰭片 風扇與熱管所組成 ; 另迴路式均熱片因其有良好的熱性能與較好的空間彈性, 目前已應用於筆記型電腦, 本研究即為結合無閥式幫浦的概念與迴路式系統的原理所產生之新型均熱片 1989 年 Van De Pol[1] 在其畢業論文中首先提出了無閥式幫浦 (valve-less pump) 的概念, 無閥式幫浦的設計主要是利用噴嘴與擴大器來代替傳統的止回閥, 防止液體作逆向的流動 1993 年 Stemme 等 [2] 將使概念實現並製造完成微無閥式幫浦 1995 年時 Gerlach and Wurmus[3] 等人則首先提出關於噴嘴 / 擴大器元件的性能分析, 他們使用非等向性蝕刻的方式在 (100) 矽晶片上製作出角錐形的噴嘴 / 擴大器元件並對其作分析研究, 他們發現當雷諾數 (Re) 大於 100 時, 擴大器和噴嘴有明顯不同的流力特性, 他們更進一步推斷 flow rectification 只有在紊流中才會發生 1996 年 Anders Olsson[4] 等探討噴嘴 / 擴大器在不同長度與開口角度下的壓損分析, 並將噴嘴 / 擴大器分為三個部份來研究 在 1999[5] 年時更利用數值模擬軟體 (Matlab) 來分析無閥式幫浦並跟實驗值互相比較 1997 年 M. Heschel[6] 等利用矽晶片製作出 3-D 微噴嘴 / 擴大器, 討論不同外型下工作流體的作動情形 而在 2002 年時,Jr-Hung Tsai[7] 則製作出利用加熱汽泡來驅動的噴嘴 / 擴散器幫浦, 量測工作流體的體積流率與加熱頻率的關係, 圖 1 為其氣泡驅動式幫浦作動示意圖 由於無閥式微幫浦驅動的方式很多種, 主要是利用中央腔體體積的改變來達到目的, 因此在 2002 年後就有許多學者研究不同的驅動方式, 在 2002 年時,Koji Takahashi[8] 等也利用熱的方式產生汽泡來驅動, 但整體元件設計與之前截然不 34

3 同, 主要設計為熱管的形式, 如圖 2 所示 另外, 還有以 PEG 為基礎的微流體系統 [9] 等 迴路式熱管於 1979 年由 Maydanik 等提出 [10], 其為一種液汽分離, 利用相變化之熱傳裝置 ; 迴路式熱管具有各種不同型式與毛細結構, 並各具不同之性能與適用性 [11-14] 另 2004 年 Yoshinori Yokoyama[15] 等研發出以微流道為主體的迴路式微幫浦, 圖 3 為整體元件示意圖, 主要是利用兩邊微流道寬度的不同使工作流體往單一方向流動, 達成作動循環的目的 接下來幾年, 學者們則以模擬的方式來研究微幫浦的各種作動情形,2004 年 Vishal Singhal[16] 探討微幫浦內通過噴嘴 / 擴大器的雷諾數問題, 同年雲林科技大學的 Kai-Shing Yang[17] 等利用數值分析軟體 (CFD) 分析噴嘴 / 擴大器微幫浦以及探討微噴嘴 / 擴大器內的流體特性 [18] 2005 年,Vishal Singhal[19] 等又發表了結合 EHD 為輔助的高散熱量的新型無閥式微幫浦, 如圖 4 所示 在參考國內外學者的研究發現, 無閥式微幫浦的作動在這幾年一直是大家致力於研究的目標, 不論是使用不同的材料作為輔助, 或是設計不同外型的元件來模擬或測試, 都是希望能清楚了解整體的作動情況並加以利用 因此無人將結合無閥式幫浦的基本概念, 並搭配迴路式的原理製作出在熱能輔助下能持續作動的元件 - 壓差式迴路式均熱片 (Pressure-Difference Loop Heat Spreader), 利用此元件來進行單點或多點式散熱測試, 測試所有可能的結果並加以記錄 迴路式的作動原理一直都是散熱時最好的利用方式, 搭配無閥式幫浦單一方向的流動特性, 再加上均熱片可以使熱源在最短的時間將熱量排除的好處, 結合這幾項優點, 相信壓差式迴路式均熱片的散熱必定能達到一定的效果與目的, 在未來應用方面也能增加許多參考的依據 二 研究方法 壓差式迴路式均熱片的主要結構分為兩的部份, 一部分為主要結構, 另一部分則為迴路式結構 由於主要結構是壓差 (Pressure- Difference) 主要產生的地方, 因此吾人將先設計主要結構的部份, 主要是利用中央腔室與左右兩邊噴嘴 / 擴大器的搭配來達到壓差的目的 當中央腔室的體積逐漸增加時, 入口處流體流入腔室內的體積流率大於出口處流體流入腔室內的體積流率, 此時為吸水模式, 如圖 5(a) 所示 ; 當中央腔室的體積逐漸減小時, 出口處流體流出腔室內的體積流率大於入口處流體流出腔室內的體積流率, 此時為排水模式, 如圖 5(b) 所示 圖 6 為整體壓差式迴路式均熱片元件示意圖, 汽泡在主要結構中受熱產生, 中央腔體體積隨之縮小, 工作流體往出口方向流出, 經過整體迴路後, 工作流體 35

4 = >?8 9?: ; <@ A B 所攜帶的熱量在元件上半部冷凝區被排除, 工作液體的溫度因而降低 當汽泡成 長至一定大小後破裂, 此時中央腔體體積因汽泡消失而變大, 較低溫的工作流體 由入口處流入, 如此流出流入的動作為一壓差式迴路式均熱片完整的作動循環過 程, 利用此反覆的作動可使主要結構部份的熱量被帶走, 進而達到散熱的目的 PDMS 全名為聚二甲基矽氧烷 (Polydimethyl siloxane), 俗稱矽膠, 以擁有高變 形率之彈性 (high elongation) 以及良好的密合性 (good sealing) 著稱, 其化學結構式如 圖 7 所示 PDMS 的材料特性 : (1) 光學上透明的彈性體 (2) 無毒且為生化上惰性物質 (3) 單體可在低溫聚合 (4) 可和玻璃 PDMS 及其他聚合物接合 (5) 在 curing 後, 在溫度範圍 -50 C~200 C 為穩定且具彈性的, 矽氧鍵的鍵能高達 101~108 Kcal/mole (6) 具備優秀的 dielectric 特性 (7) 疏水性, 與水接觸角為 108 (8) 透氣性 三 壓差式迴路式均熱片之製作 為了使壓差式迴路式均熱片有著一定的容積, 在一開始的結構設計上就給定了一定的高度, 而微機電製程中, 矽晶圓的蝕刻技術無法使元件達到幾公厘的高度, 因此在製作的過程中將採用傳統的澆鑄方式來成型 壓差式迴路式均熱片的製作主要分成三個部份, 首先是利用 CNC 加工機來製作壓差式迴路式均熱片的母模 ( 圖 8(b)), 接下來利用 PDMS 翻模來完成主要結構的外型, 最後利用反應離子蝕刻機 (Reactive Ion Etching) 將上下兩部份的結構接合在一起 詳細製作過程 ( 圖 8) 如下所示 : (1) 壓克力母模製作 : 吾人所設計的壓差式迴路式均熱片整體的尺寸如圖 9 所示, 考慮到一般電腦 CPU 核心的大小, 因此設計加熱端的尺寸為 mm, 而冷凝端部份則為 mm 利用 CNC 加工機將所設計的尺寸於 mm 壓克力板上製作出來, 元件的內部深度設計為 3 mm (2) PDMS 澆鑄成型 : 將 PDMS-A B 劑以 10:1 的比例配置後由於攪拌的過程中會有許多氣泡存於溶液中, 因此需適時的充真空將內部的氣泡排出 在澆鑄 PDMS 之前需將設 36

5 計好之加熱端與冷凝端的銅塊放置於壓克力母模上如圖 8(c) 所示, 並黏貼好所有 thermal couple 的位置, 待氣體排出後再將 PDMS 澆鑄於壓克力母模上如圖 8(d), 澆鑄的厚度約 5 mm 左右 澆鑄後的母模仍會有氣泡參雜其中, 因此還是需要利用抽真空的方式將 PDMS 內的氣體排除, 最後才將材料置於烤箱中以 90 C 連續加熱 50 分鐘便可成型 (3) RIE 接合 : 將脫模 ( 圖 8(e)) 完成的壓差式迴路式均熱片的底部與另外製作的頂部都置於反應離子蝕刻機 (RIE) 中以氧氣電漿處理 45 秒後, 將兩部份的 PDMS 直接加壓即可接合完成 ( 圖 8(f)) 四 實驗架設及量測 壓差式迴路式均熱片是利用噴嘴 / 擴大器的壓差原理結合迴路式熱管的概念使 腔內的工作流體經由蒸發及冷凝的機制將熱能依一定的方向帶走, 以達到散熱的 目的 因此為了探討此元件的散熱結果, 我們將實際量測蒸發端與冷凝端的溫度 並計算出熱阻, 利用所計算出來的結果來分析壓差式迴路式均熱片在散熱方面的 效果 圖 10 為製作完成之壓差式迴路式均熱片 利用螺絲及壓克力將 PDMS 元件固 定其中, 此方式可加強 PDMS 接合的強度 冷凝端及加熱端部分各埋置一條 thermocouple 線來量測內部的溫度, 藉著公式 (1) 來求得系統熱阻, 其中 R 為系統 熱阻 ( C/W), T 為蒸發端與冷凝端的溫差,Q 為加熱功率 : R = T (1) Q 如圖 11 為實驗測試架設示意圖, 實驗測試設備除了本身的壓差式迴路式均熱 片之外, 另包括了溫度擷取器 (Testo 177-T4) ( 圖 12) 致冷晶片 風散及電源供應 器 蒸發端部分是利用電源供應器及薄膜式加熱片提供所需的熱源, 冷凝端部分 則使用致冷晶片, 但由於致冷晶片做作動時同時會產生高熱, 因此必須在致冷片 的另一端加上散熱鰭片及風散以確保致冷晶片能正常運作, 加熱及冷凝裝置如圖 13 所示 工作流體所使用的是甲醇, 因甲醇的沸點在一大氣壓下約為 64.5 C, 低沸點能使 工作流體更容易蒸發而作動 充填率方面, 在參考了相關文獻後 [20], 我們將充填 率設定在 60 %, 並討論其相關結果 37

6 = >?8 9?: ; <@ A B 五 結果與討論 圖 14 為加熱功率與溫度的分布圖,Ch-1 為蒸發端的溫度,Ch-2 為冷凝端的溫度 由圖中可發現, 溫度隨著加熱功率而上升, 但當加熱功率為 1.7W 左右時, 蒸發端及冷凝端的溫差最小, 當加熱功率達到 2W 時, 溫度持續升高, 但溫差卻越來越大, 超過 2W 後即因蒸發端燒乾而無法繼續作用 而平均熱阻如圖 15 所示, 最小熱阻發生在 1.7W 時, 為 18.8 C/W 在觀察整體的溫度及熱阻分佈後發現, 壓差式迴路式熱管在一定的加熱瓦數下雖然能降低熱阻, 但熱阻值仍然偏高, 分析此情況的原因可發現, 由於 PDMS 是良好的絕熱材料, 熱傳導極低, 因此無法藉由本身材料來幫助降低熱阻, 此外由於充填量極少, 僅有 0.8 cc 左右, 對於需借相變化來散熱的壓差式迴路式均熱片來說是造成熱阻無法下降的原因之ㄧ 壓差式迴路式均熱片在設計之初是要結合噴嘴與擴大器的壓差來幫助整體作動, 但在觀察後發現, 對於一開始所預期觀察的氣泡活動並不顯著, 因在蒸發端的蒸發過程中並沒有連續性的氣泡產生, 因此我們無法直接觀察壓差的變化, 但在噴嘴與擴大器處, 可發現液汽介面變動的情形 最後利用本計劃的研究結果, 期望能協助國內業界研究發展相關的散熱元件 六 致謝 本論文為國科會編號 NSC E CC3 之計畫, 由於國科會的支持, 使本計畫得以順利進行, 特此致上感謝之意 七 參考文獻 1. F. C. M. Van De Pol, A pump based on Micro-engineering Techniques, Thesis, University of Twente, the Netherlands (1989). 2. E. Stemme, G. Stemme, A valveless diffuser/nozzle-based fluid pumps, Sensor and Actuator A 39, (1993) T. Gerlach, H. Wurmus, Working Principle and Performance of the Dynamic Micropump, Sensors and Actuator A, Vol. 50, pp (1995). 4. A. Olsson, G. Stemme, E. Stemme, Diffuser-element Design Investigation for Valve-less Pumps, Sensors and Actuator A, Vol. 57, pp (1996). 5. A. Olsson, G. Stemme, E. Stemme, A Numerical Design Study of the Valveless Diffuser Pump using a Lumped-mass Model, Journal of Micromechanics and 38

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9 圖 3 迴路式微流道幫浦 圖 4 新型無閥式微幫浦 (a) 上視圖 (b) 測視圖 41

10 = >?8 9?: ; <@ A B (a) 圖 5 主要結構作動示意圖 (a) 吸入模式 (b) 吸入模式 (b) 圖 6 壓差式迴路式均熱片示意圖 圖 7 PDMS 材料化學鍵結結構 42

11 圖 8 壓差式迴路式均熱之製作流程圖 (Unit: mm) 圖 9 壓差式迴路式均熱片尺寸圖 43

12 = >?8 9?: ; <@ A B 圖 10 壓差式迴路式均熱片完成圖 圖 11 實驗測試架設示意圖 44

13 圖 12 溫度擷取器 圖 13 加熱及冷凝裝置 圖 14 溫度分佈圖 圖 15 熱阻分佈圖 45