車載顯示LED散熱研究

朱玲 吳春明

摘要

隨著LED生產(chǎn)工藝技術(shù)的進(jìn)步，車載手機(jī)等顯示要求亮度的提升，散熱問題成為必須要面對的一項(xiàng)難題。本文首先闡述了溫度上升對LED性能的影響，研究影響散熱效果的主要因素，并結(jié)合車載顯示等特點(diǎn)，提出了一種車載顯示熱學(xué)分析等效模型。然后針對目前車載顯示主要采用的被動式散熱方式，通過對車載模型進(jìn)行熱學(xué)測試計算以及ANSYS軟件仿真，最后通過對測試模擬結(jié)果的系統(tǒng)分析，給出參考結(jié)論，為改善當(dāng)前LED高亮度顯示的散熱設(shè)計提出了指導(dǎo)性意見。

【關(guān)鍵詞】LED高亮度顯示 車載顯示 熱學(xué)仿真 結(jié)溫

面板行業(yè)已經(jīng)是一個大家不陌生的行業(yè)，生活中處處可見，大到戶外顯示屏小到手機(jī)Pad等終端，而隨著科技的發(fā)展車載顯示出貨量更是占有更大的份額。作為一種高效節(jié)能的新型光源，LED進(jìn)入顯示領(lǐng)域已經(jīng)趨于成熟。而針對高亮度要求顯示，滿足節(jié)能的條件下針對產(chǎn)品的熱管理變得尤其重要。

對于LED，結(jié)溫的升高會導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減。研究表明：當(dāng)溫度超過一定值時，LED的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。當(dāng)結(jié)溫上升時，LED的光衰會明顯加快，壽命也明顯降低。因此如何通過合理的散熱設(shè)計，控制LED顯示的溫升是LED進(jìn)入顯示照明領(lǐng)域尤其針對高亮顯示急需解決的問題。

1 LED封裝與面板傳導(dǎo)模型

LED由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，另一端是N型半導(dǎo)體，當(dāng)這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，就會以光子的形式發(fā)出能量，產(chǎn)生光。LEDT作過程中15%-25%的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的電能轉(zhuǎn)變成熱能，使LED的溫度升高。圖1為LED封裝方式示意圖。

綜合考慮顯示面板的各項(xiàng)要求，根據(jù)熱量的傳遞主要有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。其熱量的流動大概可以簡單歸結(jié)為如下過程：先是經(jīng)過焊接層將熱量傳給固定LED的電路板，然后電路板通過導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳給背板，最后靠背板與空氣間的對流將熱量散出。整個過程可以如下所示的等效熱阻模型來表不。

LED熱源熱阻→電路板熱阻→導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻→背板熱阻→對流熱阻→大氣散熱方式：自然對流。表1為各熱阻標(biāo)注含義。

Rja=Rjc+Rb+Rbs+Rs+Rsa=Tj-Ta/Pd

傳導(dǎo)型熱阻，其阻值R=d/KA；對于對流型熱阻，其阻值R=1/hA。其中：d為厚度，K是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，h是對流系數(shù)，A是導(dǎo)熱面積。根據(jù)熱歐姆定律，計算熱阻整體公式為：R=△T/P，△T為溫差，P為功耗。

2 影響散熱的主要因素

影響散熱效果主要有六種因素：如圖2。

材料主要影響傳導(dǎo)的熱阻值，車載背光中較好的材質(zhì)可以選擇熱阻較低的LED，鋁基板或者陶瓷基板，導(dǎo)熱膠帶以及鋁背板。結(jié)構(gòu)影響為組裝方式的改變，組裝方式主要影響熱源熱流密度，熱流密度越小溫度越高，也可采取背板添加低肋片改善散熱面積降低整體溫度，車載背光環(huán)境溫度較高，大多采取自然對流，可通過陽極化或噴塑背板增加背板的輻射率改善散熱效果。當(dāng)在以上因素都改變不了或已經(jīng)都最好的情況下，LED結(jié)溫仍然超過最大值，只能通過降低功率來滿足散熱要求，前提是要光學(xué)滿足客戶要求。

熱學(xué)評估先對影響散熱傳導(dǎo)的各材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)了解，熟悉材料屬性，功率熱阻等，再通過經(jīng)驗(yàn)公式簡單理論計算各溫度值，然后通過仿真校驗(yàn)計算溫度值，并給出初步結(jié)論以及改善建議，后續(xù)實(shí)際溫度測試產(chǎn)品來對計算仿真做對比校核。

3 某車載產(chǎn)品案例

3.1 產(chǎn)品材料介紹及結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

LED單燈電流80MA，42顆LED組裝，單燈熱阻30℃/W，整體功耗7.056W。LED發(fā)熱效率70%。背板采用壓鑄鋁材質(zhì)。最終熱設(shè)計的目標(biāo)為LED結(jié)溫不超過最高結(jié)溫120℃，PC導(dǎo)光板部位溫度不超過黃化溫度110℃，1C電路板溫度不起過95℃，液晶玻璃溫度不超過60℃，產(chǎn)品各組件導(dǎo)熱系數(shù)如表2。

3.2 理論計算

散熱背板有效散熱面積0.032m2，通過牛頓冷卻公式△t=Q/h.A初步計算背板與空氣之間溫差為18.44℃，環(huán)境溫度Ta為25℃，得出背板溫度Ts為43.44℃。通過傳導(dǎo)熱阻計算公式R=d/k.A計算電路板熱阻0.75℃/W，Rb為電路板熱阻，TC為引腳溫度，Tb為電路板溫度，Ped單燈功率0.24W，由熱阻整體公式為：R=△T/P推出引腳溫度TC為48.962℃，LED單個熱阻為30℃/W，按照如下公式（1）計算給出結(jié)溫：

Tj=RjcxPed+Tc=30×0.24+48.962=56.162℃

Tj=56.162℃，Tc=48.962℃，Ts=43.44℃，

Ta=25℃

3.3 熱仿真及參考建議

采用ANSYS軟件對理論計算結(jié)果進(jìn)行仿真校驗(yàn)分析，導(dǎo)入熱分析模型，模型主要包括LED列陣，電路板，導(dǎo)熱膠帶，散熱背板，膜片。根據(jù)表2定義各組件導(dǎo)熱系數(shù)，設(shè)置對流系數(shù)以及輻射，這里對流采取自然對流方式，對流系數(shù)K取8W/M.K，輻射系數(shù)設(shè)置發(fā)亮金屬ε=0.5，LED熱流密度為41000W/m2。圖4為產(chǎn)品在環(huán)境溫度25℃時溫度場分布圖，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出Led引腳最高溫度46.965℃，計算結(jié)溫54.165℃，散熱背板最高溫度42.259℃。與理論計算結(jié)果接近，導(dǎo)光板最高溫度40.69℃，圖5為產(chǎn)品在環(huán)境溫度85℃時溫度場分布圖，：Led引腳最高溫度104.7℃，計算結(jié)溫111.9℃，散熱背板最高溫度100.15℃。導(dǎo)光板最高溫度98.633℃。

根據(jù)理論計算以及ANSYS仿真可以看出散熱背板及引腳溫度正常，高溫高濕環(huán)境溫度為85℃時理論計算結(jié)溫Tj=116.162℃不超過LED最高結(jié)溫TJmax=120℃。PC導(dǎo)光板仿真溫度98.663℃，沒有超過110℃PC黃化溫度?？梢钥闯鲈撥囕d產(chǎn)品從功率材料結(jié)構(gòu)等方面滿足散熱設(shè)計要求。

3.4 熱測試結(jié)果及溫度電流曲線圖

為了驗(yàn)證計算以及仿真結(jié)果，實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了熱測試，實(shí)測為敞開測試，產(chǎn)品封閉組裝起來溫度會較敞開測試溫度高。表3為環(huán)境溫度為27.5℃產(chǎn)品測試的溫度值，取點(diǎn)三處，看平均溫度值，LED引腳平均溫度測試48.9℃，推出結(jié)溫56.1℃，背板平均溫度39.16℃，可以看出計算仿真溫度比實(shí)測溫度要高，整體背光散熱符合要求。

圖6為通過實(shí)際測試校驗(yàn)聯(lián)合ANSYS仿真，依據(jù)考慮1C極限正常使用溫度下導(dǎo)光板最高溫度不超過95℃時環(huán)境溫度對應(yīng)單燈電流變化曲線圖，電流80MA驅(qū)動時，環(huán)境溫度降為81℃，剛好滿足導(dǎo)光板最高溫度95℃。

4 總結(jié)

本文針對目前LED車載顯示面板傳導(dǎo)模型以及影響散熱效果六大因素，通過對計算校驗(yàn)測試數(shù)據(jù)以及ANSYS軟件仿真的分析，并結(jié)合某車載產(chǎn)品案例，具體分析，從而為設(shè)計高散熱效率的顯示背光提供指導(dǎo)，對推動LED在顯示面板中的應(yīng)用具有重要意義。

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