1-1 前言
隨著半導體產業的高度發展與技術不斷的精進，現今電腦產業和 半導體製程的技術也有快速改良發展，特徵尺寸(Feature size)由 1980 年的 2 微米製程到 1995 年的 0.25 微米製程一直到現今的 0.18 微米製程，並且科學家預測在 2008 年時會發展為 0.07 微米的奈米製 程。由於特徵尺寸的極速下降，電子產品必朝向外型短小輕薄(如圖 1-1、1-2 所示)、性能提昇與價格降低的趨勢發展。由於裝置與元件 的發熱密度不斷的增加，過熱的問題日益嚴重，於是造成了產品的可 靠度降低以及壽命的減少，所以散熱問題也就成為半導體產業技術上 的一大挑戰。根據美國空軍１９９５年所發表的研究報告中指出，造 成超過５０％的半導體元件損壞或缺陷的主要的原因來自於熱的問 題，如圖 1-3 所示。許多相關熱所造成的損壞與缺陷的文獻，於各知 名的期刊與國際研討會之文獻中歷歷可見[1-3]。
微機電系統(micro-electro-mechanical systems , MEMS)在歐 洲被稱為微系統科技(micro system technology)，著名的費曼博士 (1965 年諾貝爾物理獎得主)在 1959 年美國物理學年會上發表
「There＇s Plenty of Room at the Bottom」的專題演講中，首先 提到把機器微型化的概念，而「微機器(micromachines)」此一名詞
在 1978 年首次正式出現在國際學術研討會的名稱中；接著彼得森博 士 在 1982 年 發 表 了 著 名 的 「 以 矽 為 機 械 材 料 (silicon as a mechanical material)」研究報告，1989 年猶他州鹽湖城(Salt Lake City)的一場研討會(Micro-Tele-Operated Robotics Workshop)中，
則具體提出「微機電系統」此一名稱。而所謂微機電系統[4]是一種 結合機械、電子、材料、控制、物理、生醫、化學、光學等多重技術 整合的研發領域，其特色為兼具微小化、可量產之新製造技術，不僅 可以有效協助製造業改善製程，使產品提高品質、性能與可靠度，進 而提高附加價值，同時可降低製造成本及能源消耗。
就 微 流 體 系 統 (Micro-Fluidics system) 而 言 ， 以 微 流 道 (micro-channel)作為新型的熱沈(heat sink)與熱管之構型，時有所 聞。近幾年許多文獻均指出，層流流體在微流道熱沈中的熱傳效果極 佳，而相變化過程所帶走的熱量更高，足可應付未來高功率電子產品 所產生的廢熱。而近年來，由於微機電(MEMS)及奈米科技所興起的熱 潮，故可製造出水力直徑(hydraulic diameter)數十至數百微米各種 型態的流道，透過液體強制對流的使用，將高功率電子產品產生的高 熱降低，使之能於容許的溫度下使用，來試圖解決電子產品過熱問題 的損壞並增加其可靠度。
1-2 文獻回顧
如何將高功率電子元件所產生的廢熱排出外界是一項重要的課 題。近幾年由於微機電技術昌盛，製造數十至數百微米不同幾何形狀 的微流道熱沈已不是難事。最早提出結合微機電系統與微流道熱沈技 術概念的是 1981 年的Tuckerman and Pease[5]，他們探討微流道熱 沈的熱傳性能，他們主要以半導體製程技術於(110)矽晶片基材蝕刻 出高深寬比之矩形微流道，進行流體與熱傳特性之理論分析與實驗驗 證，結果顯示其最大熱通量達可到 790 W/cm2，可應用於高功率密度 的超大型積體電路上(VLSI)。。Pfahler等人[6]以及Qu等人[7]亦提 到微流道熱沈不僅擁有超佳的散熱效果，其流體行為或熱傳特性與傳 統大尺寸管道的實驗結果大不相同。
Peng and Wang[9-12]研究團隊則從事了一連串以相變化為主的 微流體研究。他們的研究發現當流道壁施以較高的熱通量或過熱溫度 時，結果卻沒有發現氣泡在微流道中產生，然而根據現有的沸騰曲線 預測應該產生核沸騰效應。換言之，流道的幾何尺寸大小會嚴重影響 流體的相變化行為，此對於兩相流之研究而言，是非常有趣且重要的 發現。
除了兩相流的研究外，Wu and Chang[13]運用實驗方法，針對微 流道不同表面粗糙度的情況下，探討不同水力直徑的梯形流道的熱傳
現象，其結果顯示出，粗糙度越大的流道具有較高的 Nusselt number 與 Apparent friction，且兩值會隨著雷諾數的增大而增大，但增大 的比例有趨緩的現象。Wu 與 Little[14-15]則以實驗量測氣體通過水 力直徑 50 至 80μm，層流與紊流區間摩擦因子的變化及熱傳分析，
結論發現摩擦因子小於古典巨觀的值。Chio 等人[16]則針對直徑 3 ~ 81μm 的圓形流道，管長 24 ~ 52mm，長度與水力直徑比值在 640
~8100，研究其流體行為與熱傳現象，實驗結果發現，摩擦因子於層 流的條件下皆小於巨觀圓管的理論值，且熱傳效果非常佳。Wang and Peng[17-19]則實驗研究寬 200 到 800μm、深 700μm 的矩形流道流 體的流動行為，其結果發現層流至紊流之暫態過渡現象發生在雷諾數 小於 1000 時，此現象與傳統值差距甚大，此外當直徑越小暫態過渡 現象會越早發生。流道熱沈熱傳現象除實驗的驗證外，亦有一些科學 家，運用計算流體力學的方式與現有的實驗結果相互比較[20-21]，
但 在 其 牆 面 邊 界 的 設 定 上 仍 設 為 無 滑 動 的 邊 界 條 件 (no slip condition)，此邊界條件於大尺寸的解析上並不會產生失真的現象，
但對於尺寸下降至微米等級時，是否合適尚待考量，因為 Tretheway and Meinhart[22] 用 高 解 析 度 的 Micro-PIV (Micron-resolution particle image velocimetry)進行邊界滑移的量測觀測到微米等級 下，在管牆上會產生滑動的現象，其造成邊牆滑動的主因乃有一層氣
體吸附在邊牆上，因此產生液體與氣體界面的滑動。此氣體層的存在 已 由 Tyrrell and Attard [23] 在 原 子 力 顯 微 鏡 (Atomic force microscopy)下觀測到(如圖 1-4)，因此在微米等級下流道邊牆條件 的使用上應特別小心。
1-3 本文研究目的
發熱量與散熱量能力為影響電子元件的可靠度及壽命的主要因 素，根據「10℃理論」[24]，當電子元件每升高 10℃，其壽命則相 對減少一半，可見溫度對 IC 的重要性，這也是熱管理(Thermal Management)技術日益受到重視的原因。所謂的「熱管理」指的是電 子元件中熱的產生與熱控制的一門技術，它主要的目的是使電子元件 晶片的接合處溫度(Junction Temperature)維持在容許的範圍內，使 得電子元件的可靠度與壽命提升。因此電子元件熱的控制是相當重要 的一大課題。電子產品熱的生成主要是由於晶片中百萬個電晶體運作 時所產生的，這些問題雖然可由降低電壓的方式來減少發熱量，但是 仍然不能解決因功能提升及體積縮小所產生發熱密度增加的問題。
在之前的文獻中對於微流道熱傳的研究，其研究範圍均針對相同 流道形狀與不同的水力直徑進行探討，並未對不同形狀微流道加以比 較熱傳現象，此外相同的水力直徑可由不同的幾何尺寸所構成(如矩
形、梯形)，當不同的幾何尺寸構成相同的水力直徑時，熱傳現象是 否有其差異性尚無文獻探討，因此本文研究之目的，係以比較不同形 狀微流道與相同的水力直徑不同幾何尺寸下微流道熱沈在不同雷諾 數下的熱傳現象。此外，進一步對微流道壁面滑移的邊界條件做理論 性的探討。