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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/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，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