微致冷技術簡介

「散熱」是電子系統設計時不可或缺的考量因素，在元件密度日益增高，

元件的運算速度要求越快之下，散熱問題已經成為電子產品可靠度與壽命長短 的技術瓶頸。降低電子元件因過熱而產生的故障，或是無法散熱而造成元件毀 損的機會，將有助於提升整體系統之可靠度。

就目前之電子產品而言，其散熱技術多採用一些高熱傳導係數之金屬，作 為散熱之基本材料，再結合一些金屬加工的技術，包括金屬線切割、放電加工、

機械研磨、焊接與射出成型等，製作成造型特殊的散熱鰭片，再加上一顆強而 有力之散熱風扇，以滿足現階段電子產品的散熱需求。目前散熱技術面臨微小 化、整合化，且兼具高散熱量與高能量密度的挑戰，以現今傳統的散熱技術已 經無法負荷未來之散熱需求，必須要一些新的散熱技術來解決過熱之問題。

冷卻機制中，分為主動式致冷機制與被動式致冷機制。散熱部位的冷卻需 外部給予動力來源，而造成散熱循環的過程，稱為主動式散熱機制；反之，由 結構本身所造成之熱循環過程，不需外加動力來源(如電力、風力、聲波等)，則 稱為被動式散熱機制。

主動式致冷機制可分為以下幾種：

1. 氣體噴流冷卻技術(impinging jets cooling technique)；

2. 兩相微流道散熱鰭片之散熱技術(two phase micro-channel heat sink)；

3. 熱聲冷卻機之冷卻技術(thermo-acoustic refrigerator)；

4. 液滴對電子元件之冷卻技術(embedded droplet impingement for integrated cooling of electronics, EDIFICE)；

5. 熱電致冷技術(thermoelectric cooling technique)。

被動式致冷機制可分為以下幾種：

1. 微熱管冷卻技術(micro heat pipe technique)；

2. 迴路式熱管冷卻技術(loop heat pipe technique)；

3. 毛細泵吸式迴路冷卻技術(capillary pumped loop technique)。

1.5.1 主動式致冷機制

1. 氣體噴流冷卻技術(impinging jets cooling technique)【6】：

氣體噴流冷卻動作原理，是經由壓縮空氣驅動微噴嘴，將空氣推往晶 片表面以達到散熱的目的，晶片下方有加熱器持續加溫，且加熱器下方則 有抽真空裝置，主要防止溫度向下傳遞，並以微結構之微小噴流做主動式 致冷法，直接帶走微小熱點的熱，而達到致冷之目的。優點是有較佳之熱 傳係數(heat transfer coefficient)，且為氣體單相(single phase)之致冷形式，而 測試設備與微噴孔製造流程圖，如圖 1-4 所示。

2. 兩相微流道散熱鰭片之散熱技術(two phase micro-channel heat sink)【7】：

圖 1-5 顯示利用微流道熱交換器中的流體，所造成之兩相流的變化，

將系統的熱做傳輸而達到一循環過程。系統中之壓力與溫度的變化，皆與 工作流體之性質密切相關，壓力差之升高可增加壓力幫浦加壓的能力。主 要熱阻為液體本身，微流道尺寸之微小化可增加本身散熱之能力。此機制 應用於 VLSI 晶片散熱上，可有效增加其散熱效益，藉由矽晶片蝕刻加工，

產出高深寬比的微小通道及密集通道排列，以提高熱傳面積之要求，如圖 1-6 所示。

3. 熱聲冷卻機之冷卻技術(thermo-acoustic refrigerator)【8】：

熱聲冷卻機的工作原理，是利用熱聲現象以驅動器產生聲波，在共振 管內形成駐波(standing wave)或行波(traveling wave)，以來回震盪的聲波，

週期性地壓縮與膨脹工作氣體，再利用工作氣體與固體邊界之熱傳遲滯現 象，完成熱量循環，如圖 1-7 所示，其特點為低成本及構造簡單。應用於 致冷上，因不需使用冷媒，符合日前提倡之環保議題，同時不須壓縮機即 可作動，因此具有壽命長、維修簡便及無噪音振動之優點。

4. 液滴對電子元件之冷卻技術(embedded droplet impingement for integrated cooling of electronics, EDIFICE)【9】：

利用微小液滴噴灑於晶片上之熱點產生處，藉由液滴的相變化，直接 帶走表面熱點上的熱，而達到冷卻目的，如圖 1-8 所示。經由蒸氣導管傳 輸蒸氣至冷凝端(散熱鰭片與風扇等)，藉由冷凝端冷凝成液體，並依靠動力 幫浦供給壓力差，再將液體送至微噴孔處，因而造成持續之循環散熱。

5. 熱電致冷技術(thermoelectric cooling technique)【10】：

藉由半導體材料與通電方式決定熱之移動方向。當通入電流後，電源 提供電子流動所需的能量，電子由負極出發，首先經過 P 型半導體，吸收 了熱量，當經過 N 型半導體時，將熱量由此釋放出來，每經過一組的 N-P 接腳，即會產生熱之轉移造成溫度差，進而形成冷熱端，而冷端貼附所需 致冷物體，熱端則可貼附散熱裝置，以達致冷之效果，此原理亦為熱電偶 之基礎原理，如圖 1-9 所示。

1.5.2 被動式致冷機制

1. 微熱管冷卻技術(micro heat pipe technique)【11】：

熱管為一種熱傳性能極高之被動熱傳元件，利用相變化原理與毛細作

2. 迴路式熱管冷卻技術(loop heat pipe technique)【12】：

迴路式熱管本身具可撓性及微小化之傳輸管路，使其熱傳量均遠大於 傳統型熱管。工作原理為吸熱之蒸氣與放熱之後冷凝液，於不同之管路中 活動，大幅降低了傳統熱管所面臨高流動阻力的現象；作動方式則依靠毛 細拉力由冷凝端液體拉至蒸發端，如圖 1-11 所示。

3. 毛細泵吸式迴路冷卻技術(capillary pumped loop technique)【13】：

毛細泵吸式迴路熱管與迴路式熱管相似。當熱源和熱沉因為外在環境

(a)

(b)

Fig 1-4 MEMS jets process (a) equipment and (b) flow chart【6】.

Fig 1-5 Liquid-gas changes in the microchannel【7】.

Fig 1-6 Schematic diagram of two-phase microchannel heat sink【7】.

Fig 1-7 Schematic diagram of thermoacoustic refrigerator【8】.

Fig 1-8 Schematic diagram of EDIFICE for droplet/jet impingement【9】.

Fig 1-9 Schematic chart of thermoelectric chip【10】.

Fig 1-10 Schematic chart of heat pipe【11】.

Fig 1-11 Schematic chart of loop heat pipe【12】.

Fig 1-12 Schematic chart of capillary pumped loop【13】.