文档介绍：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。
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),FL)。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。
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*,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*。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/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,°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