液晶顯示器背光系統(tǒng)中的led熱分析

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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(shè)計(jì)。為了滿足液晶屏背光以及其他照明的需要，該LED設(shè)計(jì)成一塊三芯片的多層6引腳結(jié)構(gòu)。建立該LED的三維模型，并利用多物理軟件包對(duì)其進(jìn)行熱分析。模擬的結(jié)果表現(xiàn)為每一個(gè)LED的溫度分布，并預(yù)測(cè)出熱阻的數(shù)值。模型測(cè)試的結(jié)果表明取出鋁箔會(huì)降低熱阻，而減少銅箔的厚度也有相同的效果。包裝設(shè)計(jì)表明進(jìn)行貼片設(shè)計(jì)的段塞流LED也會(huì)降低熱阻，并且使用無(wú)鉛焊錫材料同樣會(huì)降低熱阻，與使用導(dǎo)電膠相比，這種方法也會(huì)降低節(jié)點(diǎn)溫度。1.介紹液晶顯示器在信息顯示市場(chǎng)中占有主導(dǎo)地位，可以應(yīng)有于諸如筆記本電腦、移動(dòng)電話和汽車導(dǎo)航等領(lǐng)域。這

2、些方面的應(yīng)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(lái)照明，當(dāng)今有幾種背光技術(shù)，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(zhǎng)壽命、低工作電壓以及控制發(fā)光亮度方面的優(yōu)勢(shì)，LED背光技術(shù)在中小型LCD顯示器中的應(yīng)用越發(fā)普遍。當(dāng)今由于更高亮度的顯示器的需要，輸出光的強(qiáng)度越來(lái)越高，這也同樣要求LED有更高的驅(qū)動(dòng)電壓?；谶@方面的要求，對(duì)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(gè)主要方面就是二極管上的散熱。LED的壽命

3、與二極管的結(jié)點(diǎn)溫度有著直接的關(guān)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(gè)較低的結(jié)點(diǎn)溫度，這將延長(zhǎng)LED的壽命，進(jìn)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(yīng)，研究了包括板面尺寸及封裝的設(shè)計(jì)參數(shù)。2.LED封裝及IMS板出于LED背光以及其他照明應(yīng)用的需要，本文選用的是一種6引腳多元LED。每一個(gè)封裝單元中有三個(gè)的LED,并且每個(gè)LED芯片可被單獨(dú)控制用以發(fā)出包括白光在內(nèi)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(lán)燈210mw。圖1：選用的6引腳多層LED該LED封裝模型安裝在一個(gè)四層結(jié)構(gòu)的

4、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(dǎo)熱率、較輕的質(zhì)量和較低的價(jià)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(jié)構(gòu)以及材料特性。LED的有效使用壽命與結(jié)點(diǎn)溫度息息相關(guān)，這里的結(jié)點(diǎn)指的是半導(dǎo)體芯片中的p-n結(jié)。也就是在這里產(chǎn)生光子并進(jìn)而產(chǎn)生了熱量。芯片是散熱是以熱傳導(dǎo)的方式在封裝和電路板中進(jìn)行，同時(shí)也已熱輻射的形式從表面向外界散熱。表1,IMS板的結(jié)構(gòu)及材料性質(zhì)3計(jì)算機(jī)模擬首先我們建立一個(gè)安裝在IMS板上的LED三維有限元模型，IMS板的尺寸是13mm*13mm*2.07mm。從圖2中可以看出整個(gè)模型的網(wǎng)格劃分情況，共劃分了48560個(gè)單元。該

5、LED封裝是通過基于表面貼裝技術(shù)（SMT）的焊接材料安裝在IMS板上的。圖3反應(yīng)了LED封裝后的截面圖。由于結(jié)點(diǎn)的熱量主要是通過連接到IMS板的引線結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行熱分析。圖2LED封裝的網(wǎng)格劃分結(jié)果IMS板上熱對(duì)流的效應(yīng)對(duì)其周圍空氣及芯片的溫度都會(huì)有顯著的影響。傳熱系數(shù)可以定義為以對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的模型，而這個(gè)模型就可以顯示出合理準(zhǔn)確的溫度分布結(jié)果。圖3具有間隙的LED截面圖在一個(gè)特定的環(huán)境下確定傳熱系數(shù)是一個(gè)復(fù)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

6、相關(guān)，而這些因素又會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變。因此，為了解決大氣層壓的自由對(duì)流問題，我們使用一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)公式，可計(jì)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(nèi)部各材料性質(zhì)參數(shù)如圖4所示，模擬結(jié)果顯示了LED封裝的溫度分布。其中芯片的溫度最高。當(dāng)開啟一個(gè)芯片是時(shí)，其結(jié)點(diǎn)溫度為72.6°C，而開啟三個(gè)芯片時(shí)溫度為135°C。結(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)溫度與INS板的尺寸密切相關(guān)，如果尺寸增大，那么結(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)溫度便會(huì)降低。圖4單芯片和三芯片開啟時(shí)IMS板上LED封裝的溫度分

7、布情況4參數(shù)分析一旦周圍環(huán)境條件設(shè)定好之后，我們將對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置進(jìn)而優(yōu)化LED的散熱。為了簡(jiǎn)化安裝過程，需要在安裝前對(duì)LED進(jìn)行獨(dú)立包裝。在本文的例子中，由結(jié)點(diǎn)向外界環(huán)境的總熱阻(RJ-A)主要來(lái)自兩個(gè)方面，內(nèi)部熱阻以及外部熱阻。其中內(nèi)部熱阻指的是從結(jié)點(diǎn)到焊點(diǎn)的熱阻，而外部熱阻是指從焊點(diǎn)到外部環(huán)境的熱阻。IMS板的結(jié)構(gòu)對(duì)外部熱阻有較大的影響，而影響內(nèi)部熱阻的則是封裝的工藝。4.1板材結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)一個(gè)芯片（藍(lán)色）開啟時(shí)，本文著重研究了板材結(jié)構(gòu)的下