臺灣博碩士論文加值系統

本文首先依據ASTM-D5470標準測試建立一熱傳導係數量測系統。利用有限元素分析，瞭解該系統之溫場均勻性。再利用已知熱傳導係數金屬材料，做系統校正，之後利用該系統分別量測不同材料熱傳導係數。最後，利用有限元素法分析堆疊晶片封裝體之散熱行為，並算出該封裝體之熱阻及各介面所散出之熱量，且模擬該封裝體在不同材料熱傳導係數改變下之散熱情形。
利用D5470系統材料熱傳導係數測試方面，經有限元素法模擬得知，該系統之熱電偶所量測表面溫度與中心溫度相同。且不鏽鋼參考熱量計沿著徑向溫度分佈相當均勻。經使用該系統量測，發現在未考慮散熱膏熱阻影響與不鏽鋼參考熱量計熱量損失時，所量測之值偏低，但經量測10 mm 與16 mm之不鏽鋼，可得知修正係數：散熱膏熱阻為0.047 oC/W，且不鏽鋼參考熱量計之熱量需放大1.06倍。將這些修正係數應用於不鏽鋼、石英、電路板及高分子複材之熱傳導係數量測，經證明分別可得到一致性。
在堆疊晶片分析方面，分析得知即使晶片所給功率不一樣，其平均溫度結果約相同，且溫度成同心圓狀分佈。經過計算後，從封裝體頂面所散出之熱量為晶片所供給熱量之33％；經封裝體側面所散出熱量佔全體熱量之24％；經封裝體底面（不含錫球）對流出熱量佔全體之20％；且經錫球所導出熱量為全體之22.4％。當黏晶膠熱傳導係數提高時，晶片中心溫度沒有顯著的變化；而當PCB熱傳導係數提高時，晶片中心平均溫度會明顯的降低，表示熱量越容易經錫球導至PCB板上。

指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書…………………………………………………………………iii
誌謝………………………………………………………………………v
中文摘要………………………………………………………………vi
英文摘要………………………………………………………………vii
目錄……………………………………………………………………viii
表目錄…………………………………………………………………xi
圖目錄…………………………………………………………………xii
第一章 簡介……………………………………………………………1
1.1 研究背景與動機………………………………………………1
1.2 文獻回顧………………………………………………………2
1.3 研究目的………………………………………………………3
1.4 內容概要………………………………………………………4
第二章 熱傳理論………………………………………………………5
2.1 熱傳理論基礎……………………………………………………5
2.1.1 熱傳導理論…………………………………………………5
2.1.2 熱對流理論…………………………………………………6
2.1.3 熱輻射理論…………………………………………………7
2.2 接觸熱阻…………………………………………………………7
第三章 ASTM-D5470熱傳係數量測系統………………………………9
3.1量測原理…………………………………………………………9
3.2 實驗步驟…………………………………………………………11
3.3 測試試片…………………………………………………………12
第四章 有限元素模型建立與假設……………………………………13
4.1 有限元素法之簡介………………………………………………13
4.1.1 有限元素法之架構…………………………………………13
4.2 使用軟體簡介……………………………………………………15
4.3有限元素法熱傳原理……………………………………………15
4.4 ASTM-D5470模型建立……………………………………………18
4.4.1 元素的選擇…………………………………………………18
4.4.2材料性質與網格切割………………………………………18
4.4.3 邊界條件……………………………………………………18
4.5 堆疊晶片封裝體架構……………………………………………19
4.5.1 元素選擇……………………………………………………20
4.5.2 材料性質及網格切割………………………………………20
4.5.3基本假設與邊界條件………………………………………21
第五章 結果與討論……………………………………………………23
5.1 ASTM-D5470有限元素模擬…………………………………23
5.2 ASTM-D5470實驗部分………………………………………24
5.2.1 量測304不鏽鋼……………………………………………24
5.2.2 實驗校正…………………………………………………25
5.2.3 考慮修正係數……………………………………………26
5.2.4 真實石英試片量測………………………………………26
5.2.5 量測單層印刷電路板……………………………………27
5.2.6高密度聚乙烯/碳粉複材…………………………………27
5.3 堆疊晶片封裝體分析…………………………………………27
5.4 材料熱傳導係數探討…………………………………………28
5.4.1 黏晶膠之影響……………………………………………28
5.4.2 PCB之影響………………………………………………29
第六章 結論……………………………………………………………30
參考文獻………………………………………………………………32
附錄I……………………………………………………………………I
附錄II…………………………………………………………………VI
表 目 錄
表4.1 D5470材料參數表………………………………………………32
表4.2 SCSP封裝體各材料參數………………………………………33
表4.3自然對流經驗參數………………………………………………34
圖 目 錄
圖2.1 一維的熱傳導圖………………………………………………38
圖2.2 一平板的熱對流傳遞圖………………………………………39
圖2.3 自然對流示意圖………………………………………………40
圖2.4 強制對流示意圖………………………………………………41
圖2.5 接觸熱阻示意圖………………………………………………42
圖3.1 ASTM-D5470標準測試法示意圖……………………………43
圖3.2 測試系統組裝外觀圖…………………………………………44
圖3.3 溫度資料擷取器圖……………………………………………45
圖 3.4恆溫水槽外觀圖………………………………………………46
圖3.5 實驗溫度顯示畫面圖…………………………………………47
圖3.6 石英試片外觀圖………………………………………………48
圖 3.7 PCB試片外觀圖………………………………………………49
圖3.8 高密度聚乙烯/碳粉複材示意圖………………………………50
圖4.1 控制微小體積元體圖…………………………………………51
圖4.2 依D5470所架設結構尺寸與熱電偶位置圖…………………52
圖 4.3整體模型mesh圖………………………………………………53
圖4.4 堆疊晶片封裝體（SCSP）尺寸圖……………………………54
圖4.5 SCSP組裝在PCB之一半外觀圖……………………………55
圖5.1外部絕熱時之整體模型溫度分佈圖……………………………56
圖5.2絕熱狀態下不鏽鋼熱量計頂部與底部中心與四周溫度圖……57
圖5.3有熱對流係數之整體溫度分佈圖………………………………58
圖5.4對流狀態下不鏽鋼熱量計頂部與底部之中心與四周溫度圖…59
圖5.5 未考慮散熱膏熱阻影響之10 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖…60
圖5.6 未考慮散熱膏熱阻影響之16 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖…61
圖5.7未考慮散熱膏熱阻影響之21.7 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖…62
圖5.8加入修正係數後真實TA與TD位置圖……………………………63
圖5.9考慮散熱膏熱阻影響之10 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖……64
圖5.10考慮散熱膏熱阻影響之16 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖……65
圖5.11考慮散熱膏熱阻影響之21.7 mm不鏽鋼熱傳導係數值圖…66
圖5.12不同厚度不鏽鋼k值量測結果圖………………………………67
圖5.13未考慮散熱膏熱阻影響石英量測值圖………………………68
圖5.14考慮散熱膏熱阻影響石英量測值圖…………………………69
圖 5.15未考慮散熱膏熱阻PCB量測值圖……………………………70
圖5.16 考慮散熱膏熱阻影響之PCB量測值圖………………………71
圖5.17 石英試片與PCB熱傳係數量測值圖…………………………72
圖5.18高密度聚乙烯/碳粉複材試片熱傳導係數值圖………………73
圖5.19 SCSP 局部溫度分佈圖………………………………………74
圖5.20晶片溫度俯視圖………………………………………………75
圖5.21基板下方錫球溫度分佈圖……………………………………76
圖5.22 PCB上方錫球溫度分佈圖……………………………………77
圖 5.23 PCB背面整體溫度分佈圖……………………………………78
圖 5.24黏晶膠熱傳導係數大小與晶片中心溫度及熱阻比較圖……79
圖 5.25 PCB熱傳導係數大小與晶片中心溫度及熱阻比較圖………80

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