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研究生： 黃瀚樑
Huang, Han-Liang
論文名稱： 導熱膠片與絕熱材料熱傳導係數量測之可靠度分析
The reliability analysis of thermal conductivity measurement at Thermal Pad and Thermal insulated materials
指導教授： 林唯耕
Lin, Wei-Keng
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 散熱膏 、導熱膠片 、絕熱材料
外文關鍵詞： Thermal Grease, Thermal Pad, Thermal insulated materials
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    • 摘要
    在電子構裝散熱中，為了降低散熱模組與發熱源的表面接觸熱阻，故需要使用熱介面材料(Thermal Interface Material, T.I.M.)把CPU所產生的高熱有效的帶走以達到散熱的目的，本實驗室所開發建立一套熱介面材料量測系統，此系統可精準量測出熱介面材料之性質。本論文主要目的在藉由此一熱介面材料量測系統量測分析導熱膠片與絕熱材料之熱傳導性質。絕熱材料已是能源開發、節約工程的重要組成，是與生態、環境保護和可持續發展密切相關的行業，針對絕熱材料之熱傳導性質分析研究對未來能源工程必然是重要的依據。實驗結果在Thermal Grease與Thermal Pad上都有相當好的準確性，故利用此一熱介面材料量測系統量測分析絕熱材料之熱傳導性質，在理論模組建立上可避免因絕熱材料之表面接觸熱阻造成測量結果的影響並且求得該材料之真實熱傳導係數。
    本論文實驗分為三大部分：第一部分為T.I.M.量測平台的穩定性分析，第二部份為利用T.I.M.量測平台實驗分析Thermal Pad之熱傳導性質，第三部份為利用T.I.M.量測絕熱材料熱傳導性質實驗分析。
    由實驗結果可以發現， 在Thermal Grease量測部分T.I.M.量測平台所量測出道康寧TC-5121及信越7762熱傳導係數重複性相對誤差皆在1%以下。在Thermal Pad量測部分利用SAINT-GOBAIN先進材料公司所委託14種樣品，以及崇越科技的1種樣品測試，在這15個樣品測試中重複性與再線性相對誤差皆在10%以下，故本量測平台具有良好的穩定性與準確性。因此使用此量測平台測量絕熱材料之熱傳導性質。利用已知性質之電木、鐵氟龍等材料測量進行比對，絕熱材料在控制不同厚度下所量測之材料熱阻值亦有所不同，隨著材料厚度增加其所對應之總熱阻值相對遞增，由實驗結果得知若將絕熱材料試片厚度控制在1.5mm以下時，T.I.M.量測平台所測量出的絕熱材料之熱傳導係數與文獻參考值之相對誤差皆在10%以下，顯示此一熱介面材料量測系統無論在導熱膠片及絕熱材料量測上，皆具有相當好的穩定性與準確性。

    Abstract
    In order to reduce the thermal resistance contact from thermal modules and heat source, we need to use thermal interface material (Thermal Interface Material, TIM) to effectively remove the heat which is generated by the CPU and achieve the purpose of cooling. Developed in our laboratory, we establish a measurment system for the measurment of thermal interface materials. This system can accurately measure the properties of thermal interface materials. The main purpose of this paper is to gauge and analyze the thermal conductivity of thermal pad and insulation materials by using the TIM measurment system. Thermal conductivity analysis of insulation materials must be a very important basis of energy engineering in the future.

    The results can be found in the following experiments. The relative error of thermal conductivity’s repeatability were less than 1% when measuring Thermal Grease ( using Dow Coning TC-5121 and Shin-Etsu 7762 ) by TIM measurement system. When measuring 15 kinds of Thermal Pad’s thermal conductivity ( using 14 kinds of samples from the SAINT-GOBAIN Advanced Materials (Taiwan) Co.,Ltd and one from the TSC ).We can found that the relative error of repeatability and reproducibility were below 10%. As mentioned above, TIM measurement system has high stability and accuracy. Therefore, we use TIM measurement system to gauge and analyze the thermal conductivity of insulation materials. Measure and compare some materials, such as bakelite and teflon, which their thermal conductivity properties had been known. The experimental results shows that we control the thickness of insulation material below 1.5mm, the relative error of thermal conductivity which was gauged by the TIM measurement system, and the theoretical value will less than 10%. These results also indicated that this TIM measurement system have high stability and accuracy in measureing Thermal Pad and insulation materials.

    目　錄 摘要 i 致謝 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 ix 第一章　緒論 1 1-1前言 1 1-2研究動機與目的 3 1-3文獻回顧 4 1-4章節概述 7 第二章　原理分析與理論模式 8 2-1材料的熱力性質 8 2-2金屬材料熱傳導係數理論分析 10 2-3 ASTM—D5470理論分析 12 2-4 熱傳導係數理論分析 13 2-4.1 Thermal Grease熱傳導係數理論分析 13 2-4.2 Thermal Pad熱傳導係數理論分析 15 2-4.3絕熱材料熱傳導係數理論分析 17 第三章 實驗設備與方法 20 3-1實驗設備 20 3-1.1 T.I.M.量測平台與治具設計製作 20 3-1.2電源供應器與訊號接受 24 3-1.3可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller） 27 3-1.4冷卻系統 28 3-1.5 spacer之設計製作 31 3-1.6 T.I.M.量測平台整合主體架構 32 3-2 儀器校正與實驗步驟 34 3-2.1 實驗前儀器校正 34 3-2.1.1 檢查T型熱電偶檢查: 34 3-2.2熱介面材料之熱傳導係數量測操作流程 34 3-2.2.1 Thermal Grease 34 3-2.2.2 Thermal Pad 36 3-2.2.3絕熱材料 37 3-2.3 T.I.M.量測系統操作注意事項 38 3-3實驗裝置圖 39 第四章 結果與討論 45 4-1 T.I.M.量測系統穩定性分析實驗 46 4-1.1 T.I.M.量測系統穩定性分析結果與討論 47 4-2 Thermal Pad熱傳導係數實驗分析 56 4-2.1 Thermal Pad熱傳導係數實驗結果與討論 56 4-3 絕熱材料熱傳導係數實驗分析 79 4-3.1絕熱材料熱傳導係數實驗結果與討論 79 第五章 結論 88 附錄　T.I.M.量測系統軟體操作手冊 89 參考文獻 130 圖目錄 圖1-1 T.I.M.說明圖例 1 圖1-2 Thermal Pad 2 圖1-3 Thermal Grease 2 圖2-1 ASTM—D5470之熱傳分析圖 12 圖2-2 熱介面材料之熱分析系統 13 圖2-3 Rth,tot與L之關係圖 14 圖2-4 不同厚度Thermal Pad 15 圖2-5 Thermal Pad壓力V.S厚度 16 圖2-6 Thermal Pad總熱阻值V.S系統壓力 16 圖2-7 Thermal Pad總熱阻值與厚度關係圖 17 圖2-8 絕熱材料熱分析系統 17 圖2-9 不同厚度絕熱材料 18 圖3-1 上治具設計資料 22 圖3-2 下治具設計資料 23 圖3-3 電源供應器箱體面版介面 24 圖3-4 電源供應器箱體背面接點 26 圖3-5 電源供應器箱體基本尺寸 27 圖3-6 T.I.M.量測平台之冷卻系統 29 圖3-7 spacer設計圖 31 圖3-8 T.I.M.主體架構設計圖 32 圖3-9 T.I.M.量測平台系統示意圖 33 圖3-10 上治具實體圖 39 圖3-11 下治具實體圖 40 圖3-12 推拉力計與八爪手實體圖 40 圖3-13 散熱模組 41 圖3-14 T.I.M.量測平台整合主體架構實體圖。 41 圖3-15 電源供應器箱體實體圖 42 圖3-16 T.I.M.量測系統實體圖 42 圖3-17 spacer實體圖 43 圖3-18 深度計實體圖 43 圖3-19 可程式邏輯控制器 44 圖4-1 T.I.M.量測平台 46 圖4-2 散熱膏之外觀顏色 47 圖4-3 TC-5121實驗第一組結果 48 圖4-4 TC-5121實驗第二組結果 49 圖4-5 TC-5121實驗第三組結果 50 圖4-6 SE-7762實驗第一組結果 52 圖4-7 SE-7762實驗第二組結果 53 圖4-8 SE-7762實驗第三組結果 54 圖4-9 深度計實體圖 57 圖4-10 厚度規實體圖 57 圖4-11.1 Sample 1 樣品實體圖 60 圖4-11.2 Sample 1準確性實驗結果 60 圖4-12.1 Sample 2樣品實體圖 61 圖4-12.2 Sample 2準確性實驗結果 61 圖4-13.1 Sample 3 樣品實體圖 62 圖4-13.2 Sample 3準確性實驗結果 62 圖4-14.1 Sample 4 樣品實體圖 63 圖4-14.2 Sample 4 準確性實驗結果 63 圖4-15.1 Sample 5 樣品實體圖 64 圖4-15.2 Sample 5 準確性實驗結果 64 圖4-16.1 Sample 6 樣品實體圖 65 圖4-16.2 Sample 6 準確性實驗結果 65 圖4-17.1 Sample 7 樣品實體圖 66 圖4-17.2 Sample 7 準確性實驗結果 66 圖4-18.1 Sample 8 樣品實體圖 67 圖4-18.2 Sample 8 準確性實驗結果 67 圖4-19.1 Sample 9 樣品實體圖 68 圖4-19.2 Sample 9 準確性實驗結果 68 圖4-20.1 Sample 10 樣品實體圖 69 圖4-20.2 Sample 10 準確性實驗結果 69 圖4-21.1 Sample 11 樣品實體圖 70 圖4-21.2 Sample 11 準確性實驗結果 70 圖4-22.1 Sample 12 樣品實體圖 71 圖4-22.2 Sample 12 準確性實驗結果 71 圖4-23.1 Sample 13 樣品實體圖 72 圖4-23.2 Sample 13 準確性實驗結果 72 圖4-24.1 Sample 14 樣品實體圖 73 圖4-24.2 Sample 14 準確性實驗結果 73 圖4-25.1 崇越樣品實體圖 74 圖4-25.2 崇越準確性實驗結果 74 圖4-26.1 電木材料實體圖 80 圖4-26.2 電木材料Rth-L實驗圖 81 圖4-27.1 鐵氟龍材料實體圖 82 圖4-27.2 鐵氟龍Rth-L實驗圖 83 圖4-28.1 聚二醚酮(PEEK)材料實體圖 84 圖4-28.2 聚二醚酮(PEEK) Rth-L實驗圖 85 表目錄 表1-1 各式材料與量測方式 4 表1-2 各量測方式說明 5 表3-1 測試治具尺寸資料 21 表3-2 恆溫水槽規格 29 表3-3 風扇鰭片之規格 30 表3-4 T.E致冷晶片之規格 30 表3-5 spacer尺寸基本資料 31 表4-1 TC-5121實驗第一組結果 48 表4-2 TC-5121實驗第二組結果 49 表4-3 TC-5121實驗第三組結果 50 表4-4 TC-5121準確性誤差 51 表4-5 TC-5121重複性(Repeatability)誤差 51 表4-6 SE-7762實驗第一組結果 52 表4-7 SE-7762實驗第二組結果 53 表4-8 SE-7762實驗第三組結果 54 表4-9 SE-7762標準性誤差 55 表4-10 SE-7762重複性(Repeatability)誤差 55 表4-11 T.I.M.深度計測試校正表 58 表4-12 T.I.M.深度計測試校正表 59 表4-13 Sample 1準確性實驗結果 60 表4-14 Sample 2準確性實驗結果 61 表4-15 Sample 3準確性實驗結果 62 表4-16 Sample 4 準確性實驗結果 63 表4-17 Sample 5 準確性實驗結果 64 表4-18 Sample 6 準確性實驗結果 65 表4-19 Sample 7 準確性實驗結果 66 表4-20 Sample 8 準確性實驗結果 67 表4-21 Sample 9 準確性實驗結果 68 表4-22 Sample 10 準確性實驗結果 69 表4-23 Sample 11 準確性實驗結果 70 表4-24 Sample 12 準確性實驗結果 71 表4-25 Sample 13 準確性實驗結果 72 表4-26 Sample 14 準確性實驗結果 73 表4-27 崇越準確性實驗結果 74 表4-28 準確性測試結果 75 表4-29 Thermal Pad 重複性(Repeatability)測試結果 76 表4-30 Thermal Pad測試再現性與誤差數據 77 表4-31 電木材料實驗數據 80 表4-32 鐵氟龍材料實驗數據 82 表4-33 聚二醚酮(PEEK)材料實驗數據 84 表4-34 電木材料準確性實驗第一組數據 86 表4-35 電木材料準確性實驗第二組數據 86 表4-36 鐵氟龍材料準確性實驗第一組數據 86 表4-37 鐵氟龍材料準確性實驗第二組數據 86 表4-38 聚二醚酮材料準確性實驗第一組數據 87 表4-39 聚二醚酮材料準確性實驗第二組數據 87

    參考文獻
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