大屏幕液晶電視微通道散熱數值模擬

王淑芳，楊智勇，李明海

(1.北京聯(lián)合大學 機電學院 北京市智能機械創(chuàng)新設計服務工程技術研究中心，北京100020；2.航天長征火箭技術有限公司，北京100076)

?

大屏幕液晶電視微通道散熱數值模擬

王淑芳1，楊智勇2，李明海1

(1.北京聯(lián)合大學 機電學院 北京市智能機械創(chuàng)新設計服務工程技術研究中心，北京100020；2.航天長征火箭技術有限公司，北京100076)

針對大屏幕液晶電視存在的散熱問題，在綜合考慮實際工況和MEMS技術基礎上，設計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散熱時的效果進行了數值模擬。在此基礎上改變入口流速，模擬了不同入口流速對散熱性能的影響。數值模擬結果證明，該方案設計具有高度的可靠性和可行性，可以在未來的電視設計技術中取得應用。

液晶電視；微通道；集成芯片冷卻；數值模擬；微流體

隨著LED技術的發(fā)展，大屏幕液晶電視的超薄化成為可能。與此同時，客戶對電視屏幕的厚度提出更多的要求[1]。一方面，超薄設計提高了電視的熱功率密度；另一方面，超薄設計壓縮了電視的散熱空間。兩方面結合最終導致液晶電視出現嚴重的散熱問題，網絡頻頻曝出液晶電視開機一段時間屏幕就特別燙的現象就是證明。經調研，液晶電視中發(fā)熱量最大的兩個組件為LED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 ℃，而我國很多地區(qū)夏季溫度溫度已經上升至40 ℃以上。周圍環(huán)境溫度高導致電視熱量無法散出，而過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，但在高熱流密度芯片散熱中通過微通道散熱已成為共識[5]。早在幾十年前，研究者們就芯片熱預測問題、熱仿真方法、熱實驗方法熱評估方法等方面進行了大量的探索[6-8]。作為一個比較新的科學問題，微通道散熱還有很多未知的研究領域。其技術應用領域也正待拓展。在前人研究基礎上，本文提出一種LED背光模組內集成微流體通道的散熱方法并仿真驗證思路的可行性。

1　液晶電視LED背光模組集成微通道模擬芯片模型設計

目前芯片集成化程度越來越高，而芯片體積卻越來越小，其內部熱功率密度達到100 W/cm2。本文的研究重點在于散熱，并不考慮LED背光模組可實現的電路功能。為此，設計了一種采用MEMS技術實現的集成微通道芯片。芯片設計考慮如下因素：芯片材質和整體尺寸，發(fā)熱模擬和溫度采集，微通道出入口和尺寸設計。

1)對于芯片材質問題需要考慮芯片實際情況。目前，大規(guī)模集成電路芯片都采用硅作為基礎材料，同時硅基的熱導率較高，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。二者通過陽極鍵合共同構成芯片整體結構。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，鉑絲同時具備加電壓產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，增加200 μm寬的鉑絲引線通過金絲纖焊引至芯片外的PCB板，同時實現溫度采集功能。6個熱點由10 μm寬的鉑絲做成蛇形彎曲模擬，熱點所占面積區(qū)域分別為260 μm×21 μm×200 nm，其熱功率0.5 W，其熱功率密度達到100 W/cm2。模擬熱點尺寸形狀示意圖如圖2所示。

圖2　模擬熱點設計示意圖

3)微通道設計在硅基和硅基結合面上，由微泵、微儲液槽槽、進口、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　微通道結構示意圖

對于液晶電視LED背光模組集成微通道模擬芯片而言，需要模擬熱點工作產生熱量模擬電路工作，同時需要在微通道內通過流體帶走熱量。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)域內進行熱傳遞，此時熱傳遞的方式主要是熱傳導；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流傳熱；微通道的流體內進行的熱傳遞方式是對流傳熱。綜上所述，在此集成芯片內存在熱傳導和對流傳熱兩種方式。

從理論上說，微通道越細、數量越多、排布的越密使得流固接觸面積越大，對流換熱面積也就越大，散熱能力也就越強。本文的研究對象熱點區(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，它仍比分子平均自由程高1～2個數量級，所以連續(xù)介質假定和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值模擬

2.1數值模擬假設和邊界條件

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

邊界條件設置如下：1)模擬熱點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)模擬熱點的外壁面為絕熱面；3)流體入口設為速度入口，出口設為自由出口；4)模擬熱點作為體熱源(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，為了清晰準確全方位地表達溫度變化，本文采用三維結構模型。該結構由雙層硅基結構構成，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、微流體進出口和微通道。集成芯片模型中的6個模擬熱點尺寸完全一樣，都是260 μm×21 μm×200 nm(熱功率0.5 W)，微通道設計為微通道寬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數值模擬方法

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

數值模擬采用連續(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，進口給定流速為0.000 1 m/s，初始溫度為293 K，出口設置為openning。為便于比較，本文先數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的狀況。

3　數值模擬結果及分析

在ANYSIS軟件中經100個計算步長后數值模擬結果收斂。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，經過了足夠長的計算時間之后，硅基表面基本達到熱平衡，熱點區(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 ℃。但這個溫度對于液晶電視的中的電子設備而言是太高了。

圖5　未加微通道散熱硅基表面溫度分布

設置微通道芯片內微流體入口流速流速從0.000 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值模擬趨勢圖如圖6所示。入口流速為0.000 1 m/s時硅基表面最高溫度369.6 K(94.45 ℃)，最低溫度364.9 K(89.75 ℃)；流速達到0.001 m/s時硅基表面最高溫度312.9 K(41.75 ℃)，最低溫度309.5 K(38.25 ℃)；流速達到0.005 m/s時硅基表面最高溫度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大致相同，都是隨著入口流速的增加急劇降低；流速達到0.001 m/s后溫度趨于穩(wěn)定；之后流速的增加對換熱效果影響減小。如圖6所示，入口流速為0.004 m/s和0.005 m/s時芯片表面溫度一致。其中，入口流速為0.005 m/s時的數值模擬結果如圖7所示。仿真結果表明，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

圖7　硅基表面溫度隨入口溫度變化趨勢

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

4　小結

本文在前人研究基礎上提出大屏幕液晶電視內LED背光組件集成微流體芯片模型設計方法，即硅基與硅基陽極鍵合的芯片結構，濺射鉑絲模擬電路工作發(fā)熱，微通道中通過微流體流動實現熱量的傳遞。本文采用ANYSIS軟件對進行數值模擬，仿真了未加微通道散熱和增加微通道散熱時的效果，又仿真了不同入口流速下集成芯片熱區(qū)溫度的變化。數值模擬結果表明，該設計方案能夠實現大屏幕液晶電視的散熱功能，可以在未來的電視技術中得到良好的應用。

[1]任健男.CES2008平板電視的諸多看點[J].電視技術，2008(2)：55.

[2]蒲新銘，王琴.淺談電視發(fā)射機的散熱[J].視聽技術與應用，2015(7)：210-211.

[3]彌俊偉.熱管冷卻技術在廣播電視發(fā)射機功放模塊中的應用[J].山西電子技術，2013(4)：64-65.

[4]李玉琴，張榮華，陳文.液晶電視機的熱設計[J].通信與廣播電視，2010(3-4)：56-70.

[5]TUEKERNAN D B，PEASE R E. Optimized convective cooling using micromachined structure[J].Journal of electro-chamical society，1982，129(3)：98-102.

[6]SUKHAREV V. Beyond black’s equation： full-chip EM/SM assessment in 3D IC stack[J]. Microelectronic engineering，2014(120)：99-105.

[7]WU P Y，LITTLE W A.Measurernent of frietion faetors for the flow of gases in very fine channels used for microminlature joule-thompson refgerators[J]. Cryogenics，1983，23(5)：273-277.

[8]SOBHAN C B，GARIMELLA S V. A comparative analysis of studies on heat transfer and fluid flow in microchannels[J]. Microscale thermophys，2001(5)：293-311.

[9]HUNG Y M， GUO N Q.Field-synergy analysis of viscous dissipative nanofluid flow in microchannels[J]. International journal of heat and mass transfer，2014(73)：483-491.

王淑芳(1975— )，女，博士，副教授，主要研究方向為控制理論及其在散熱技術中的應用；

楊智勇(1976— )，碩士，高級工程師，主要研究方向為航空航天技術及其應用等；

李明海(1977— )，碩士，主要研究方向為計算機仿真技術。

責任編輯：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

國家自然科學基金項目(50404015)；北京市屬高等學校高層次人才引進與培養(yǎng)計劃項目(CIT&TCD20140409)

2015-12-25

文獻引用格式：王淑芳，楊智勇，李明海. 大屏幕液晶電視微通道散熱數值模擬[J].電視技術，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.