液晶显示器背光系统中的LED热分析Word文件下载.docx

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在显示器中LCD利用背光源来照明，当今有几种背光技术，诸如发光二极管（LED），电致发光面板（ELP），冷阴极荧光灯（CCFL）。

由于在低功耗、长寿命、低工作电压以及控制发光亮度方面的优势，LED背光技术在中小型LCD显示器中的应用越发普遍。

当今由于更高亮度的显示器的需要，输出光的强度越来越高，这也同样要求LED有更高的驱动电压。

基于这方面的要求，对显示器效率、性能以及可靠性有着重要影响的LED封装的热处理显得更为重要。

同其他电子器件一样，LED也有其最大温度限制和工作温度。

影响LED背光的一个主要方面就是二极管上的散热。

LED的寿命与二极管的结点温度有着直接的关系，而这也是影响LED工作温度与最大环境温度的因素。

如果可以保持一个较低的结点温度，这将延长LED的寿命，进而提高显示器的可靠性。

本文分析了板上LED及其封装形式的热效应，研究了包括板面尺寸及封装的设计参数。

2.LED封装及IMS板

出于LED背光以及其他照明应用的需要，本文选用的是一种6引脚多元LED。

每一个封装单元中有三个的LED,并且每个LED芯片可被单独控制用以发出包括白光在内的各种颜色的光。

每一层的尺寸为3mm*3mm*2.5mm，功耗为红灯195mw，绿灯210mw，蓝灯210mw。

图1：

选用的6引脚多层LED

该LED封装模型安装在一个四层结构的绝缘金属基板上，包括铜箔金属层、铝箔、绝缘层和金属基板。

由于铝的良好的导热率、较轻的质量和较低的价格等因素，普遍的使用于制作金属基板。

表一列出了IMS板的结构以及材料特性。

LED的有效使用寿命与结点温度息息相关，这里的结点指的是半导体芯片中的p-n结。

也就是在这里产生光子并进而产生了热量。

芯片是散热是以热传导的方式在封装和电路板中进行，同时也已热辐射的形式从表面向外界散热。

表1,IMS板的结构及材料性质

3计算机模拟

首先我们建立一个安装在IMS板上的LED三维有限元模型，IMS板的尺寸是13mm*13mm*2.07mm。

从图2中可以看出整个模型的网格划分情况，共划分了48560个单元。

该LED封装是通过基于表面贴装技术（SMT）的焊接材料安装在IMS板上的。

图3反应了LED封装后的截面图。

由于结点的热量主要是通过连接到IMS板的引线结构散出去的，因而覆盖在LED层上塑料的散热作用将被忽略。

利用多物理软件包（PHYSICA）对其进行热分析。

图2LED封装的网格划分结果

IMS板上热对流的效应对其周围空气及芯片的温度都会有显著的影响。

传热系数可以定义为以对流的方式从系统中散出去的热量。

利用该方法产生一个简单的模型，而这个模型就可以显示出合理准确的温度分布结果。

图3具有间隙的LED截面图

在一个特定的环境下确定传热系数是一个复杂的工作，这与材料性能、温度差异以及环境温度分布密切相关，而这些因素又会随时间发生改变。

因此，为了解决大气层压的自由对流问题，我们使用一个简化的公式如下所示：

其中h是传热系数（W/m2°

C）,ΔT=TW-T∞（°

C）。

L指水平维度，单位m。

通过这个公式，可计算出IMS板表面以及引脚框架的传热系数，如表2所示。

表2边界表面的传热系数

表3LED封装内部各材料性质参数

如图4所示，模拟结果显示了LED封装的温度分布。

其中芯片的温度最高。

当开启一个芯片是时，其结点温度为72.6°

C，而开启三个芯片时温度为135°

C。

结点的预测温度与INS板的尺寸密切相关，如果尺寸增大，那么结点预测温度便会降低。

图4单芯片和三芯片开启时IMS板上LED封装的温度分布情况

4参数分析

一旦周围环境条件设定好之后，我们将对参数进行设置进而优化LED的散热。

为了简化安装过程，需要在安装前对LED进行独立包装。

在本文的例子中，由结点向外界环境的总热阻（RJ-A）主要来自两个方面，内部热阻以及外部热阻。

其中内部热阻指的是从结点到焊点的热阻，而外部热阻是指从焊点到外部环境的热阻。

IMS板的结构对外部热阻有较大的影响，而影响内部热阻的则是封装的工艺。

4.1板材结构的影响

当一个芯片（蓝色）开启时，本文着重研究了板材结构的下列参数对实验的影响。

（1）铜箔厚度

（2）有没有贴片

表4显示了铜箔的厚度与结点温度之间的关系。

正如之前预测的，当铜箔厚度减少时，结点温度随之上升。

当箔片的厚度从0.035mm增加到0.105mm时，总热阻也从222.9降至220.5°

C/W。

表4铜箔厚度的影响

同样的我们也分析了贴片的影响，表5列出了预期的结点温度。

结果表明当IMS板不贴箔片时，结点温度将会下降0.2°

表5贴片的影响

4.2封装工艺的影响

本文研究了两种封装工艺，包括

（1）有空隙的贴片

（2）具有集成散热槽的贴片

图3中LED的封装结构就使用了具有空隙的贴片。

图5显示的则是使用具有集成散热槽结构贴片的LED封装结构。

其中散热槽的材料是有很高导热率的铜，与有空隙的贴片相比，使用这种结构不仅可以让热量经引线框架由结点向IMS板散热，还能通过散热槽进行散热。

因此，具有集成散热槽结构的贴片将会使结点的温度更低。

为了证明这一点，我们建立了一个具有此结构的LED三维有限元结构，图6显示的是其网格划分的情况。

图5具有散热槽结构的LED截面图

图6LED网格划分情况

再次说明，LED结点温度的大小是进行分析实验的主要热效应标准。

表6总结了在相同的环境条件下不同封装形式时预测的结点温度。

结果表示散热槽结构可以有效地帮助热量从芯片向IMS板散去，从而降低总的热阻。

同时结果也表明裸片的材料性质也于结点温度有着密切的关联。

当使用导电胶而不是焊料时，结点温度将从72.6°

C升至96.2°

C，这也会使总热阻增加112°

表6封装工艺的影响

5.LED背光阵列

基于上面热分析的结论，本文设计了一个LED背光源用于照明3个LCD显示器。

为了满足显示器的要求，48个LED被设计成一个6*8的阵列用以提供稳定的光源。

图7显示了LED的分布布局。

图7LED的分布布局

当LED显示白光时，将使用三个芯片。

由于相邻LED灯热能的相互影响，在此情况下结点温度会显得略高。

有报道指出，与单独的LED封装相比，LED阵列的热能特性会有所不同，因此还需对LED阵列做进一步的研究。

5结论

本文研究了IMS板上LED及其封装形式的热分析，该LED是用于LCD背光源及满足其他照明需要的3芯片6引脚多层LED。

模拟结果反映了LED封装的温度分布，预计的结点温度用于计算总热阻。

板材结构的模拟结果表明：

（1）去除贴片会降低热阻，

（2）增加铜箔厚度也会降低热阻。

封装设计的结果表明具有集成散热槽贴片的LED会降低热阻，同时与使用导电胶相比，结点的温度也会更低。

在后续的工作中将会针对LCD显示器中LED的阵列问题进行研究。

6.致谢

基于智能薄膜光镀膜的增强型显示器来自于下列单位的通力合作：

微电路工程（MCE）、薄膜研究所、AbertayDundee大学以及格林威治大学。

该项目由MCE进行统筹安排，同时英国劳工部的智能材料计划提供了部分资助。

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