大屏幕液晶电视微通道散热数值模拟

王淑芳，杨智勇，李明海

(1.北京联合大学 机电学院 北京市智能机械创新设计服务工程技术研究中心，北京100020；2.航天长征火箭技术有限公司，北京100076)



大屏幕液晶电视微通道散热数值模拟

王淑芳1，杨智勇2，李明海1

(1.北京联合大学 机电学院 北京市智能机械创新设计服务工程技术研究中心，北京100020；2.航天长征火箭技术有限公司，北京100076)

针对大屏幕液晶电视存在的散热问题，在综合考虑实际工况和MEMS技术基础上，设计了集成微通道的模拟液晶电视LED背光组件芯片。采用ANYSIS软件，对不采用微通道散热和采用40 μm微通道流速为0.000 1 m/s散热时的效果进行了数值模拟。在此基础上改变入口流速，模拟了不同入口流速对散热性能的影响。数值模拟结果证明，该方案设计具有高度的可靠性和可行性，可以在未来的电视设计技术中取得应用。

液晶电视；微通道；集成芯片冷却；数值模拟；微流体

随着LED技术的发展，大屏幕液晶电视的超薄化成为可能。与此同时，客户对电视屏幕的厚度提出更多的要求[1]。一方面，超薄设计提高了电视的热功率密度；另一方面，超薄设计压缩了电视的散热空间。两方面结合最终导致液晶电视出现严重的散热问题，网络频频曝出液晶电视开机一段时间屏幕就特别烫的现象就是证明。经调研，液晶电视中发热量最大的两个组件为LED背光模组和电源板，其中LED背光模组是发热大户，占到了电视整机发热量的80%左右[2-3]。液晶电视的正常工作温度要求在-20～60 ℃，而我国很多地区夏季温度温度已经上升至40 ℃以上。周围环境温度高导致电视热量无法散出，而过高的温度常常降低电视的使用寿命[4]。

虽然在电视上尚未采用微通道液冷技术，但在高热流密度芯片散热中通过微通道散热已成为共识[5]。早在几十年前，研究者们就芯片热预测问题、热仿真方法、热实验方法热评估方法等方面进行了大量的探索[6-8]。作为一个比较新的科学问题，微通道散热还有很多未知的研究领域。其技术应用领域也正待拓展。在前人研究基础上，本文提出一种LED背光模组内集成微流体通道的散热方法并仿真验证思路的可行性。

1　液晶电视LED背光模组集成微通道模拟芯片模型设计

目前芯片集成化程度越来越高，而芯片体积却越来越小，其内部热功率密度达到100 W/cm2。本文的研究重点在于散热，并不考虑LED背光模组可实现的电路功能。为此，设计了一种采用MEMS技术实现的集成微通道芯片。芯片设计考虑如下因素：芯片材质和整体尺寸，发热模拟和温度采集，微通道出入口和尺寸设计。

1)对于芯片材质问题需要考虑芯片实际情况。目前，大规模集成电路芯片都采用硅作为基础材料，同时硅基的热导率较高，与电视散热功能切合，因此本文模拟集成芯片的主要材质选择两片硅基。一片硅基上表面溅射铂丝模拟LED背光模组，下表面蚀刻80 μm微通道；另一片硅基上表面蚀刻80 μm微通道。二者通过阳极键合共同构成芯片整体结构。液晶电视LED背光模组集成微通道模拟芯片剖面示意图如图1所示。

图1　微通道散热集成芯片剖面示意图

2)鉴于不考虑电路功能，只需采用嵌入式加热器件代替工作电路。综合考虑各种加热器件，铂丝同时具备加电压产生热和温度采集功能。因此在硅基上表面溅射200 nm厚的铂丝模拟热点，增加200 μm宽的铂丝引线通过金丝纤焊引至芯片外的PCB板，同时实现温度采集功能。6个热点由10 μm宽的铂丝做成蛇形弯曲模拟，热点所占面积区域分别为260 μm×21 μm×200 nm，其热功率0.5 W，其热功率密度达到100 W/cm2。模拟热点尺寸形状示意图如图2所示。

图2　模拟热点设计示意图

3)微通道设计在硅基和硅基结合面上，由微泵、微储液槽槽、进口、出口以及微通道、微通道间隔共同组成，如图3所示。其中微通道长度为4 mm，微通道宽度为40 μm，微通道间隔为40 μm。

图3　微通道结构示意图

对于液晶电视LED背光模组集成微通道模拟芯片而言，需要模拟热点工作产生热量模拟电路工作，同时需要在微通道内通过流体带走热量。由于硅基有一定的厚度，所以热流量在硅基形成的固体区域内进行热传递，此时热传递的方式主要是热传导；流体和硅基微通道壁面的接触面称为流固耦合面，耦合面热传递的方式是对流传热；微通道的流体内进行的热传递方式是对流传热。综上所述，在此集成芯片内存在热传导和对流传热两种方式。

从理论上说，微通道越细、数量越多、排布的越密使得流固接触面积越大，对流换热面积也就越大，散热能力也就越强。本文的研究对象热点区域的尺寸是260 μm×21 μm，微通道单元的宽度在20～200 μm之间，其特征尺度介于宏观和微观之间。Yew Mun Hung等提出物体的尺寸即使小到微米的量级，它仍比分子平均自由程高1～2个数量级，所以连续介质假定和Navier-Stokes方程仍然是适用的[9]。

2　液晶电视LED背光模组集成微通道芯片散热数值模拟

2.1数值模拟假设和边界条件

微通道壁面中硅基表面可导热而玻璃基为等温绝热，硅基的导热率为138.5 W/mK。假设流固耦合面没有速度滑移，其中微通道内工质为去离子水，正常情况下液体的密度随温度和压强变化不大，可假定为常数。液体的热胀性也较小，可以忽略。数值模拟中对模型作如下假设和简化：1)微流体为常物性，且为定常流动；2)忽略热辐射和空气自然对流散热，假定硅基、玻璃基的外表面绝热。

边界条件设置如下：1)模拟热点与硅基的接触面为固固传热，微流体与硅基的接触面为流固传热；2)模拟热点的外壁面为绝热面；3)流体入口设为速度入口，出口设为自由出口；4)模拟热点作为体热源(热流密度为100 W/cm2)。

2.2几何模型

在UG软件中建立液晶电视LED背光模组集成微通道芯片的几何模型，为了清晰准确全方位地表达温度变化，本文采用三维结构模型。该结构由双层硅基结构构成，硅基上切割出一块2 000 μm×200 μm×200 nm的区域作为模拟热区，硅基与玻璃基的贴合面上划分出微流体通道，包括微槽、微流体进出口和微通道。集成芯片模型中的6个模拟热点尺寸完全一样，都是260 μm×21 μm×200 nm(热功率0.5 W)，微通道设计为微通道宽40 μm，深度160 μm，微通道间隔40 μm。微通道集成芯片几何模型如图4所示。

图4　微通道集成芯片几何模型

2.3数值模拟方法

目前，微流体数值模拟方法主要有连续介质模型、基于分子的模型以及介观模拟方法。对于微流体散热而言，微通道内微流体的流动必须是连续的才能保证散热的连续性。

数值模拟采用连续性方程，定义热源热流密度为3.56×1011W/m3，采用Globe Dynamic Model Control方程，进口给定流速为0.000 1 m/s，初始温度为293 K，出口设置为openning。为便于比较，本文先数值模拟不加微通道散热的状态，之后模拟加微通道并给定不同流速时的状况。

3　数值模拟结果及分析

在ANYSIS软件中经100个计算步长后数值模拟结果收敛。其中，未加微通道散热的硅基表面温度如图5所示。由图可知，经过了足够长的计算时间之后，硅基表面基本达到热平衡，热点区的温度为409.1 K(135.95 ℃)，最低温度为406.9 K(133.75 ℃)，温度变化范围在2.2 ℃。但这个温度对于液晶电视的中的电子设备而言是太高了。

图5　未加微通道散热硅基表面温度分布

设置微通道芯片内微流体入口流速流速从0.000 1 m/s以0.000 1的增幅增加到0.001 m/s，硅基表面温度分布数值模拟趋势图如图6所示。入口流速为0.000 1 m/s时硅基表面最高温度369.6 K(94.45 ℃)，最低温度364.9 K(89.75 ℃)；流速达到0.001 m/s时硅基表面最高温度312.9 K(41.75 ℃)，最低温度309.5 K(38.25 ℃)；流速达到0.005 m/s时硅基表面最高温度298.2 K(25.05 ℃)，最低温度295.7 K(22.55 ℃)。由图可知，硅基表面最高温度和最低温度随微流体流速变化趋势大致相同，都是随着入口流速的增加急剧降低；流速达到0.001 m/s后温度趋于稳定；之后流速的增加对换热效果影响减小。如图6所示，入口流速为0.004 m/s和0.005 m/s时芯片表面温度一致。其中，入口流速为0.005 m/s时的数值模拟结果如图7所示。仿真结果表明，电视LED背光组件集成微通道散热有较好的冷却效果。温度稳定在25 ℃左右，完全满足大屏幕电视正常工作条件。

图6　硅基表面温度随入口流速变化趋势

图7　硅基表面温度随入口温度变化趋势

该数值模拟结果表明，液晶电视LED背光模组集成微通道芯片散热技术是可行的，并且能将其温度降至25 ℃。即使在夏天，该设计方案也能满足液晶电视的正常工作。

4　小结

本文在前人研究基础上提出大屏幕液晶电视内LED背光组件集成微流体芯片模型设计方法，即硅基与硅基阳极键合的芯片结构，溅射铂丝模拟电路工作发热，微通道中通过微流体流动实现热量的传递。本文采用ANYSIS软件对进行数值模拟，仿真了未加微通道散热和增加微通道散热时的效果，又仿真了不同入口流速下集成芯片热区温度的变化。数值模拟结果表明，该设计方案能够实现大屏幕液晶电视的散热功能，可以在未来的电视技术中得到良好的应用。

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王淑芳(1975— )，女，博士，副教授，主要研究方向为控制理论及其在散热技术中的应用；

杨智勇(1976— )，硕士，高级工程师，主要研究方向为航空航天技术及其应用等；

李明海(1977— )，硕士，主要研究方向为计算机仿真技术。

责任编辑：闫雯雯

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

国家自然科学基金项目(50404015)；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目(CIT&TCD20140409)

2015-12-25

文献引用格式：王淑芳，杨智勇，李明海. 大屏幕液晶电视微通道散热数值模拟[J].电视技术，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.