結論與未來工作 - 嵌入微孔洞矽微米線陣列之蒸發熱傳

5.1 結論

本研究提出一嶄新的嵌入微孔洞之矽微米線陣列之熱管毛細結構。此結構以微孔洞陣列在低過熱度時觸發沸騰以增強毛細結構之熱傳係數，同時此微孔洞陣列並不會影響矽微米線陣列之毛細力，故此嵌入微孔洞之矽微米線陣列可以提高毛細結構之熱傳係數並同時維持高的毛細限。實驗結果顯示，嵌入微孔洞之矽微米線陣列與全微米線陣列相比最多可提升約66

%之熱傳係數，同時不會影響乾涸熱通量，其乾涸熱通量最高可達約120 W/cm²。此外，由高速攝影機之影像可發現，在低熱通量時，微孔洞就可誘發沸騰現象產生，且該現象在深度大於100 μm之微孔洞較明顯。但若微孔洞無作動時，則其熱傳曲線近似於微米線陣列。

5.2 未來工作

目前得到嵌入微孔洞之矽微米線陣列可以利用微孔洞陣列觸發沸騰以增強熱傳，但目前發現並非所有微孔洞都有誘發沸騰效果，所以未來工作將深入探討微孔洞之誘發沸騰之機制。

實驗發現深度大於 100 μm 之微孔洞誘發沸騰之現象較明顯，推測其原因為液體不易充滿此相對深的微孔洞，故此微孔洞內殘存的氣體可成為

沸騰之成核點，因此，當給予一定大小之熱通量時，沸騰可藉由此深的微孔洞觸發。故未來研究將探討微孔洞之深度對誘發沸騰之影響。

此外先前的研究發現矽微米線陣列嵌入有高牆之微孔洞之毛細結構，

其熱傳係數到達 9 W/cm²-K [31]，此有高牆之微孔洞之毛細結構如圖 5.1 所示，其中圖 5.1(a)為高牆微孔洞微米線陣列之側視圖，而圖 5.1 (b)為(a) 之上視圖，由圖 5.1(a)可看到微孔洞上方之高牆(紅色圈內)。此嵌入高牆之微孔洞毛細結構所得熱傳係數比本次實驗之結構所得之熱傳係數 6.43 W/cm²-K還高。推測其原因，可能是高牆讓液體更不易補充進微孔洞，導致微孔洞誘發沸騰之效果更強。

圖 5.1、新型嵌入高牆微孔洞微米線陣列 SEM 圖：(a)為嵌入高牆微孔洞微米線陣列之側視圖，可以看到微孔洞上方之高牆(紅色圈內)；(b)為(a)之上視圖

最後本實驗微孔洞陣列之面積與整體結構面積的比例約為 1~4%，即可提升熱傳係數最多達 66 %。目前推測增加微孔洞陣列應可在進而增加

Thin wall

(a) (b)

熱傳，故未來工作將探討微孔洞密度對熱傳增強的影響。圖 5.2 為三種微孔洞密度之嵌入微孔洞微米線陣列示意圖。其中圖 5.2 (a)為目前所採用之微孔洞密度、(b)為 2 倍微孔洞密度、而(c)為 4 倍微孔洞密度。本研究將進行此三種微孔洞密度之熱傳實驗以釐清微孔洞密度對熱傳增強之影響。

圖 5.2、三種微孔洞密度之嵌入微孔洞微米線陣列示意圖:(a)目前之微孔洞密度密度，(b)2 倍微孔洞密度密度與(c)4 倍微孔洞密度密度。

目前規劃進一步增強此毛細結構之方法為：(1)應用高深寬比的微孔洞觸發沸騰；(2)以高牆阻隔液體提升微孔洞沸騰機率；(3)增加微孔洞密度以提升熱傳。

此外，為精準控制嵌入微孔洞之矽微米線陣列之幾何形狀，我們又開發新一製程，令為製程三，步驟如圖 5.3 所示。其步驟敘述如下: (a)以光阻在矽晶圓上定義出矽微孔洞的圖形；(b)使用反應式離子深蝕刻儀器蝕刻出矽微孔洞；(c)利用電子鎗蒸鍍二氧化矽薄膜；(d) 使用舉離製程，將多餘之二氧化矽去除；(e) 以光阻在矽晶圓上定義出矽微米線陣列圖形；(f)

(a) (b) (c)

Cavity Pillar

使用反應式離子深蝕刻儀器蝕刻出矽微米線陣列；(g)去除光阻；(h)去除多餘之二氧化矽則得到所需結構。此製程利用二氧化矽作為保護層，使微孔洞免於多次深蝕刻製程，達到精準控制幾何形狀。

(b)

(c)

(f)

(h)

(a)

^PR

(e)

SiO²

(d)

(g)

圖 5.3、嵌入微孔洞矽微米線陣列製程三示意圖：(a)以光阻在矽晶圓上定義出矽微孔洞的圖形；(b)使用反應式離子深蝕刻儀器蝕刻出矽微孔洞；(c) 利用電子鎗蒸鍍二氧化矽薄膜；(d) 使用舉離製程，將多餘之二氧化矽去除；(e) 以光阻在矽晶圓上定義出矽微米線陣列圖形；(f)使用反應式離子深蝕刻儀器蝕刻出矽微米線陣列；(g)去除光阻；(h)去除多餘之二氧化矽則得到所需結構。

在文檔中嵌入微孔洞矽微米線陣列之蒸發熱傳 (頁 66-71)