行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
高熱通量表面受調控噴霧冷卻實驗探討
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2212-E-002-038- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學應用力學研究所 計畫主持人： 翁宗賢 計畫參與人員： 賴文鴻，林宗穎 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 30 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
高熱通量表面受調控噴霧冷卻實驗探討
Mist Cooling of High Heat Flux Surface
with Versatile Micro Jet Array
計畫編號:
NSC 93-2212-E-002-038執行期限: 93/8/1～94/7/31
主持人：翁宗賢 臺灣大學應用力學研究所副教授
一、摘要(中文)
關鍵詞：微熱管、微加熱器、現場測溫、微 機電製程 本研究以半導體製程方式，在玻璃晶圓 上以金製作高熱通量微型加熱器，同時在晶 圓上配製白金感溫元件，以量測在地溫度。 為散去加熱器所發出的熱量，本研究另行以 微機電製程之體型及表面微加工技術，在矽 晶圓上蝕刻截面為三角形的微通道，經對準 接合後，再抽真空與填充工作流體，製成流 道寬150μm、長度 15mm 的微型熱管。 由於本計畫原先預計以 FPGA 調控噴 射液珠數位電路，產生陣列霧狀液粒，在加 熱面上形成高散熱量的霧珠冷卻。但在製作 微型加熱器時，考慮到蒸發霧氣的散逸與冷 卻液的補充，因此在計畫執行時，改變成微 熱管的設計，並研製成功，具備沿熱管通道 量測現場溫度的能力。實驗結果顯示：本雛 型微熱管工作正常，可散逸至 1W 的熱量。 (英文) (Keyword: micro heat pipe, microheater, in-situ temperature measurement,
MEMS fabrication)
In the present project, micro heat pipe chips were fabricated using surface machin-ing and bulk machinmachin-ing of MEMS
manufac-turing. The channel of micro heat pipe is
150μm in width, and 15mm in length. A micro heater was deposited on a glass wafer to simulate hot spot of the micro heat pipe, in associated with four platinum thin-film resis-tors for temperature detecting along the micro
channel. Three micro heat-pipe chips were
studied. Test data showed that the micro
heat pipes can work properly when 1W was applied to the heaters. The gravity-assistant fluid feedback and heat sink were used to im-prove the performance of the micro heat pipes. Both devices demonstrated workable proto-type for minute heat dissipation.
二、計畫緣由與目的
近代資訊工業與半導體製程技術的突 飛猛進，引領現今的電子產品設計朝向兩大 目標發展：一是輕薄短小便於攜帶，二為更 高的處理速度與更優異的性能；這樣演進的 腳步中，晶片功能提升與操作頻率增高，單 位面積與面積發熱量也隨著倍增，電子元件 操作時的「散熱」問題越發顯得重要。這意 味著晶片的操作溫度也變得更高，過高的操 作溫度不但大幅的降低原有的效能，甚至會 造成晶片的損毀；2004 年六月 Intel 發表的 Pentium®IV 採用 0.13 微米製程微處理器， 總發熱量高達 109.6W [1]。因此散熱的問題 將是主導資訊工業未來發展進度的關鍵因 素之一，如何將晶片的高發熱量由局部熱點 (hot spot)處帶出，以減少過熱燒損的機會、 提高運作的效能，已經變成現在資訊產業研 究與發展的重點項目。 本計畫以微機電製程加工技術，製作微 熱管，熱管的一端有微型加熱器，並沿微通 道佈置微型感溫器，以量測熱管的溫度變化 與性能。三、研究方法
本研究以設計、製造、量測微熱管晶片 的流道現地溫度為中心，在晶片上整合微熱 管、溫度感測器及加熱器成為整體實驗系統。本研究的微熱管晶片在設計上有下列獨 特處：加熱器緊鄰流道內模擬發熱的微熱 點，直接對流道內的工作流體加熱，能有效 降低外部加熱片與微熱管晶片間的熱阻。位 於流道壁上的系列溫度感測器可以直接量 測現地溫度，溫度感測是白金電阻式，由溫 度-阻值的關係方程式換算為溫度變化。 微熱管系統晶片製造可區分為矽晶片 及玻璃晶片兩部分，本研究採用微機電製程 方法分別進行加工，各元件的相對位置如圖 1 所示。製作於圖中灰色矽晶片上的元件為 微熱管流道，晶片的尺寸為 20mm×24mm 的矩型，中間白色的部分表示在製程中將被 蝕刻的區域；玻璃晶片上的元件則為加熱 器、溫度感測單元陣列及訊號線，為 28mm × 32mm 的矩型，圖中黃色部分代表沉積的 金薄膜，並鑽有一小孔，便於後續的工作流 體填充；最下方是加熱器，中間兩兩相對者 為訊號線，訊號線中央是四個感溫器。 圖 1 微熱管各元件相對位置示意圖 在矽晶圓上的微通道加工，首先使用 RCA 法清潔晶圓[2]，用濕氧法成長 1.1μm 的氧化層；接著用黃光製程將光罩圖案轉移 至光阻上；將曝光完成的光阻硬烤作為蝕刻 罩幕，圖案即轉移至氧化層；最後用氧化層 作為蝕刻罩幕，對 p-type<100>的矽晶圓進 行非等向性蝕刻，並移除剩餘的氧化層。對 矽晶圓加工的光罩上，配置有注入口與流道 的圖案，製程上使用 KOH 溶液對 p-type <100>矽晶圓進行非等向性蝕刻，得到截面 呈三角形的微熱管流道，注入口的截面則呈 梯型，其中流道長度為 15mm，寬度 150 μm；注入口為 1mm×1mm 的方形開口。 每一個微熱管晶片上包含有 4 個白金 溫度感測器，以 4mm 為間隔依序排列在微 熱管流道的軸向正上方，可以與工作流體直 接接觸，進行現地溫度量測；每一個溫度感 測器以金導線接至兩個墊片(pad)，總計有 八條訊號線從微熱管流道的兩端延伸向晶 片的邊緣，在晶片的邊緣處也有墊片可連接 外部的線路。 感溫器是製作在 Pyrex #7740 玻璃晶圓 上，製程步驟包含晶圓清潔、黃光製程、薄 膜製程及去光阻(掀舉法)。首先將玻璃晶圓 表面加以清潔[3]，接著同樣將光罩的圖案 以黃光製程轉移至光阻上；用電子束蒸鍍機 沉積鈦(Ti)、鉑(Pt)，厚度分別為 10nm、 50nm；最後用丙酮去除光阻，完成掀舉法。 完成的溫度感測器如圖 2 所示，感溫器的圖 案外觀是根據流道的寬度設計，涵蓋範圍為 155 × 400 μm2，線寬為5μm。 圖 2 感溫器(左)示意圖；(右)成品 第三道光罩同樣對 Pyrex #7740 玻璃晶 圓加工，製程流程依序如圖 3 所示，同樣採 用掀舉法沉積金屬。本道製程用熱蒸鍍機沉 積鉻(Cr)、金(Au)，厚度分別為 10nm、100 nm，完成微加熱器與訊號導線，加熱器的 線寬為30μm。 經過微機電製程處理的晶圓在裁切後 再加以鑽孔、清潔，並且進行封裝接合以利 於後續填充工作流體，在此採用環氧樹脂 (epoxy)膠黏接合矽晶片與玻璃晶片，可以 改善陽極接合的短路問題[3]。 矽與玻璃晶片封裝接合完成後，再黏合 連接注入口與真空系統間的管路。待管路連 接完成後，即填充微熱管的工作流體：抽真 微熱管 通道 sensor_3 sensor_4 sensor_2 sensor_1 加熱器 訊號線 填充孔
空、注入工作流體及密封[3]。填充時的真 空度低於 5×105Torr，工作流體為經過加熱 排氣的去離子水。製作完成的微熱管如圖 4 所示。 本研究所使用的鉑溫度感測器是屬於 正溫度係數熱阻式溫度計。鉑在室溫範圍下 電阻與溫度符合一次線性關係，可以將電阻 值與溫度的關係表示如下： ) ( 0 0 T T R Rt 其中為感溫器的電阻-溫度係數，Rt為溫度 T 時的電阻值，R0為參考溫度 T0時的電阻 值。實驗前，先進行感溫器的校準，因此微 熱管上的每一感溫器均有其校準曲線，據以 換算出溫度的變化。
四、結果與討論
實驗量測的晶片共計有三片：沒有填充 工作流體以作為參考用的 Chip_0、填充工 作流體的 Chip_1 與 Chip_2；其中 Chip_1 的工作流體填充量較高。 實驗量測時，微熱管晶片是在三種不同 操作模式，分別是：晶片平放、晶片直立以 及加上熱沉；平放屬於一般使用的狀態，直 立能以重力加強工作流體回流的能力，加上 熱沉則能增加冷凝的效率。 首先針對各微熱管晶片分別施以 0、 100mW、200mW、、1W 等外加功率進 行量測。在熱平衡狀態下沿熱管軸向的溫度 分佈分別繪製於圖 5 至圖 7；其中 Chip_0 在施加 800mW 時，因為溫度過高致使加熱 器燒毀，因此僅有八組實驗數據；而 Chip_2 的 Sensor_2 在焊接訊號線時即已損毀，所 以僅有三條溫度曲線。 比較三者的 Q-T 圖發現：Chip_0 的升 溫最為劇烈，因為本晶片的通道內沒有充填 工作流體，純粹作為參考的基準。圖 5 顯示 Sensor_1 以近乎直線的方式升溫，到 50C 以後，溫升明顯地較其餘感溫器迅速，表示 僅由玻璃傳導熱量，已經無法有效地散熱； 輸入的熱量不斷的被累積在加熱器附近，因 清潔 上光阻；軟烤；曝光 顯影；蒸鍍鈦/鉑 去光阻 玻璃 光阻 鈦 鉑 鉻(Cr) 金(Cu) 圖 3 第三道光罩製程流程 Chip_0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Q(mW) T ( 0C ) Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 圖 5 Chip_0 的 Q-T 關係圖 Chip_1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Q(mW) T ( 0C ) Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 圖 6 Chip_1 的 Q-T 關係圖 圖 4 完成的微熱管晶片此施加 800mW 時，加熱器的溫度已超過 90C 而過熱燒毀。 Chip_1 在施加功率小於 400mW 之前， 圖 6 顯示微熱管順利的作動，感溫器的溫差 都不大，每個輸入功率對應的溫度都有明顯 的下降；在 500mW 至 700mW 時，所有的 感溫器都沒有或者僅有微小的溫度變化，對 於這種增加輸入功率卻沒有溫度上升的現 象，研判是微熱管的工作情況良好，即使增 加熱量也能有效地傳輸，而不會增加溫差， 故能保持加熱端與冷卻端於恆溫狀態 。 Sensor_1 在功率大於 700mW 後，較其他感 測單元有明顯的溫升，造成軸向溫度變化增 大，可以視為發生毛細限制。 圖 7 顯示 Chip_2 在施加功率小於 400 mW 時，微熱管在正常作動的範圍內；在輸 入功率為 500mW 至 600mW 時，亦發生增 加輸入功率，但溫度沒有明顯上升的情形； 若輸入超過 600mW 的功率時，軸向溫度差 異相當地顯著，同樣也發生毛細限制的情 況。由於 Chip_2 晶片的工作流體填充量比 Chip_1 為低，故微熱管作動良好的範圍也 縮小為 500mW 至 600mW；超過這個加熱 範圍，軸向溫度增量益發顯著，尤其以位置 靠近加熱器的 Sensor_1 溫升最為迅速；到 施加功率為 1W 時，Sensor_3 也有溫度明顯 上升的現象，推測是該位置也發生毛細限 制，蒸汽流已經完全填滿該區域，毛細回流 無法補充工作流體。 當熱管以直立方向操作時，重力可影響 工作流體的回流。圖 8 是 Chip_1 的加熱器 在下方的溫度分佈，顯示在施加功率小於 600mW 時，微熱管都能順利運作；在輸入 功率為 600mW 至 800mW 時，才到達微熱 管良好作動的區間，表示微熱管作動的情形 有所改善。當功率大於 800mW 之後毛細限 制再度限制微熱管的效能，功率為 900mW 時，Sensor_1 溫度達到 82C，然後於施加 功率 1W 時加熱器即被燒毀。 圖 9 的 Chip_2 溫度分佈與 Chip_1 相 若，讓晶片作動良好的最高施加功率由 400 mW 增加到 500mW，作動的情況也受到改 善。與微熱管水平放置的情形相似的是：由 於工作流體填充量較少，作動良好的施加功 率區間比 Chip_1 為小。 值得一提的是：以重力輔助回流的微熱 管溫度比平放時為高，這個現象以 Chip_1 特別明顯，推斷與工作流體填充量有關：由 於重力造成的工作流體回流量過大，且微熱 管的絕熱效果不佳，使得蒸汽流向上流動的 距離受到侷限，發生微熱管作動的區域僅限 於加熱器附近，微熱管的熱傳效果受到限 制，當施加功率增加時，蒸汽流的流速上 升，晶片各點溫度較平放時為高。 Chip_2(Vertical) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Q(mW) T ( 0 C ) Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 圖 9 重力輔助下 Chip_2 的 Q-T 關係圖 Chip_1(Vertical) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Q(mW) T ( 0C ) Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 圖 8 重力輔助下 Chip_1 的 Q-T 關係圖 Chip02 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 Q(mW) T ( 0C ) Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 圖 7 Chip_2 的 Q-T 關係圖
接著在熱管的冷凝端改善散熱效能，先 在裸露在外的晶片塗上超導散熱膏，再用金 屬片作為熱沉輔助散熱。Chip_1 在進行前 一項量測時已損毀，本項實驗僅有 Chip_2 可以進行測試。圖 10 顯示冷凝端加上熱沉 之後晶片整體溫度大幅下降，在施加功率小 於 600mW 時微熱管保持正常作動，但是大 於 600mW 以後 Sensor_1 量測的溫度急遽上 升，推測是冷凝端散熱效果太好，以致大量 的工作流體以液態堆積在冷凝端，使得在施 加功率大於 600mW 的時候發生類似前述蒸 汽流發展的距離受到限制，僅在靠近加熱器 位置進行微熱管作動。 加上熱沉後，圖 10 的溫度大幅下降， 所以嘗試以更高的功率驅動微熱管，當施加 功率為 1.1W 時 Senor_1 達到 65C，這個溫 度與平放時量測到的最高溫度明顯低上許 多，但是在施加功率繼續提升至 1.2W 時， 卻造成加熱器的損毀，此時加熱器的電流通 量為78.79mA/μm2，亦即通過加熱器的單位 面積功率通量為 1692W/cm2。 綜合言之，本計畫於研製高熱通量微加 熱器時，為縮減散熱裝置體積，減化噴霧驅 動裝置，即改變原定構思，將散熱系統朝向 微型熱管設計，應用微機電製程之體形加工 製作為微通道，並整合白金溫度感測器，現 地量測微熱管的溫度變化，其技術困難度較 原計畫增加甚多。實驗結果顯示微熱管的動 作如預期的正常，雖然散熱量僅有 1W，但 微熱管的寬度僅有 150m，如果能繼續研 究改進，其性能尚有大幅提增的空間。另一 個值得改進的方向是工作流體的填充技 術，並準確地控制填充量，因而可以調控操 作溫度。
