直下式LED 液晶顯示器背光模組的超薄化設計

姜震 江蘇無線電廠有限公司

引言

直下式LED 液晶顯示器背光模組有其自身的結構和應用性能，考慮到厚度過大而限制其應用的局限性，本文重點關注和探討直下式LED 液晶顯示器背光模組的超薄化設計和散熱設計，滿足人們對直下式LED 液晶顯示器背光模組的輕薄、美觀、實用性需求。

1 帶圓臺的超薄直下式背光模組設計

傳統的直下式背光光源位于模組的底部，其照度、亮度和均勻度均佳，然而需要一定的混光高度才能獲得理想的均勻度，這就增大了顯示器的厚度，與現代輕薄化、美觀化的應用需求不相契合。為此，本文設計一種帶有圓臺的超薄直下式LED 背光模組，使LED 設計于圓臺的側面，無須光學透鏡，即可在降低混光高度的同時滿足其均勻度要求。

1.1 光學設計方案。該直下式LED 背光模組由圓臺、LED 燈珠、圓錐、反射隔板、底板、邊框、擴散膜等構成，將4 顆LED 燈珠設計于每個圓臺的斜面，保持垂直分布的狀態。圓臺則設計為正六邊形，分別對應正六邊形的一個角，中心設置一個圓錐，通過表面反射面和周邊的反射隔板形成獨立照明單元，在各單元拼接之后即形成不同尺寸的背光模組。

1.2 照度分布設計。該設計中的LED 類似于朗伯型發光體，在設計中考慮到照度、照明面積等因素，燈珠尺寸為2×2×1mm，排列間距為26mm，隔板邊長為43.32mm，將LED 燈珠設置于圓臺的傾斜側面，圓臺底面直徑為17.32mm，傾角為30°，斜面長度為4mm，臨界混光高度為16mm，從而使背光模組更加輕薄和均勻。設計采用正六邊形的排列方式，能夠有效減少LED 的數量，并在中心位置設置圓錐體反射面，圓錐半徑和高度均為10mm，能夠較好地避免中間部位出現混光盲區的現象，改變光線方向，從而較好地改善背光模組的光斑均勻度，使均勻度達到94.96%，有效降低混光高度，提升光能利用率。

2 直下式LED 液晶顯示器背光模組的散熱設計分析

隨著直下式LED 液晶顯示器背光模組的超薄化設計趨勢，要重點關注背光模組的散熱問題，考慮到工作環境溫度升高會對內部元件產生損壞，縮減LED 的光學性能和使用壽命，為此要探討LE 液晶顯示器的散熱問題，提高LED 背光模組的光電特性和穩定可靠性。

2.1 LED 內部發熱的原因分析。LED 產生熱量的內部成因主要歸結于量子效率低，因原材料自身品質、制作工藝存在欠缺，由此引發電子由激發態躍遷至基態時產生無輻射躍遷，導致熱量的生成而降低載流子的轉換效率。

2.2 LED 液晶顯示器散熱的設計方法。（1）提高LED 芯片散熱性能。考慮到LED 液晶顯示器背光模組的內量子效率極低，電能難以完全轉換為光能，為此可以引入外延生長技術和多量子阱結構，設計波長為625nm AlGalnP 基LED，使其內量子效率達到近乎100%，大幅提升LED 芯片的光電轉化效率。同時，還要重點提升LED 芯片的外量子效率，采用改變芯片的外形、引入倒裝芯片技術、表面粗糙化技術和光子晶體技術的方法，設計生長分布布拉格反射層（DBR）結構，有效地提升LED 液晶顯示器背光模組的外量子效率。（2）以散熱工具為載體，通過降低工作環境溫度的方式實現LED 產品的降溫。具體來說，可以采用風冷、液冷、半導體制冷等主動式散熱方法，主動進行熱量的轉移和導出，如：散熱風扇。還可以將LED 的發熱端連至散熱器，擴大散熱面積，達到快速有效的散熱。

2.3 直下式LED 液晶顯示器背光模組的散熱方案。結合超薄化設計考慮，選擇散熱圓臺和導熱硅膠片相結合的散熱系統，具體包括以下內容：（1）散熱圓臺。將圓臺設計為散熱片的形狀，與支撐曲面構成一個散熱整體，圓臺下方底板開挖一個圓形孔洞，并在圓臺和底板間設置環形導熱硅膠片，用于填補中間的縫隙，并實現對熱量的傳導，有效提高單顆LED 的平均散熱面積。（2）導熱硅膠片散熱系統。將導熱硅膠片與每個圓臺相連接，將熱量傳導至通氣孔附近，有效提高背光模組中部的散熱能力。并在單個完整的正六邊形照明單元中以條形硅膠片連接各個圓臺，中間涂覆導熱硅脂，起到良好的導熱功效。而中部相鄰單元的三角區域，則設計采用Y 形導熱硅膠片進行連接。由此可見，通過上述設計方式，能夠將背光模組中心區域的熱量傳導至外部空間，達到有效的降溫效果，延長LE 光源的壽命。

3 小結

綜上所述，直下式LED 液晶顯示器背光模組要突破厚度在的先天缺陷，可以引入相關技術和方法，進行直下式LED 液晶顯示器背光模組的超薄化設計，設計一種帶有圓臺的、有正六邊形獨立單元結構的直下式LED 背光模組，在保證高均勻度的同時降低厚度，實現背光模組的超薄化設計。并利用圓臺散熱片和導熱硅膠片實現內部散熱。未來還要進一步開展軟件模擬研究，搭建實物模型進行背光模組的實驗測試，并進行散熱設計的模擬實驗，使之不斷完善和優化。