6-1 結論
本研究針對 IGBT 進行散熱設計，並藉以改變微流道熱沉的各種 不同參數，以尋求其最佳的設計，詳細結果已於前幾章作過敘述與討 論，在此歸納以下結論：
1.在相同流量下，流道的傳導介面面積對散熱效能之影響將優於 對流強度的影響。
2.高寬比越大的流道擁有較佳的散熱效果。
3.多層微流道結構之散熱效能優於單層微流道結構。
4.三層結構之微流道在γ= 0.8 時，擁有較佳的散熱能力。
5.晶片間距過近將導致熱源密度提高，使得散熱變得困難；晶片 配置過於靠近結構邊緣將導致熱量的囤積。
6.微流道熱沉材料之熱傳導係數越高，可獲得越好的散熱效果；
降低冷卻流體的黏滯係數，將可增進散熱效能，但效果極為有 限。
7.在匯流流道氣泡包覆現象中，匯流角度越大將使流體液面與流 道壁間有較多的空間，從而導致包覆較大的氣泡。
8.當有足夠的氣泡包覆空間，流體對壁面的接觸角增加亦會使包
31
覆的氣泡體積增加。
6-2 未來展望
本研究因考慮整體散熱模組，因此，模組原件之間的尺寸比例相 當的大，造成網格建構數量相當龐大，未來若能以平行運算系統，將 整體模組切割進行運算，相信將能節省相當多的時間；此外，文中僅 分析層流流場的散熱情況，未來若能考慮紊流以及雙相流的流場進行 分析的話，將會使得本研究的應用範圍更為廣泛。
32
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36
表 2-1 IGBT 模組各部元件尺寸
IGBT 模組各部元件 尺寸(mm)
IGBT 9.8*9.8*0.5
Diode 7*5.5*0.7
Solder 0.05
copper 59*26*0.2
AIN 59*26*0.4
表 2-2 各材料性質 性質
材料
密度 (kg/m^3)
比熱 (J/kg-K)
熱傳係數 (W/m-K) Silicon 2330 700 148
AIN 3260 740 170
Copper 8933 385 400
solder 35
37
表 4-1 單層流道之幾何圖形與尺寸
Hch（μm） Wch（μm） Wfin（μm）
2000 300 300 1500 300 300 1000 300 300 700 300 300 500 300 300 300 300 300
表 4-2 雙層流道之幾何圖形與尺寸
Hch（μm） Wch（μm） Wfin(μm） d（μm）
700 300 300 300
500 300 300 300
300 300 300 300
38
表 4-3 三層流道之幾何圖形與尺寸
Hch（μm） Wch（μm） Wfin(μm） d（μm）
700 300 300 300
500 300 300 300
300 300 300 300
表 4-4 網格測試 網格數
物理量
1,163,360 1,573,120 誤差(%)
IGBT 表面最高 溫度(K)
360.114 358.684 0.398
微流道出口平 均速度(m/s)
0.83501 0.97170 14.06
微流道入出口 壓力差(kPa)
5.712 6.321 9.63
39
358.684 358.685 0.000279
微流道出口平
40
P+
N +
N +
P+
N - P+
圖 1-1 IGBT 基本結構
圖 1-2 IGBT 等效電路圖
Collector Gate
Emitter
Epitaxial drift region
41
圖 2-1 IGBT 微流道熱沉之結構剖面示意圖
圖 2-2 模擬結構圖
inlet
q
0q
0outlet Y
X Z
42
建立幾何模型
建構網格
訂定分析型態
給定模組物理參數
給定邊界條件
計算求解
結果檔案分析
圖 3-1 模擬分析流程
43
圖 3-2 CFD-RC 求解流程
44
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
26 28 30 32 34 36 38 40 42
temperature (C)
length (m) comparison
test
圖 4-1 文獻[19]比對之幾何圖形與尺寸
圖 4-2 文獻[19]Wall A 與 CFD-RC 之溫度比較
45
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
24
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
22
46
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
24
0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
0.215
47
圖 4-7 改變微流道高度對熱傳之影響
圖 4-8 個尺寸微流道之雷諾數與摩擦因子變化關係
400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.008
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
0.21
48
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.03
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.04
49
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.05
50
51
圖 4-15 IGBT 晶片間距對熱阻之影響
圖 4-16 IGBT 晶片三層流道之溫度分佈(d* = 7.14, Hch=700μm)
0 20 40 60 80 100
0.050 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055
Rth* (10^-3)
d*
γ = 1 γ = 0.8 γ = 0.5
52
圖 4-17 IGBT 晶片三層流道之溫度分佈(d* = 54.2, Hch=700μm)
圖 4-18 IGBT 晶片三層流道之溫度分佈(d* = 75.7, Hch=700μm)
53
圖 4-19 IGBT 晶片三層流道之溫度分佈(d* = 93.8, Hch=700μm)
圖 4-20 微流道熱沉結構寬度對熱阻變化之影響
135 140 145 150 155 160
0.0497 0.0498 0.0499 0.0500 0.0501 0.0502 0.0503 0.0504 0.0505 0.0506 0.0507
Rth* (10^-3)
W*
γ = 1 γ = 0.8 γ = 0.5
54
圖 4-21 各種微流道熱沉材料對熱阻變化之影響
圖 4-22 不同黏度之流體對熱阻變化之影響
400 500 600 700 800
0.048
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0.05015
55
圖 5-1 實驗架構示意圖
圖 5-2 可程式控制注射幫浦
56
圖 5-3 顯微實驗平台及高速攝影機
圖 5-4 流量 0.08 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 120 ﾟ)
100μm 100μm 100μm
57
10.5 ms 15.5 ms 17.5 ms 圖 5-5 流量 0.16 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 120 ﾟ)
8 ms 11.5 ms 12.5 ms 圖 5-6 流量 0.32 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 120 ﾟ)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
58
23 ms 33 ms 37 ms 圖 5-7 流量 0.08 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 180 ﾟ)
16 ms 20 ms 22 ms 圖 5-8 流量 0.16 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 180 ﾟ)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
59
8 ms 10 ms 11 ms 圖 5-9 流量 0.32 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 180 ﾟ)
21 ms 31 ms 34 ms 圖 5-10 流量 0.08 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 240 ﾟ)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
60
17 ms 22 ms 25 ms 圖 5-11 流量 0.16 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 240 ﾟ)
11 ms 14 ms 16 ms 圖 5-12 流量 0.32 ml/min 之氣泡包覆過程(匯流角度 240 ﾟ)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
61
(a) 去離子水:接觸角 105.877 ﾟ
(b) 10%蔗糖溶液:接觸角 114.906 ﾟ
(c) 50%蔗糖溶液:接觸角 123.681 ﾟ 圖 5-13 三種濃度蔗糖溶液對 PDMS 之靜態接觸角
62
17.5 ms 21.5 ms 22.5 ms 圖 5-14 流體之蔗糖濃度 10%在匯流角度 120 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
8.5 ms 11.5 ms 13 ms 圖 5-15 流體之蔗糖濃度 10%在匯流角度 180 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
63
11.5 ms 14 ms 15.5 ms 圖 5-16 流體之蔗糖濃度 10%在匯流角度 240 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
23 ms 29.5 ms 32 ms 圖 5-17 流體之蔗糖濃度 50%在匯流角度 120 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm
64
17 ms 22.5 ms 25.5 ms 圖 5-18 流體之蔗糖濃度 50%在匯流角度 180 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
20 ms 26 ms 29.5 ms 圖 5-19 流體之蔗糖濃度 50%在匯流角度 240 ﾟ之氣泡包覆過程
(流量 0.32 ml/min)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm 100μm