第一章 緒論
1-1 前言
在現代的資訊社會裡，電子設備所伴演的角色愈來愈重要，電 子設備功能增加的速度可說以倍數成長，所需電壓也隨之成長。根 據 1964 年，哥登‧摩爾(Gordon Moore)所提出摩爾定律：指一尺寸 相同的晶片上，所容納的電晶體數量，因製程技術的提升，每 18 個月會加倍，性能也將提升。但晶片的容量是以電晶體的數量多寡 來計算，電晶體愈多晶片執行運算的速度愈快，雖性能提高，但相 對產生的熱量也大幅提高，而一般電子設備產生故障之各項因素中，
有 55%源自於溫度問題[1] (圖 1-1)，散熱問題也就更為迫切需要。
若產生的熱量無法傳至外界，則電子設備在執行功能時可能會產生 如當機等情形。對於使用者來說，尤其是工業生產上，是最不願意 見到的一件事。發泡金屬散熱鰭片具有單位體積質量輕與單位體積 表面積大等優點，使其在電子散熱領域上的應用漸漸受到注目。
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1-2 多孔性散熱鰭片介紹
1-2-1 多孔性介質的定義
多孔性介質指的是由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量 密集成群的微小空隙構成的介質，同時具有固體與互通的空孔，使 得流體(例如水或空氣)可以通過的物質或是型態。
1-2-2 多孔性介質的分類
多孔性介質有多種類型。按成因劃分，可分成天然多孔性介質 和人造多孔性介質。天然多孔介質又分為地下多孔介質和生物多孔 介質，前者如岩石和土壤；後者如人體和動物體內的微血管網路和 組織間隙以及植物體的根、莖、枝、葉等。人造多孔性介質種類繁 多，如過濾設備的濾器(如飲水機濾心，如圖 1-2 及冷氣機濾網，如 圖 1-3)、鑄造沙型、磚瓦、木材等建築材料、活性炭、發泡材料(如 發泡陶磁，如圖 1-4 及發泡銅，如圖 1-5)、排汗布料(如圖 1-6)、催 化劑、鞍形填料和玻璃纖維等的堆積體等。
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1-2-3 多孔性介質的應用
多孔性介質在工業方面的應用非常廣泛，包含如觸煤反應器、
核燃料棒、石油移動、熱交換器、絕熱材料、公害防治、噪音控制、
生醫材料、電子材料、電子設備散熱、蓄電池、過濾系統、火箭噴 嘴、流體控制器、衝擊吸收、能量吸收、建材與交通建設、紡織布 料、合金製造、整型元件、混合器等，皆有多孔性介質的應用與研 究。
1-2-4 多孔性散熱鰭片的構造與特性
多孔性散熱鰭片的構造如圖1-7所示，主要由一高熱傳導係數之 多孔性介質及一金屬底板所構成。本研究所使用之多孔性介質為發泡 銅，底板材質為銅，利用燒結的方式黏合成一體，即成為多孔性散熱 鰭片。底板底面由電熱片加熱作為模擬熱源。
多孔性散熱鰭片的構造有以下幾個特性：
a. 單位體積質量輕 b. 單位體積表面積大 c. 加工相對複雜
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圖 1-1 電子設備產生故障之各項因素比例 [1]
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圖 1-2 飲水機濾心
圖 1-3 冷氣機濾網
圖 1-4 發泡陶瓷
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圖 1-5 發泡銅
圖 1-6 排汗布料
圖 1-7 多孔性散熱器
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1-3 發泡金屬的介紹
1-3-1 發泡金屬的定義
發泡金屬一般定義為一種金屬基體中含有一定數量、一定尺寸 孔徑、一定孔隙度的金屬材料。它從結構上可以分為開孔和閉孔兩 種形式，前者具有連續貫通的三維多孔結構，流體可以從中間流過；
後者內部氣孔相互獨立，並且每個氣孔都是封閉的。發泡金屬材料 獨特的特徵結構，使它具有質輕、吸音減震、隔熱(閉孔)、散熱(開 孔)、電磁屏蔽、高比強度等多功能復合特性。對於開孔發泡金屬，
高孔隙度和複雜的三維立體網狀結構使它具有很好的散熱作用，高 換熱效率使它在緊湊型熱交換器散熱和微電子器件冷卻中的應用具 有十分廣闊的前景。
1-3-2 發泡金屬的結構特徵
描述發泡金屬結構的幾何參數有孔隙度、孔數率、孔徑、比表
面積等。發泡金屬的孔隙度 ε 較高，一般隨其種類不同而不同，在
45%~98%間變化。孔數率定義為每線性英寸上孔的數目(PPI)。孔徑 範圍一般為 0.1~10mm，透過工藝控制，還可獲得微米級的孔徑。
被壓縮發泡金屬的比表面積很大，可達到 10~40 cm2 /cm3。
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1-3-3 發泡金屬的分類
1. 開孔發泡金屬
孔洞之間是相通的，就像是不完整、有缺口的泡泡。
2. 閉孔發泡金屬
孔洞表面是實心的，也就是每個孔洞與周圍孔洞完全隔開 的。
閉孔發泡金屬可用作緩衝材料，同樣在自行車頭盔，有著更 高的衝擊負荷量。與許多發泡聚合物相比，發泡金屬會在撞 擊後變形，因此只能使用一次。
3. 金屬泡沫海綿
金屬泡沫海綿可以透過壓縮，來吸收高達 80%的地震破壞力，
並保持原有的形狀不變，所以發泡金屬可以防止像地震中房 屋倒塌的狀況。但要取得這些建築具體的抗震性能數據非常 困難。
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1-3-4 發泡金屬的製作
陳勇勳 [2]在"泡沫金屬之淺論"談到，發泡金屬的製作方式有1.
金屬沉積法 2.熔體發泡劑發泡法 3.氣體注入發泡法 4.浸漿海綿燒 結法 5.纖維冶金法 6.鑄造法 7.燒結法 8.濺射法等等，以下列舉一 些常見的製作方式。
1. 氣體注入發泡法
氣體注入發泡法是直接向熔融的金屬吹入氣體使金屬液體發泡，
發泡用的氣體可以是空氣、氧氣、氬氣、二氧化碳等。此方法 是目前生產多孔發泡金屬最廉價的方法，最大的優點是造價低 且易於工業化大量生產；缺點為存在著孔洞的大小及其在金屬 液體中的分佈難以控制的問題。
2. 燒結法
燒結法就是在高溫度時，物料產生的初始液相，在毛細管現 象和表面張力的作用下，物料顆粒開始碰觸、相互作用，冷 卻後會固結而成為多孔發泡金屬。為了要讓物料易於成型，
可採用黏結劑，但是黏結劑必須在燒結時除去。想提高多孔
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發泡金屬的孔隙度，就可以用填充劑，填充劑同樣也需發生 昇華、溶解或分解的作用。
3. 鑄造法
鑄造法可細分為熔模鑄造法和粒狀物料周圍澆鑄法兩種。
A. 熔模鑄造法是將先發泡過的塑料填充到一個幾何形的容 器內，在其周圍倒入液態的耐火材料，等耐火材料硬化之後，
加熱使發泡塑料氣化，這個時候模具就有了原發泡塑料的形 狀，再將液態金屬注入到模具內，冷卻後再把耐火材料與金 屬分開，就能夠得到形狀一致的發泡金屬。
B. 粒狀物料周圍澆鑄法是把粒狀物料放置於鑄型內，在其周 圍澆注金屬，把粒狀物溶解，得到發泡金屬。由於表面張力 的原因，金屬有時候不能進入到粒狀物料周圍的縫隙中，這 種情況下，就需要在熔體的表面施加壓力以達到澆注之目 的。
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1-3-5 發泡金屬強化熱傳的作用原理
當氣體與液體從孔中流過時，熱量以強迫對流形式在具有開孔 結構的發泡金屬和流體之間傳遞和互換。一方面，發泡金屬複雜的 三維立體網狀結構使得流體的非線性效果增強，湍流程度也增強，
從而促進固體表面向流體中高的局部熱傳；另一方面，發泡金屬大 的比表面積也是金屬具有良好熱傳性能的重要原因。另外，金屬材 料高的熱傳導率也是促進熱傳能力提高的因素之一。開孔發泡金屬 優良的熱傳性能使其具有承受高密度熱流的能力，可以做為緊湊型 熱交換器的散熱材料。
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1-4 常見散熱方式簡介
電子元件或裝置在運作之過程中，難以避免的會產生熱，而熱 之排除，需藉由傳導、對流及輻射方式將熱排出於周圍環境，降低 電子產品的運轉溫度，以維持系統運轉的穩定度與可靠度。電子元 件常用的散熱方式為散熱鰭片，散熱鰭片為一種固定於電子元件表 面之導熱性材料，藉以將電子元件產生之熱傳導至周圍環境。其構 造多為底板和鰭片所組成，底板部分直接與電子元件接觸，主要作 用為均熱，使熱快速傳導及擴散；鰭片部份之作用為散熱，藉由表 面積之增加來傳遞由底板所擴散之熱至周圍環境。以下是以一般個 人電腦上的散熱鰭片為考量，並針對其各種散熱之方式作一介紹與 優缺點分析：
(一) 自然對流
自然對流是指高溫而比重小的流體向上運動，低溫而比重大的 流體向下運動，從而引起的熱交換的一種方式。
優點： 1.無噪音
2.無需電力，可節省能源
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3.結構簡單，安裝容易
缺點： 1.散熱效果有限，較適用於功率較小之晶體 2.較難把熱能排出機殼以外
3.高散熱型的體積龐大，重量重，易使基板變形 4.控溫性較不穩定
(二) 強制氣冷
強制氣冷是依賴外力作用實現熱交換的對流，在這裡是以空氣 為介質的熱傳，並加上高速旋轉之風扇。
優點： 1.散熱效果良好
2.結構簡單，安裝容易 3.控溫性較穩定
4.廉價
缺點： 1.高速旋轉之電扇會產生噪音
2.體積龐大，佔用機殼內部大量空間
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(三)水冷散熱
水冷散熱系統的運作原理是以一個小水磊不斷循環系統中的冷 卻劑以降低系統溫度。在系統的一端，冷卻劑會通過安裝在 CPU 上 的流道散熱座部份(Water Block)。而在系統另一端，冷卻劑則會通
過一個以大直徑低轉速的風扇來散熱的「熱交換面」，再把熱氣排至
系統以外，因而達到低噪音高效能的效果。
優點： 1.低噪音
2.散熱效果非常優異
3.熱能容易被排出機殼以外 4.控溫性穩定
缺點： 1.結構複雜，安裝不易 2.價格偏高
3.恐有漏水之疑慮
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格拉斯霍夫數(Grashof number,Gr)，其意義為浮力與黏滯力之比 值，定義為：
普蘭特爾數(Prandtl number,Pr)，表示運動黏滯係數和熱擴散率 的比例，也可以視為動量傳遞及熱量傳遞效果的比例，定義為：
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Pr
C
p (2)k
瑞里數(Rayleigh number,Ra)，將 Gr 數(1)與 Pr 數(2)相乘 可得，表示，定義為：
( ) 3
Pr (3)
bp a
g T T L
Ra Gr
紐賽數(Nusselt number,Nu)，表示固液表面間的無因次溫度分佈，為 判斷熱傳效率之重要參數，定義為：
(4)
Nu hL
k
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1-6 文獻回顧
發泡金屬在工業上的應用方面非常的廣泛，陳勇勳 [2]在"泡沫
發泡金屬在工業上的應用方面非常的廣泛，陳勇勳 [2]在"泡沫