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1、液晶顯示器背光系統(tǒng)中的LED熱分析摘要本文探討了電路板上發(fā)光二極管及其封裝形式的熱能設計。為了滿足液晶屏背光以及其他照明的需要，該LED設計成一塊三芯片的多層6引腳結構。建立該LED的三維模型，并利用多物理軟件包對其進行熱分析。模擬的結果表現(xiàn)為每一個LED的溫度分布，并預測出熱阻的數(shù)值。模型測試的結果表明取出鋁箔會降低熱阻，而減少銅箔的厚度也有相同的效果。包裝設計表明進行貼片設計的段塞流LED也會降低熱阻，并且使用無鉛焊錫材料同樣會降低熱阻，與使用導電膠相比，這種方法也會降低節(jié)點溫度。1.介紹液晶顯示器在信息顯示市場中占有主導地位，可以應有于諸如筆記本電腦、移動電話
2、和汽車導航等領域。這些方面的應用都要求顯示器易于攜帶而其具有較低的損耗。在顯示器中LCD利用背光源來照明，當今有幾種背光技術，諸如發(fā)光二極管（LED），電致發(fā)光面板（ELP），冷陰極熒光燈（CCFL）。由于在低功耗、長壽命、低工作電壓以及控制發(fā)光亮度方面的優(yōu)勢，LED背光技術在中小型LCD顯示器中的應用越發(fā)普遍。當今由于更高亮度的顯示器的需要，輸出光的強度越來越高，這也同樣要求LED有更高的驅動電壓?；谶@方面的要求，對顯示器效率、性能以及可靠性有著重要影響的LED封裝的熱處理顯得更為重要。同其他電子器件一樣，LED也有其最大溫度限制和工作溫度。影響LED背光的一個
3、主要方面就是二極管上的散熱。LED的壽命與二極管的結點溫度有著直接的關系，而這也是影響LED工作溫度與最大環(huán)境溫度的因素。如果可以保持一個較低的結點溫度，這將延長LED的壽命，進而提高顯示器的可靠性。本文分析了板上LED及其封裝形式的熱效應，研究了包括板面尺寸及封裝的設計參數(shù)。2.LED封裝及IMS板出于LED背光以及其他照明應用的需要，本文選用的是一種6引腳多元LED。每一個封裝單元中有三個的LED,并且每個LED芯片可被單獨控制用以發(fā)出包括白光在內的各種顏色的光。每一層的尺寸為3mm*3mm*2.5mm，功耗為紅燈195mw，綠燈210mw，藍燈210mw。圖1
4、：選用的6引腳多層LED該LED封裝模型安裝在一個四層結構的絕緣金屬基板上，包括銅箔金屬層、鋁箔、絕緣層和金屬基板。由于鋁的良好的導熱率、較輕的質量和較低的價格等因素，普遍的使用于制作金屬基板。表一列出了IMS板的結構以及材料特性。LED的有效使用壽命與結點溫度息息相關，這里的結點指的是半導體芯片中的p-n結。也就是在這里產(chǎn)生光子并進而產(chǎn)生了熱量。芯片是散熱是以熱傳導的方式在封裝和電路板中進行，同時也已熱輻射的形式從表面向外界散熱。表1,IMS板的結構及材料性質3計算機模擬首先我們建立一個安裝在IMS板上的LED三維有限元模型，IMS板的尺寸是13mm*13mm*2
5、.07mm。從圖2中可以看出整個模型的網(wǎng)格劃分情況，共劃分了48560個單元。該LED封裝是通過基于表面貼裝技術（SMT）的焊接材料安裝在IMS板上的。圖3反應了LED封裝后的截面圖。由于結點的熱量主要是通過連接到IMS板的引線結構散出去的，因而覆蓋在LED層上塑料的散熱作用將被忽略。利用多物理軟件包（PHYSICA）對其進行熱分析。圖2LED封裝的網(wǎng)格劃分結果IMS板上熱對流的效應對其周圍空氣及芯片的溫度都會有顯著的影響。傳熱系數(shù)可以定義為以對流的方式從系統(tǒng)中散出去的熱量。利用該方法產(chǎn)生一個簡單的模型，而這個模型就可以顯示出合理準確的溫度分布結果。圖3具有間隙的L
6、ED截面圖在一個特定的環(huán)境下確定傳熱系數(shù)是一個復雜的工作，這與材料性能、溫度差異以及環(huán)境溫度分布密切相關，而這些因素又會隨時間發(fā)生改變。因此，為了解決大氣層壓的自由對流問題，我們使用一個簡化的公式如下所示：其中h是傳熱系數(shù)(W/m2°C),ΔT=TW-T∞（°C）。L指水平維度，單位m。通過這個公式，可計算出IMS板表面以及引腳框架的傳熱系數(shù)，如表2所示。表2邊界表面的傳熱系數(shù)表3LED封裝內部各材料性質參數(shù)如圖4所示，模擬結果顯示了LED封裝的溫度分布。其中芯片的溫度最高。當開啟一個芯片是時，其結點溫度為72.6°C，而開啟三個芯片時溫度為135°C。結點的預測溫
7、度與INS板的尺寸密切相關，如果尺寸增大，那么結點預測溫度便會降低。圖4單芯片和三芯片開啟時IMS板上LED封裝的溫度分布情況4參數(shù)分析一旦周圍環(huán)境條件設定好之后，我們將對參數(shù)進行設置進而優(yōu)化LED的散熱。為了簡化安裝過程，需要在安裝前對LED進行獨立包裝。在本文的例子中，由結點向外界環(huán)境的總熱阻(RJ-A)主要來自兩個方面，內部熱阻以及外部熱阻。其中內部熱阻指的是從結點到焊點的熱阻，而外部熱阻是指從焊點到外部環(huán)境的熱阻。IMS板的結構對外部熱阻有較大的影響，而影響內部熱阻的則是封裝的工藝。4.1板材結構的影響當一個芯片（藍色）開啟時，本文著重研究了板材結構的下
