液晶显示器背光系统中的LED热分析.doc

液晶显示器背光系统中的LED热分析摘要本文探讨了电路板上发光二极管及其封装形式的热能设计。为了满足液晶屏背光以及其他照明的需要，该LED设计成一块三芯片的多层6引脚结构。建立该LED的三维模型，并利用多物理软件包对其进行热分析。模拟的结果表现为每一个LED的温度分布，并预测出热阻的数值。模型测试的结果表明取出铝箔会降低热阻，而减少铜箔的厚度也有相同的效果。包装设计表明进行贴片设计的段塞流LED也会降低热阻，并且使用无铅焊锡材料同样会降低热阻，与使用导电胶相比，这种方法也会降低节点温度。1.介绍液晶显示器在信息显示市场中占有主导地位，可以应有于诸如笔记本电脑、移动电话和汽车导航等领域。这些方面的应用都要求显示器易于携带而其具有较低的损耗。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2 LED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/m2C),T=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3 LED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72.6C，而开启三个芯片时温度为135C。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220.5C/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0.2C。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6 LED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72.6C升至96.2C，这也会使总热阻增加112C/W。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7 LED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