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【書籍試閱】《電子構裝散熱理論與量測實驗之設計》(二版)

 上稿時間:2020/8/21   
【書籍試閱】《電子構裝散熱理論與量測實驗之設計》(二版)

本書是作者根據30年之教書經驗,以及親身經歷CPU之散熱演化史以及IT產業所應用到的各項散熱工具及原理,作有系統的詳細介紹。

林唯耕教授專業著作《電子構裝散熱理論與量測實驗之設計》於2020年全新改版,修正初版中的錯誤,並增加了全新的章節〈如何測量熱管、均溫板或石墨片的有效Keff值〉。

本書針對一般業界或專業領域人士所欲了解的部分提供詳盡介紹,至於一般熱交換器製造、鰭片設計等,由於坊間已有許多專業書籍,本書將不再贅文說明。本書第1章簡單介紹電子構裝散熱,特別是CPU散熱歷史的演變。第2章在必須應用到的熱傳重要基本觀念上做基礎的介紹,以便讓非工程領域的人亦能理解,了解熱之性質與物理行為後才能知道如何散熱,以及散熱之方法、工具、量測及理論公式。第3章旨在敘述流力的基本觀念,重要的是如何計算壓力阻力,從壓力阻力才能算出空氣流量。第4章探討一般封裝IC後之接端溫度TJ之理論解法。第5章討論一些實例的工程解法,包括自然對流、強制對流下溫升之計算,簡介風扇及風扇定律、風扇性能曲線、鰭片之阻抗曲線,以及如何利用簡單的區域分割理論求取鰭片之阻力曲線。第6章至第9章則注重實務經驗,尤其是實驗設計,其中包括理論設計及實驗之技巧。第6章說明如何設計一個測量熱阻的測試裝置(Dummy heater)。第7章解說AMCA規範下之風洞設計如何測量風扇性能曲線及Cooler系統(或鰭片)之阻抗曲線。第8章以熱管之理論與實務為主,逐一介紹其中重要之參數及標準性能,並說明量測之原理。第9章對LED散熱重要之癥結做了觀念上的說明,注重於LED之內部積熱如何解決。二版新增的第10章則詳細敘述如何利用Angstrom方法量測熱管、均溫板、石墨片、石墨稀等物質之熱傳導係數K值。

編者簡介

林唯耕

林唯耕畢業於臺灣清華大學化學系學士(1972/091976/06),之後於1980年赴美國馬里蘭大學攻讀博士學位,化工/核工博士 (1984/061986/08),旋即於NASA,馬里蘭州OAO Co.Engineering Dept.熱流組擔任Senior Engineer,主要在利用CPL之實驗與模擬解決挑戰號太空梭之熱控問題(1985/111986/11)1987年應台灣清華大學之聘請,返台至核工系擔任核子工程學系副教授( 1987/021993/07),隨後核工系改名為工程與系統科學系,簡稱工科系,於1993年升任教授,並於2016年擔任系主任至今。這其間也到美國猶他大學機械系(1996)及北京清華大學熱工系(2001)擔任訪問學者,一直專注於電子系統冷卻(ECS)至今已經為超過27年,如果含美國資歷其實應已超過30年。其專利超過13項,著作授權也有12項以上,協助廠商至少有20家以上。

台灣的IT產業有熱的問題後,作者就開始於各項電子冷卻之基礎之研究,並於1993年起與各Cooler業者合作,在工科系建立先進冷卻散熱實驗室,在電子散熱領域中,其ACL (Advanced Cooler Lab.)實驗室是台灣相當獨特的一個實驗室,從1994486 CPU散熱問題開始,ACL 就開始開發各種不同之測試裝置與其附加測試軟體,並將各研究之成果研發成可以應用於業界之產品,例如軸流風扇翼型設計軟體,鰭片散熱設計軟體,熱管設計模擬軟體等等,以達到產、學一體的目標。ACL實驗室因此成為台灣唯一可以由風扇設計、鰭片設計、熱管設計,T. I.M. (Thermal grease)CPL/LHP (Capillary pump loop/Loop heat pipe)micro CPL deviceLED散熱與綠建築設計等的基礎研究到實驗裝置、測試標準等之建立都能夠自行開發。同時也於2007年成功開發了第一台成型熱管真空壓力測量儀器。2011年發展出LED晶片內部熱阻結構之分析測量儀器,以及晶片接端溫度(junction temperature)之量測,2013年起利用其實驗室開始節能等大型設計,例如嘗試應用毛細泵吸兩相迴路CPL的概念,建立太陽能熱能儲存。2015年發展出第一部利用Angstrom理論作為量測一維及二維擴散熱阻之測量儀器,有效解決均溫片、石墨片等材料之擴散量測問題。也因此該實驗室除了遠紅外線攝像儀、3滾筒分散機、黏滯係數測試機埰購自國外品牌外,其他裝置都由該實驗室自行設計研發,這是ACL實驗室非常獨到的特色。

目錄

1 章 電子構裝 CPU 散熱歷史演化

2 章 基礎熱傳及熱傳經驗公式應用在電子構裝散熱之介紹

3 章 基礎流力應用在電子構裝組件壓降計算之介紹

4 章 封裝晶片接端溫度(Junction temperature TJ)之理論推導

5 章 散熱系統之熱解析與案例演練

6 章 熱阻測試裝置之設計(Dummy Heater)與量測原理

7 章 AMCA 風洞測量技術與風扇及鰭片之性能測試

8 章 熱管理論與實務應用

9 章 LED 熱散問題之癥結

10 章 如何測量熱管、均溫板或石墨片的有效Keff

書籍試閱

  電子構裝散熱成為顯學是從1982Intel 386有散熱的問題而開始,其實所專注的是在電腦散熱的問題,因此當我們在講電子構裝散熱的時候,跟一般的節能系統的冷凍空調目標是相同的,但是其技巧卻有很大的不同。一般節能冷凍空調用了許多主動元件(幫浦、壓縮機)、熱交換器等等,都是屬於比較大型的物件。在電子構裝散熱由於體積之限制,體積是越小越好,除了散熱以外還要達到均溫的效果,當然最重要的是價格。因此電子構裝散熱的問題不比一般的散熱系統好解決,由於體積之限制,使其反而還要更加困難。本書是作者根據30年之教書經驗,以及親身經歷CPU之散熱演化史以及IT產業所應用到的各項散熱工具及原理,作一有系統之介紹,主要目的是讓有心想要進入此一領域之非工程背景的學生或專業人士也能有一個全盤之理解,另外對於專業製造廠商研究員則能透過此書,對於一些測試原理或現象有較清楚之概念,免於做了許多白工而浪費了無謂的時間與錯誤的實驗。本書第二版增加了如何測量熱管、均溫板或石墨片的有效Keff值。2020年開始是5G世代元年,因此石墨片(烯)、超薄熱管、超薄均溫板將大量被使用,尤其在超薄熱管與均溫板之3大性能指標:熱擴散率(有效熱擴散傳導係數)、平整度以及最大熱傳量之量測最為大家想知道。熱管及均溫板之有效熱傳導係數由於沒有像銅鋁等純物質之固定標準值可參考,因此第10章特別提供了量測這些材料的方法做為讀者之參考。

  感謝過去20年與我一起做研究之畢業或現在正在研究所的同學,由於他們的努力,經驗的累積才能傳承,我也要謝謝楊于萱,謝令傑,莊宇軒、王崧任、黃信輔同學幫我整理資料,當然清華大學對於老師在教科書的支持,也是重要助力的因素,希望這本書能讓在對電子散熱需求的研究人員真正做到有形的幫助。感謝我的太太、小孩,他們都是鞭策我寫這本書的最大動力。

林唯耕

清華大學工科系

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