液晶显示器背光系统中的LED热分析.docx
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液晶显示器背光系统中的LED热分析
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°C。
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°C/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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