大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管液冷板散熱性能分析

吳怡逸,王杰,周小淞

(1.貴州民族大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,貴陽 550025; 2.佛山市中山大學(xué)研究院,佛山 528225;3.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,貴陽 550025)

信息技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)高速發(fā)展使芯片的集成尺度和處理能力不斷提升,對芯片散熱技術(shù)和性能提出了更高要求。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)芯片作為高效、節(jié)能、環(huán)保的半導(dǎo)體發(fā)光器件,在固態(tài)照明、紫外殺菌、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[1-2]。目前高效LED電光轉(zhuǎn)換效率較低,輸入功率中約70%轉(zhuǎn)化為熱能[3],隨著LED功率增大,芯片散發(fā)的熱量越多,這些熱量若不能及時有效地導(dǎo)出,將導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高,進(jìn)而影響LED芯片性能的穩(wěn)定性,降低發(fā)光效率,甚至縮短使用壽命[4]。為保證大功率LED芯片的正常工作,一般要求結(jié)溫不高于110 ℃,且溫度均勻分布[5]。因此,除了對大功率LED的溫度進(jìn)行有效測量及控制之外[6],改進(jìn)封裝過程中LED芯片帶來的高熱流密度散熱困難問題,優(yōu)化高效散熱技術(shù)至關(guān)重要。

芯片散熱通常采用自然散熱、風(fēng)冷、液冷、微通道冷卻、噴淋冷卻等外部輔助方式[7-8],其中液冷板因散熱效率高,振動小,噪聲低等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于芯片的高效散熱[9-10]。近年來,大量研究采用數(shù)值模擬方法對通道內(nèi)流動和傳熱過程進(jìn)行分析[11-13]。其中,液冷技術(shù)研究主要集中于流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)[14-16],杜雪濤等[17]利用數(shù)值模擬與試驗的方式對水冷型熱管散熱器內(nèi)部槽道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。劉顯茜等[18]設(shè)計的新型仿生翅脈流道冷板,有效提升了冷板溫度場分布的均勻性,李健等[19]發(fā)現(xiàn)交錯斜排列的菱形翅片具有更好散熱效果,劉建等[20]通過優(yōu)化散熱器內(nèi)部的翅片間距,程亮等[21]通過尋找最優(yōu)翼型翅片配置組合,實現(xiàn)散熱效果的提升。朱澤華等[22]采用復(fù)合液冷的方式,通過將導(dǎo)熱柱和熱擴(kuò)散板與電池模組相連接,實現(xiàn)底部和側(cè)面協(xié)同散熱,提升散熱性能。

現(xiàn)自主設(shè)計了一種混合翅片排列的U形通道結(jié)構(gòu)冷板,基于前期研究發(fā)現(xiàn),相較于傳統(tǒng)流道,該流道設(shè)計具有良好的散熱效果[23]。目前大部分高效散熱冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計都是基于水作為冷卻介質(zhì),而冷卻介質(zhì)的物性對流道內(nèi)部流體流動和傳熱特性有很大影響,其他非水冷卻介質(zhì)的性質(zhì)差異對液冷板內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱效果與阻力特性影響還尚待研究。

目前常用的四類典型冷卻液為水,乙二醇類,酒精類和甘油類[24],其特點如下:①水,最常見的冷卻介質(zhì),通常為蒸餾水,無雜質(zhì)不容易造成腐蝕生銹,但易形成污垢,從而造成阻塞;②乙二醇類,冰點低,低溫環(huán)境下不易凍結(jié),但一旦漏液可能造成中毒等問題;③酒精類,價格低,液動性好,但沸點低,且易揮發(fā)也易燃,容易造成安全事故;④甘油類,沸點高,揮發(fā)性小,不易著火,但成本較高。

基于新型內(nèi)嵌翅片的U形流道冷板結(jié)構(gòu),通過建立熱固耦合三維模型,以冷卻液入口流速作為關(guān)鍵影響因素,系統(tǒng)對比研究四種典型冷卻液類型在液冷板流道內(nèi)的流體流動規(guī)律與傳熱特性,綜合分析其散熱能力與性能,并通過理論計算的方法加以驗證。

1 數(shù)值計算模型與方法

1.1 物理模型

根據(jù)芯片發(fā)熱量和熱阻要求,采用一種自行優(yōu)化設(shè)計的液冷板,其三維物理模型如圖1(a)所示。大功率集成LED芯片置于嵌入式基板上,有效避免與冷板直接接觸造成短路,芯片工作時產(chǎn)生的熱量通過基板傳遞至冷板上蓋板,再與流道中的冷卻介質(zhì)充分換熱,實現(xiàn)高效散熱。其中,冷卻介質(zhì)進(jìn)、出口位于冷板同側(cè)形成U形流道,內(nèi)部采用翅片式、波紋管式組合結(jié)構(gòu)型式,不僅能有效增加換熱面積與換熱時間,提高冷板表面溫度分布均勻性,還可以增加流道內(nèi)部介質(zhì)流動的湍動程度,提升換熱性能。

圖1 液冷板三維結(jié)構(gòu)物理模型與網(wǎng)格劃分

1.2 基本方程

液冷板內(nèi)部冷卻介質(zhì)為定常不可壓縮黏性流體,采用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程對流場和溫度場進(jìn)行聯(lián)合求解。

連續(xù)性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程:

(5)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;u、v、w分別為x、y、z軸坐標(biāo)方向速度分量,m/s;P為流體壓強(qiáng),Pa;g為重力加速度,m/s2;μ為動力黏度,Pa;Cp為比熱容,J/(kg·K);T為溫度,K;k為導(dǎo)熱率,W/(m·K)。在研究流速范圍內(nèi),由于冷卻介質(zhì)黏度不同,在流道中呈現(xiàn)不同流動型態(tài),通過取冷板內(nèi)部流道當(dāng)量直徑為特征尺寸進(jìn)行估算,可知水和酒精的流動狀態(tài)為湍流(實踐中Re>3 000,即可判斷為湍流),采用realizablek-ε(k-epsilon)湍流模型,乙二醇和甘油的流動狀態(tài)為層流,采用層流模型。

1.3 網(wǎng)格劃分及獨立性驗證

由于冷板內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,并對局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密提高計算精度,如圖1(b)。為確保數(shù)值計算的準(zhǔn)確性,對網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格獨立性進(jìn)行檢驗,以冷卻液入口流速為2.5 m/s為例,網(wǎng)格數(shù)分別為68萬、86萬、112萬、143萬、185萬、245萬計算4種不同冷卻液的散熱效果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到150萬以上時,基板表面平均溫度趨近于不變,其誤差均小于0.1%,如圖2所示。考慮計算精度和運算效率,確定網(wǎng)格總數(shù)為1 857 201,節(jié)點數(shù)為377 773。

圖2 基板表面平均溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

1.4 邊界條件

液冷板主體材料為鋁合金,20 ℃導(dǎo)熱系數(shù)為202 W/(m·K),基板與冷卻介質(zhì)進(jìn)出口材料為銅,20 ℃導(dǎo)熱系數(shù)為398 W/(m·K);芯片熱耗散功率為3 000 W,熱流密度9.28×105W/m2。水、乙二醇、酒精和甘油四種不同冷卻液的物性參數(shù)如表1所示。假定壁面無滑移,冷卻液入口采用速度入口邊界條件,流速為0.5～3.5 m/s,溫度為300 K,出口采用壓力出口。

表1 常溫常壓下不同冷卻介質(zhì)的物性參數(shù)

1.5 解析方法

采用有限體積法離散計算區(qū)域,流體速度與壓力耦合使用SIMPLEC(semi-implicit method for pressure-linked equations consistent)算法迭代求解,對動量項以及能量項選擇二階迎風(fēng)方法離散,殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-6。

2 理論計算方法

為簡化問題,假設(shè)芯片與基板接觸良好,熱損失忽略不計,傳遞到基板上的熱量Q1則來源于芯片的熱耗散功率,其計算公式為

(6)

式(6)中:φ為芯片的熱耗散功率,W;K為基板的熱導(dǎo)率,W/(m·K);A1為芯片與基板間的接觸面積,m2;Δt1為基板與上蓋板間的溫度差t1-t2,K;h為基板厚度,m。

上蓋板(含基座)與冷卻液之間的換熱量Q2,其計算公式為

Q2=αA2Δt2

(7)

式(7)中:A2為上蓋板與冷卻液間的接觸面積,m2;Δt2為上蓋板與冷卻液間的溫度差t2-t3,K;α為對流傳熱系數(shù),W/(m·K)。基于流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻液的流動型態(tài),通過數(shù)學(xué)分析解法進(jìn)一步計算出在流體性質(zhì)影響下,不同冷卻液的傳熱系數(shù)α的數(shù)值解。

通過熱傳導(dǎo),導(dǎo)致冷卻液升溫,被流動冷卻液所帶走的熱量Q3,計算公式為

Q3=mCpΔt3

(8)

式(8)中:m為冷卻液質(zhì)量流量,kg/s;Cp為冷卻液比熱容,J/(kg·K);Δt3為冷卻液的溫度變化t1-t0,K,其中t0為冷卻液初始溫度。

故可推導(dǎo)出水冷板上基板的平均溫度t1為

(9)

根據(jù)初始邊界條件,結(jié)合式(6)～式(9)可計算出5種入口工況下使用不同冷卻液時冷板的熱阻和溫度相關(guān)參數(shù),理論計算值將與CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 冷卻液流速對冷板散熱性能的影響

4種冷卻液在入口流速0.5～3.5 m/s條件下,理論計算和數(shù)值模擬的溫度曲線如圖3所示,通過比較可以看出,理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,相對誤差均在5%以內(nèi),驗證了數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。但基板表面平均溫度在低入口流速條件下(0.5～1 m/s)存在一定差異,這是因為:①理論計算基板平均溫度時,主要采用經(jīng)驗公式,在理想情況下對散熱過程中的有效傳熱系數(shù)進(jìn)行估算;②在冷板內(nèi)部復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)影響下容易導(dǎo)致流態(tài)不穩(wěn)定,這部分因素并未考慮,使得估算結(jié)果略高于數(shù)值模擬值。

圖3 四種冷卻液在不同入口流速下基板表面平均溫度和冷卻液進(jìn)出口溫差的變化情況

如圖3(a)所示,隨著入口工況流速增加,冷板的基板表面平均溫度均呈下降趨勢。水和酒精的基板表面平均溫度變化幅度較大,特別是酒精,當(dāng)入口流速增加至3.5 m/s 時,平均溫度下降近62 K,而乙二醇和甘油相應(yīng)的平均溫度變化更為平緩,入口流速從1.5 m/s 增加至3.5 m/s,基板表面平均溫度下降幅度均不超過10 K。從圖3(b)可發(fā)現(xiàn),冷卻液的進(jìn)出口溫差隨著流速增加而減小,由于高速流體會迅速帶走更多的熱量,使得冷卻液進(jìn)出口溫差降低,基板平均溫度下降,其中酒精的下降幅度最大,流速從0.5 m/s 增加至3.5 m/s,酒精的進(jìn)出口溫差從40 K降低至6 K,與基板表面平均溫度變化情況相吻合。

計算結(jié)果顯示入口流速越大,基板表面最大溫差越小,溫度分布均勻性越好,這說明冷板的散熱性能越好。當(dāng)入口流速為2 m/s時,乙二醇冷卻液使基板表面最大溫差從94 K降低至84 K,甘油使基板表面最大溫差從82 K降低至67 K,此后隨著流速增加,基板表面溫差變化不大,變化幅度均在2 K以內(nèi),當(dāng)水和酒精作為冷卻液時,基板表面最大溫差變化較為明顯,直到入口流速增至2.5 m/s時,水和酒精的基板表面最大溫差分別保持在45 K和69 K左右不變;隨后,兩者的最大溫差略有下降,但下降并不明顯。圖4為水作為冷卻液時,入口流速對基板表面溫度分布的影響,經(jīng)冷卻后冷板溫度分布均勻性同樣服從上述規(guī)律,流速增加,溫度分布均勻性得到明顯改善,當(dāng)流速從2.5 m/s增加至3.5 m/s時,溫度分布所受流速影響并不明顯。若冷卻液入口流速增加,運行能耗則相應(yīng)增加,最大可增加15%,綜合考慮散熱性、均溫性和能耗,2.5 m/s為最佳入口工況流速。

圖4 不同入口流速下采用水冷卻液的冷板基板表面溫度分布

3.2 冷卻液類型對冷板散熱性能的影響

圖5為不同冷卻液在入口流速為2.5 m/s時的基板表面溫度分布,基板中心芯片放置區(qū)溫度整體分布較為均勻,但使用乙二醇冷卻液時,LED芯片結(jié)溫高達(dá)415 K左右,遠(yuǎn)大于芯片理想控制溫度383 K,且基板表面溫度梯度較大,冷板散熱效果并不理想,如圖5(b)所示。相比之下,其他三種冷卻液的散熱效果均達(dá)到芯片結(jié)溫要求,其中從圖5(a)看出水冷卻液的溫度分布均勻性與散熱效果均為最佳,甘油和酒精次之。

圖5 不同冷卻液類型下基板表面溫度分布

對比不同液冷板的綜合散熱性能(表2)可知,高黏度冷卻液(甘油、乙二醇)在換熱過程普遍存在壓降較大的缺點,甘油黏度較大,流動阻力增加,產(chǎn)生較大壓力損失,導(dǎo)致對流傳熱及流動效能較低,能耗增大,但由于其熱導(dǎo)率較大,約為乙二醇的2.4倍,使得熱阻較小,傳熱系數(shù)較大,所以甘油的綜合散熱效果明顯優(yōu)于乙二醇。低黏度冷卻液(水、酒精)在流動過程中湍動程度較強(qiáng),壓降較小,強(qiáng)制對流效果增強(qiáng),散熱效果整體較好,但酒精熱導(dǎo)率較低,導(dǎo)致熱阻較大,進(jìn)出口溫差也相應(yīng)較大。四種冷卻液在冷板流道中的平均努塞爾數(shù)(Nu)為:水>酒精>甘油>乙二醇,由此可見,在不同冷卻液之間,隨著雷諾數(shù)(Re)增大,湍流擾動明顯,Nu數(shù)隨之越大,對流傳熱能力增強(qiáng)。這也進(jìn)一步說明增加冷卻液流速對高黏度冷卻液的散熱效果作用并不明顯。

表2 不同冷卻液類型的冷板綜合散熱性能

從圖6所示液冷板內(nèi)部流道的速度分布云圖中可以看出,四種冷卻液流場分布都相對均勻,組合式流道結(jié)構(gòu)緊湊,有效增加了冷板單位體積的換熱面積,提高了冷卻液湍動程度,對強(qiáng)制對流換熱起著很好的強(qiáng)化作用,多排翅片更容易使冷卻液流入分支流道,有效防止冷板流道內(nèi)貼近壁面處形成流動邊界層,有助于增加散熱效果,提高換熱效率。但對于高黏度冷卻液,則發(fā)現(xiàn)流體很難流入分支流道或者流入分支流道的流量很少,如圖6(b)和圖6(d)所示,使得流道內(nèi)的流量分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,同時容易產(chǎn)生較厚的流動邊界層,從而導(dǎo)致冷板散熱性能下降。

圖6 不同冷卻液類型下流道內(nèi)部速度分布

綜合來看,水作為冷卻液,黏度最小,密度適中,比熱容和熱導(dǎo)率最大,冷板流道內(nèi)速度分布均勻性更好,均溫性最佳,芯片結(jié)溫最高為346.5 K,散熱效果最理想,有利于延長芯片的使用壽命。水冷卻液成本低,安全性高,但在實際應(yīng)用時需注意在低溫環(huán)境下易結(jié)冰而導(dǎo)致體積膨脹。另外甘油和酒精的散熱效果居中,但同樣甘油低溫易結(jié)冰,而酒精易燃易揮發(fā),乙二醇在研究工況下,散熱效果最差,無法滿足芯片結(jié)溫要求。

4 結(jié)論

采用CFD-ANSYS Fluent軟件對液冷板散熱過程進(jìn)行三維熱固耦合數(shù)值模擬,通過分析液冷板流道內(nèi)部的溫度分布和流場分布,考察了水、酒精、乙二醇和甘油四種典型冷卻液及其入口流速對液冷板散熱性能的影響,獲得提升散熱效果的措施與途徑,為液冷板式散熱器的性能優(yōu)化與冷卻液的選擇提供參考。

(1)4種冷卻液的基板表面平均溫度以及冷卻液進(jìn)出口溫差與入口流速均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;當(dāng)入口流速達(dá)到2 m/s以后,無論何種冷卻液,溫度隨流速變化幅度不大,而基板表面溫度分布均勻性與入口流速則呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,流速增加,溫度分布均勻性明顯改善,冷板散熱性能更好,綜合考慮散熱性、均溫性和能耗,2.5 m/s為最佳入口工況流速。數(shù)值模擬與理論計算結(jié)果吻合良好,構(gòu)建的三維模型能較好地描述液冷板的流動特征與散熱效果。

(2)在入口流速為2.5 m/s時,除乙二醇外,其余3種冷卻液均能保證LED芯片結(jié)溫低于383 K(110 ℃)的允許范圍,其中水冷卻液的散熱效果最佳,且基板溫度分布較為均勻。高雷諾數(shù)冷卻液,換熱過程中努塞爾數(shù)較大,有利于對流換熱的強(qiáng)化,使得低黏度冷卻液平均換熱系數(shù)對入口流速更敏感。因此,采用增加冷卻液流速的措施,對低黏度冷卻液(如水、酒精)的散熱效果影響顯著,而對高黏度冷卻液(如甘油、乙二醇)的影響不明顯。

(3)綜合考慮,4種冷卻液的散熱性能:水>酒精、甘油>乙二醇,在選用冷卻液時,應(yīng)選擇黏度較小,密度較大,熱導(dǎo)率和比熱容較高的冷卻液,而對于高黏度冷卻液,則可與水進(jìn)行一定比例混合后使用,從而調(diào)節(jié)冷卻特性,同時降低應(yīng)用風(fēng)險。