大屏幕液晶電視微通道散熱數(shù)值模擬

王淑芳，楊智勇，李明海

(1.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京100020；2.航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司，北京100076)

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大屏幕液晶電視微通道散熱數(shù)值模擬

王淑芳1，楊智勇2，李明海1

(1.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京100020；2.航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司，北京100076)

針對(duì)大屏幕液晶電視存在的散熱問(wèn)題，在綜合考慮實(shí)際工況和MEMS技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了集成微通道的模擬液晶電視LED背光組件芯片。采用ANYSIS軟件，對(duì)不采用微通道散熱和采用40 μm微通道流速為0.000 1 m/s散熱時(shí)的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上改變?nèi)肟诹魉伲M了不同入口流速對(duì)散熱性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果證明，該方案設(shè)計(jì)具有高度的可靠性和可行性，可以在未來(lái)的電視設(shè)計(jì)技術(shù)中取得應(yīng)用。

液晶電視；微通道；集成芯片冷卻；數(shù)值模擬；微流體

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，大屏幕液晶電視的超薄化成為可能。與此同時(shí)，客戶對(duì)電視屏幕的厚度提出更多的要求[1]。一方面，超薄設(shè)計(jì)提高了電視的熱功率密度；另一方面，超薄設(shè)計(jì)壓縮了電視的散熱空間。兩方面結(jié)合最終導(dǎo)致液晶電視出現(xiàn)嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)頻頻曝出液晶電視開(kāi)機(jī)一段時(shí)間屏幕就特別燙的現(xiàn)象就是證明。經(jīng)調(diào)研，液晶電視中發(fā)熱量最大的兩個(gè)組件為L(zhǎng)ED背光模組和電源板，其中LED背光模組是發(fā)熱大戶，占到了電視整機(jī)發(fā)熱量的80%左右[2-3]。液晶電視的正常工作溫度要求在-20～60 ℃，而我國(guó)很多地區(qū)夏季溫度溫度已經(jīng)上升至40 ℃以上。周圍環(huán)境溫度高導(dǎo)致電視熱量無(wú)法散出，而過(guò)高的溫度常常降低電視的使用壽命[4]。

雖然在電視上尚未采用微通道液冷技術(shù)，但在高熱流密度芯片散熱中通過(guò)微通道散熱已成為共識(shí)[5]。早在幾十年前，研究者們就芯片熱預(yù)測(cè)問(wèn)題、熱仿真方法、熱實(shí)驗(yàn)方法熱評(píng)估方法等方面進(jìn)行了大量的探索[6-8]。作為一個(gè)比較新的科學(xué)問(wèn)題，微通道散熱還有很多未知的研究領(lǐng)域。其技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也正待拓展。在前人研究基礎(chǔ)上，本文提出一種LED背光模組內(nèi)集成微流體通道的散熱方法并仿真驗(yàn)證思路的可行性。

1　液晶電視LED背光模組集成微通道模擬芯片模型設(shè)計(jì)

目前芯片集成化程度越來(lái)越高，而芯片體積卻越來(lái)越小，其內(nèi)部熱功率密度達(dá)到100 W/cm2。本文的研究重點(diǎn)在于散熱，并不考慮LED背光模組可實(shí)現(xiàn)的電路功能。為此，設(shè)計(jì)了一種采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的集成微通道芯片。芯片設(shè)計(jì)考慮如下因素：芯片材質(zhì)和整體尺寸，發(fā)熱模擬和溫度采集，微通道出入口和尺寸設(shè)計(jì)。

1)對(duì)于芯片材質(zhì)問(wèn)題需要考慮芯片實(shí)際情況。目前，大規(guī)模集成電路芯片都采用硅作為基礎(chǔ)材料，同時(shí)硅基的熱導(dǎo)率較高，與電視散熱功能切合，因此本文模擬集成芯片的主要材質(zhì)選擇兩片硅基。一片硅基上表面濺射鉑絲模擬LED背光模組，下表面蝕刻80 μm微通道；另一片硅基上表面蝕刻80 μm微通道。二者通過(guò)陽(yáng)極鍵合共同構(gòu)成芯片整體結(jié)構(gòu)。液晶電視LED背光模組集成微通道模擬芯片剖面示意圖如圖1所示。

圖1　微通道散熱集成芯片剖面示意圖

2)鑒于不考慮電路功能，只需采用嵌入式加熱器件代替工作電路。綜合考慮各種加熱器件，鉑絲同時(shí)具備加電壓產(chǎn)生熱和溫度采集功能。因此在硅基上表面濺射200 nm厚的鉑絲模擬熱點(diǎn)，增加200 μm寬的鉑絲引線通過(guò)金絲纖焊引至芯片外的PCB板，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度采集功能。6個(gè)熱點(diǎn)由10 μm寬的鉑絲做成蛇形彎曲模擬，熱點(diǎn)所占面積區(qū)域分別為260 μm×21 μm×200 nm，其熱功率0.5 W，其熱功率密度達(dá)到100 W/cm2。模擬熱點(diǎn)尺寸形狀示意圖如圖2所示。

圖2　模擬熱點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖

3)微通道設(shè)計(jì)在硅基和硅基結(jié)合面上，由微泵、微儲(chǔ)液槽槽、進(jìn)口、出口以及微通道、微通道間隔共同組成，如圖3所示。其中微通道長(zhǎng)度為4 mm，微通道寬度為40 μm，微通道間隔為40 μm。

圖3　微通道結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于液晶電視LED背光模組集成微通道模擬芯片而言，需要模擬熱點(diǎn)工作產(chǎn)生熱量模擬電路工作，同時(shí)需要在微通道內(nèi)通過(guò)流體帶走熱量。由于硅基有一定的厚度，所以熱流量在硅基形成的固體區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熱傳遞，此時(shí)熱傳遞的方式主要是熱傳導(dǎo)；流體和硅基微通道壁面的接觸面稱為流固耦合面，耦合面熱傳遞的方式是對(duì)流傳熱；微通道的流體內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞方式是對(duì)流傳熱。綜上所述，在此集成芯片內(nèi)存在熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱兩種方式。

從理論上說(shuō)，微通道越細(xì)、數(shù)量越多、排布的越密使得流固接觸面積越大，對(duì)流換熱面積也就越大，散熱能力也就越強(qiáng)。本文的研究對(duì)象熱點(diǎn)區(qū)域的尺寸是260 μm×21 μm，微通道單元的寬度在20～200 μm之間，其特征尺度介于宏觀和微觀之間。Yew Mun Hung等提出物體的尺寸即使小到微米的量級(jí)，它仍比分子平均自由程高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以連續(xù)介質(zhì)假定和Navier-Stokes方程仍然是適用的[9]。

2　液晶電視LED背光模組集成微通道芯片散熱數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模擬假設(shè)和邊界條件

微通道壁面中硅基表面可導(dǎo)熱而玻璃基為等溫絕熱，硅基的導(dǎo)熱率為138.5 W/mK。假設(shè)流固耦合面沒(méi)有速度滑移，其中微通道內(nèi)工質(zhì)為去離子水，正常情況下液體的密度隨溫度和壓強(qiáng)變化不大，可假定為常數(shù)。液體的熱脹性也較小，可以忽略。數(shù)值模擬中對(duì)模型作如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：1)微流體為常物性，且為定常流動(dòng)；2)忽略熱輻射和空氣自然對(duì)流散熱，假定硅基、玻璃基的外表面絕熱。

邊界條件設(shè)置如下：1)模擬熱點(diǎn)與硅基的接觸面為固固傳熱，微流體與硅基的接觸面為流固傳熱；2)模擬熱點(diǎn)的外壁面為絕熱面；3)流體入口設(shè)為速度入口，出口設(shè)為自由出口；4)模擬熱點(diǎn)作為體熱源(熱流密度為100 W/cm2)。

2.2幾何模型

在UG軟件中建立液晶電視LED背光模組集成微通道芯片的幾何模型，為了清晰準(zhǔn)確全方位地表達(dá)溫度變化，本文采用三維結(jié)構(gòu)模型。該結(jié)構(gòu)由雙層硅基結(jié)構(gòu)構(gòu)成，硅基上切割出一塊2 000 μm×200 μm×200 nm的區(qū)域作為模擬熱區(qū)，硅基與玻璃基的貼合面上劃分出微流體通道，包括微槽、微流體進(jìn)出口和微通道。集成芯片模型中的6個(gè)模擬熱點(diǎn)尺寸完全一樣，都是260 μm×21 μm×200 nm(熱功率0.5 W)，微通道設(shè)計(jì)為微通道寬40 μm，深度160 μm，微通道間隔40 μm。微通道集成芯片幾何模型如圖4所示。

圖4　微通道集成芯片幾何模型

2.3數(shù)值模擬方法

目前，微流體數(shù)值模擬方法主要有連續(xù)介質(zhì)模型、基于分子的模型以及介觀模擬方法。對(duì)于微流體散熱而言，微通道內(nèi)微流體的流動(dòng)必須是連續(xù)的才能保證散熱的連續(xù)性。

數(shù)值模擬采用連續(xù)性方程，定義熱源熱流密度為3.56×1011W/m3，采用Globe Dynamic Model Control方程，進(jìn)口給定流速為0.000 1 m/s，初始溫度為293 K，出口設(shè)置為openning。為便于比較，本文先數(shù)值模擬不加微通道散熱的狀態(tài)，之后模擬加微通道并給定不同流速時(shí)的狀況。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在ANYSIS軟件中經(jīng)100個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)后數(shù)值模擬結(jié)果收斂。其中，未加微通道散熱的硅基表面溫度如圖5所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)了足夠長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間之后，硅基表面基本達(dá)到熱平衡，熱點(diǎn)區(qū)的溫度為409.1 K(135.95 ℃)，最低溫度為406.9 K(133.75 ℃)，溫度變化范圍在2.2 ℃。但這個(gè)溫度對(duì)于液晶電視的中的電子設(shè)備而言是太高了。

圖5　未加微通道散熱硅基表面溫度分布

設(shè)置微通道芯片內(nèi)微流體入口流速流速?gòu)?.000 1 m/s以0.000 1的增幅增加到0.001 m/s，硅基表面溫度分布數(shù)值模擬趨勢(shì)圖如圖6所示。入口流速為0.000 1 m/s時(shí)硅基表面最高溫度369.6 K(94.45 ℃)，最低溫度364.9 K(89.75 ℃)；流速達(dá)到0.001 m/s時(shí)硅基表面最高溫度312.9 K(41.75 ℃)，最低溫度309.5 K(38.25 ℃)；流速達(dá)到0.005 m/s時(shí)硅基表面最高溫度298.2 K(25.05 ℃)，最低溫度295.7 K(22.55 ℃)。由圖可知，硅基表面最高溫度和最低溫度隨微流體流速變化趨勢(shì)大致相同，都是隨著入口流速的增加急劇降低；流速達(dá)到0.001 m/s后溫度趨于穩(wěn)定；之后流速的增加對(duì)換熱效果影響減小。如圖6所示，入口流速為0.004 m/s和0.005 m/s時(shí)芯片表面溫度一致。其中，入口流速為0.005 m/s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明，電視LED背光組件集成微通道散熱有較好的冷卻效果。溫度穩(wěn)定在25 ℃左右，完全滿足大屏幕電視正常工作條件。

圖6　硅基表面溫度隨入口流速變化趨勢(shì)

圖7　硅基表面溫度隨入口溫度變化趨勢(shì)

該數(shù)值模擬結(jié)果表明，液晶電視LED背光模組集成微通道芯片散熱技術(shù)是可行的，并且能將其溫度降至25 ℃。即使在夏天，該設(shè)計(jì)方案也能滿足液晶電視的正常工作。

4　小結(jié)

本文在前人研究基礎(chǔ)上提出大屏幕液晶電視內(nèi)LED背光組件集成微流體芯片模型設(shè)計(jì)方法，即硅基與硅基陽(yáng)極鍵合的芯片結(jié)構(gòu)，濺射鉑絲模擬電路工作發(fā)熱，微通道中通過(guò)微流體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。本文采用ANYSIS軟件對(duì)進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真了未加微通道散熱和增加微通道散熱時(shí)的效果，又仿真了不同入口流速下集成芯片熱區(qū)溫度的變化。數(shù)值模擬結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)大屏幕液晶電視的散熱功能，可以在未來(lái)的電視技術(shù)中得到良好的應(yīng)用。

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王淑芳(1975— )，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷捌湓谏峒夹g(shù)中的應(yīng)用；

楊智勇(1976— )，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇蘸教旒夹g(shù)及其應(yīng)用等；

李明海(1977— )，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Numerical simulation of micro-channel cooling of LCD TV

WANG Shufang1，YANG Zhiyong2，LI Minghai1

(1.SchoolofMechanicalElectronicinBeijingUnionUniversity，BeijingIntelligentMachineryInnovationDesignServiceEngineeringTechnologyResearchCenter，Beijing100020，China；2.AstronauticsLongMarchRocketTechnologyLimitedCompany，Beijing100076,China)

Aiming at the heat dissipation problem of LCD TV， actual working conditions and the MEMS technology is considered comprehensively. The paper puts forward a cooling design which micro-channels is integrated in the LED backlight module. ANYSIS software is adopted to numerical simulate the cooling effect of the micro channel with 40 μm. On the basis of it， cooling effect is simulated when inlet flow speed is changed. The simulation results prove that the design is feasible and reliability， and good application in TV cooling.

LCD TV； micro-channel； integrated chip cooling；numerical simulation；micro-fluid

TN94

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.007

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50404015)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD20140409)

2015-12-25

文獻(xiàn)引用格式：王淑芳，楊智勇，李明海. 大屏幕液晶電視微通道散熱數(shù)值模擬[J].電視技術(shù)，2016，40(7)：28-31.

WANG S F，YANG Z Y，LI M H. Algorithm for moving object detection based on inter-frame differencing and pyramid LK optical flow methods[J].Video engineering，2016，40(7)：28-31.