車載顯示LED散熱研究

朱玲 吳春明

摘要

隨著LED生產工藝技術的進步，車載手機等顯示要求亮度的提升，散熱問題成為必須要面對的一項難題。本文首先闡述了溫度上升對LED性能的影響，研究影響散熱效果的主要因素，并結合車載顯示等特點，提出了一種車載顯示熱學分析等效模型。然后針對目前車載顯示主要采用的被動式散熱方式，通過對車載模型進行熱學測試計算以及ANSYS軟件仿真，最后通過對測試模擬結果的系統分析，給出參考結論，為改善當前LED高亮度顯示的散熱設計提出了指導性意見。

【關鍵詞】LED高亮度顯示 車載顯示 熱學仿真 結溫

面板行業已經是一個大家不陌生的行業，生活中處處可見，大到戶外顯示屏小到手機Pad等終端，而隨著科技的發展車載顯示出貨量更是占有更大的份額。作為一種高效節能的新型光源，LED進入顯示領域已經趨于成熟。而針對高亮度要求顯示，滿足節能的條件下針對產品的熱管理變得尤其重要。

對于LED，結溫的升高會導致器件各方面性能的變化與衰減。研究表明：當溫度超過一定值時，LED的失效率將呈指數規律攀升。當結溫上升時，LED的光衰會明顯加快，壽命也明顯降低。因此如何通過合理的散熱設計，控制LED顯示的溫升是LED進入顯示照明領域尤其針對高亮顯示急需解決的問題。

1 LED封裝與面板傳導模型

LED由兩部分組成，一部分是P型半導體，另一端是N型半導體，當這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，就會以光子的形式發出能量，產生光。LEDT作過程中15%-25%的電能轉化為光能，其余的電能轉變成熱能，使LED的溫度升高。圖1為LED封裝方式示意圖。

綜合考慮顯示面板的各項要求，根據熱量的傳遞主要有三種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。其熱量的流動大概可以簡單歸結為如下過程：先是經過焊接層將熱量傳給固定LED的電路板，然后電路板通過導熱介質將熱量傳給背板，最后靠背板與空氣間的對流將熱量散出。整個過程可以如下所示的等效熱阻模型來表不。

LED熱源熱阻→電路板熱阻→導熱介質熱阻→背板熱阻→對流熱阻→大氣散熱方式：自然對流。表1為各熱阻標注含義。

Rja=Rjc+Rb+Rbs+Rs+Rsa=Tj-Ta/Pd

傳導型熱阻，其阻值R=d/KA；對于對流型熱阻，其阻值R=1/hA。其中：d為厚度，K是材料的導熱系數，h是對流系數，A是導熱面積。根據熱歐姆定律，計算熱阻整體公式為：R=△T/P，△T為溫差，P為功耗。

2 影響散熱的主要因素

影響散熱效果主要有六種因素：如圖2。

材料主要影響傳導的熱阻值，車載背光中較好的材質可以選擇熱阻較低的LED，鋁基板或者陶瓷基板，導熱膠帶以及鋁背板。結構影響為組裝方式的改變，組裝方式主要影響熱源熱流密度，熱流密度越小溫度越高，也可采取背板添加低肋片改善散熱面積降低整體溫度，車載背光環境溫度較高，大多采取自然對流，可通過陽極化或噴塑背板增加背板的輻射率改善散熱效果。當在以上因素都改變不了或已經都最好的情況下，LED結溫仍然超過最大值，只能通過降低功率來滿足散熱要求，前提是要光學滿足客戶要求。

熱學評估先對影響散熱傳導的各材質導熱系數了解，熟悉材料屬性，功率熱阻等，再通過經驗公式簡單理論計算各溫度值，然后通過仿真校驗計算溫度值，并給出初步結論以及改善建議，后續實際溫度測試產品來對計算仿真做對比校核。

3 某車載產品案例

3.1 產品材料介紹及結構圖

產品結構圖如圖3所示：

LED單燈電流80MA，42顆LED組裝，單燈熱阻30℃/W，整體功耗7.056W。LED發熱效率70%。背板采用壓鑄鋁材質。最終熱設計的目標為LED結溫不超過最高結溫120℃，PC導光板部位溫度不超過黃化溫度110℃，1C電路板溫度不起過95℃，液晶玻璃溫度不超過60℃，產品各組件導熱系數如表2。

3.2 理論計算

散熱背板有效散熱面積0.032m2，通過牛頓冷卻公式△t=Q/h.A初步計算背板與空氣之間溫差為18.44℃，環境溫度Ta為25℃，得出背板溫度Ts為43.44℃。通過傳導熱阻計算公式R=d/k.A計算電路板熱阻0.75℃/W，Rb為電路板熱阻，TC為引腳溫度，Tb為電路板溫度，Ped單燈功率0.24W，由熱阻整體公式為：R=△T/P推出引腳溫度TC為48.962℃，LED單個熱阻為30℃/W，按照如下公式（1）計算給出結溫：

Tj=RjcxPed+Tc=30×0.24+48.962=56.162℃

Tj=56.162℃，Tc=48.962℃，Ts=43.44℃，

Ta=25℃

3.3 熱仿真及參考建議

采用ANSYS軟件對理論計算結果進行仿真校驗分析，導入熱分析模型，模型主要包括LED列陣，電路板，導熱膠帶，散熱背板，膜片。根據表2定義各組件導熱系數，設置對流系數以及輻射，這里對流采取自然對流方式，對流系數K取8W/M.K，輻射系數設置發亮金屬ε=0.5，LED熱流密度為41000W/m2。圖4為產品在環境溫度25℃時溫度場分布圖，根據仿真結果可以看出Led引腳最高溫度46.965℃，計算結溫54.165℃，散熱背板最高溫度42.259℃。與理論計算結果接近，導光板最高溫度40.69℃，圖5為產品在環境溫度85℃時溫度場分布圖，：Led引腳最高溫度104.7℃，計算結溫111.9℃，散熱背板最高溫度100.15℃。導光板最高溫度98.633℃。

根據理論計算以及ANSYS仿真可以看出散熱背板及引腳溫度正常，高溫高濕環境溫度為85℃時理論計算結溫Tj=116.162℃不超過LED最高結溫TJmax=120℃。PC導光板仿真溫度98.663℃，沒有超過110℃PC黃化溫度。可以看出該車載產品從功率材料結構等方面滿足散熱設計要求。

3.4 熱測試結果及溫度電流曲線圖

為了驗證計算以及仿真結果，實際產品進行了熱測試，實測為敞開測試，產品封閉組裝起來溫度會較敞開測試溫度高。表3為環境溫度為27.5℃產品測試的溫度值，取點三處，看平均溫度值，LED引腳平均溫度測試48.9℃，推出結溫56.1℃，背板平均溫度39.16℃，可以看出計算仿真溫度比實測溫度要高，整體背光散熱符合要求。

圖6為通過實際測試校驗聯合ANSYS仿真，依據考慮1C極限正常使用溫度下導光板最高溫度不超過95℃時環境溫度對應單燈電流變化曲線圖，電流80MA驅動時，環境溫度降為81℃，剛好滿足導光板最高溫度95℃。

4 總結

本文針對目前LED車載顯示面板傳導模型以及影響散熱效果六大因素，通過對計算校驗測試數據以及ANSYS軟件仿真的分析，并結合某車載產品案例，具體分析，從而為設計高散熱效率的顯示背光提供指導，對推動LED在顯示面板中的應用具有重要意義。

參考文獻

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