10.1寸液晶屏幕總成散熱模擬分析及優化設計

胡星曄，陳貴清

(福建船政交通職業學院 機械與智能制造學院，福州 350007)

0 引言

近年來，發光二極管(LED)由于具有體積小、耗電量低、使用壽命長、環保無污染、色域廣、亮度高等優勢，已逐漸成為液晶顯示器背光的首選光源。然而LED的光電轉換效率低，僅有30%左右的電能轉為光輸出，其余都以熱能形式散發，從而導致LED及背光源的溫度急劇上升，特別是因單顆LED的輸出光束低，大多數液晶顯示設備要多顆LED同時使用，發熱更為嚴重[1-4]，若不能使這些熱量盡快有效地耗散，將會加快芯片老化，導致發光效率下降，影響液晶屏幕的畫面質量[5]。因此對液晶顯示設備進行熱分析和優化設計，提高其散熱能力是亟待解決的關鍵技術難題之一。

Solidworks軟件是基于Windows的全參數化三維實體造型軟件，其集成分析系統Solidworks Simulation創造性地將應力分析、熱-結構、流體-結構、多體動力學-結構等多場分析和優化分析流程無縫融入Solidworks的設計過程中，有效體現了設計仿真一體化的解決方式。本文即是利用Solidworks對某公司生產的10.1寸手持平板電腦產品的液晶屏幕總成在長時間工作過程中出現的發熱量偏大問題進行熱模擬分析，進而找出產品發熱原因，并提出優化設計方案。

1 模型建立和發熱源分析

1.1 模型建立

液晶屏幕總成主要包括液晶面板、驅動IC、軟式電路板、背光模組、絕緣膠帶、蓋板玻璃等部件。液晶面板本身不發光，光源來自其下方的背光模組，通過驅動IC輸出的電壓變化，驅動液晶面板內部的液晶翻轉，控制穿過液晶面板的光強度，從而實現畫面的亮暗變化[6-7]。

利用Solidworks軟件建立該產品10.1寸液晶屏幕總成的三維模型，由于本研究側重于分析模型長時間穩態工況下的熱平衡狀態，故對屏幕總成內部材質相同、結構相連的各膜片疊層以組合的方式做了簡化；同時考慮軟式電路板、背光內部膜片定位的吊耳、凹槽等位于模型內部，簡化后不影響穩態工況下的熱分析結果，可縮短軟件在有限元分析過程中的耗時，故也進行了簡化處理，由此得出的三維模型如圖1所示。由圖1可以看出，總成結構為液晶面板端子部壓合驅動IC后上貼蓋板玻璃，背面同背光模組貼合，LED與驅動IC皆位于模組短邊相同側。

圖1 屏幕總成的三維模型

1.2 發熱源分析

該產品液晶屏幕總成散熱路徑如圖2所示。由圖2可以看出，熱源主要來自背光模組中的LED及液晶面板上的驅動IC。一方面，LED光源從側面進入導光板，經導光板的網點折射，射入液晶面板，LED燈條直接貼于背光金屬背板內側，其發熱主要通過金屬背板傳遞到空氣中[8]，由于導光板、膜片組、膠框的材質及尺寸均已固定，唯有通過優化金屬背板的材質及尺寸來改善LED的散熱狀況；另一方面，驅動IC貼合在液晶面板上，其表面貼附有絕緣膠帶，其發熱主要通過貼合在液晶面板上的蓋板玻璃和絕緣膠帶傳遞到空氣中，由于液晶面板、蓋板玻璃的材質和尺寸均已固定，唯有通過優化驅動IC表面貼附的絕緣膠帶的材質及尺寸來改善驅動IC的散熱狀況。

圖2 屏幕總成的散熱路徑

基于該產品實際，金屬背板和絕緣膠帶的長寬尺寸均已固定，因此，綜合發熱源分析結果，本文主要通過調整金屬背板和絕緣膠帶的材質與厚度來優化屏幕總成的散熱性能。

2 優化前后的熱模擬仿真結果對比與分析

模型散熱情況仿真采用有限元分析法(FEA)，其主要原理是將復雜的幾何模型離散分解成許多簡單的小塊，通過定義各材料的屬性及接觸條件，施加熱載荷及傳導、對流條件后將實體網格化，然后利用軟件Solidworks Simulation對結果進行模擬分析[9-12]。其中，LED燈條熱功率為1.39 W，驅動IC熱功率為0.34 W，各部件間設置為緊密接觸，環境溫度為25 ℃，屏幕總成與空氣的對流傳熱系數為5 W/(m2·K)，各主要材質的熱導率如表1所示。

表1 主要材質的熱導率 W/(m·K)

2.1 優化前的散熱模擬仿真結果

優化前該產品的屏幕總成采用的是0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶，熱分析結果如圖3-4所示。可以看出，主要熱源LED燈條和驅動IC均位于屏幕總成內部，最高處溫度達到了49.8 ℃，大大高于人體體溫(36.8 ℃)，因此散熱效果差，客戶體驗不佳。

圖3 優化前屏幕總成的熱模擬平面圖

圖4 優化前屏幕總成的熱模擬剖面圖

2.2 不同材質及厚度對散熱效果的影響模擬分析

2.2.1 金屬背板材質及厚度對散熱效果的影響模擬

目前，中尺寸背光模組主流的金屬背板材質主要采用不銹鋼SUS201、鍍鋁鋅鋼板GL57及鋁合金AL5052等。受機構尺寸限制，背板厚度上限為0.25 mm，故分別取0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四種厚度進行熱模擬分析。以0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬結果為例，由平面圖(圖5)可以看出，屏幕總成外表面最高溫度區域位于驅動IC及LED燈條重合處，這是由于金屬背板加強了LED的散熱，相比玻璃及PET絕緣膠帶較低的熱導率，凸顯了驅動IC表面發熱的累積。從剖面圖(圖6)可以看出，溫度刻度上紅色區域(即溫度最高處)位于屏幕總成內部LED燈條上，靠近兩顆驅動IC軸對稱中心的法向投影區域內。這是由于LED燈條熱功率較單顆驅動IC高約10倍，且兩顆驅動IC中間為空氣層，故散熱效果不佳，導致內部熱量疊加。其余金屬背板材質及厚度的熱模擬圖與0.2 mm鋁合金AL5052類似，故不再贅述，僅取所有熱模擬數據(溫度最高值)進行分析說明，見圖7。

圖5 0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬平面圖

圖6 0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬剖面圖

圖7 不同金屬背板材質及厚度下熱模擬最高溫度趨勢圖

由圖7可以看出，在相同材質下，屏幕總成的最高溫度隨背板厚度的增加而下降，而在0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四種厚度下，鋁合金AL5052的散熱能力均為最佳，鍍鋁鋅鋼板GL57次之，不銹鋼SUS201散熱能力最差，即在0.1～0.25 mm區間內，金屬背板的散熱能力與厚度成正比，且最高溫度的遞減趨勢隨厚度增加逐漸趨緩。故在滿足實際工況的前提下，金屬背板厚度及材質的最優選擇為0.25 mm的鋁合金AL5052。

2.2.2 絕緣膠帶材質及厚度對散熱效果的影響模擬

將原產品中絕緣膠帶的PET材質分別調整為鋁箔、銅箔及石墨片材質，并根據屏幕總成機構限高選定0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四種厚度作對比分析。以0.1 mm石墨片熱模擬結果為例，由平面圖(圖8)可以看出，屏幕總成表面溫度的最大值位于屏幕下方兩角落處，這是由于調整后的絕緣膠帶材質相比PET熱導率有了數量級的提升，大大加強了屏幕總成下方大部分區域的散熱，故在絕緣膠帶貼附的邊緣區域，即散熱相對弱的區域凸顯了熱量。而從剖面上看(圖9)，溫度刻度上紅色區域也位于屏幕總成內部LED燈條上，靠近兩顆驅動IC軸對稱中心的法向投影區域內，原因也是由于LED熱功率高，且兩顆驅動IC中間是空氣層，故散熱不佳。其余絕緣膠帶材質及厚度的熱模擬圖與0.1 mm石墨片類似，故不再贅述，也僅取所有熱模擬數據(溫度最高值)進行分析說明，見圖10。

圖8 0.1 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬平面圖

圖9 0.1 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬剖面圖

圖10 不同絕緣膠帶材質及厚度下熱模擬最高溫度趨勢圖

由圖10可以看出，在相同材質下，屏幕總成的最高溫度隨絕緣膠帶厚度的增加而下降，而在厚度為0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四種情況下，石墨片的散熱能力均為最佳，然后依次是銅箔及鋁箔，即在0.05～0.2 mm區間內，絕緣膠帶的散熱能力與厚度成正比，且最高溫度的遞減趨勢隨厚度增加逐漸趨緩，故在滿足實際工況的前提下，絕緣膠帶的厚度及材質的最優選擇為0.2 mm的石墨片。

2.2.3 模擬結果原因分析

2.2.3.1 LED散熱情況分析

根據熱阻計算公式：

(1)

得：T1=θJA1×P1+T∞，

(2)

式中，θJA1為LED燈條總熱阻，T1為LED穩態工況下的最高溫度，T∞為環境溫度，P1為LED燈條熱功率。在T∞及P1固定的情況下，T1同θJA1成正比。

θJA1=θJC1+θCS1+θSA1，

(3)

式中，θJC1為LED燈條自身熱阻，θCS1為LED燈條到金屬背板的熱阻，θSA1為金屬背板到環境的熱阻。

LED燈條以雙面膠貼合在金屬背板上，故在LED型號選定的情況下，θJC1和θCS1固定，θJA1與θSA1成正比。

θSA1=θK1+θBZ，

(4)

式中，θK1為金屬背板和空氣間的對流傳熱熱阻，θBZ為金屬背板自身的導熱熱阻。

(5)

式中，h為對流傳熱系數，A1為傳熱面積，在屏幕總成尺寸固定且不增加外界強制對流的情況下，θK1是定值。

綜合式(1)-(5)可知，在LED穩態工況下的最高溫度T1與θBZ成正比。由于LED同金屬背板面積差異大，除了沿接觸面法向(Z軸)的傳熱外，也有沿平面方向(X，Y軸)的擴散傳熱，故該傳熱方式屬于非穩態的三維傳熱[13-15](圖11)，即θBZ在X，Y，Z三個方向的熱阻分量分別為θx，θy，θz。

圖11 LED在金屬背板上傳熱示意圖

根據傅里葉定律在直角坐標系中的投影表達式及熱阻的計算公式得：

(6)

(7)

(8)

qx，qy，qz分別是X，Y，Z三個方向上的熱通量，L是導熱材料厚度，S是接觸面積，λ是熱導率。

從式(6)-(8)可看出，金屬背板的熱導率λ同θx，θy，θz均成反比，即同θBZ成反比，λ越大，θBZ越小，最高溫度T1越小。因此，選擇熱導率更高的材質作為金屬背板，可降低最高溫度，提高散熱效果。

同時，從式(8)可以看出，增大dz，θz增加，但依式(6)和式(7)，θx，θy會減小。結合圖7的分析數據，金屬背板在0.1～0.25 mm的厚度區間內，平面方向的擴散熱阻θx和θy對整體熱阻的影響要大于θz，故在尺寸允許的厚度區間內增加金屬背板的厚度可以有效增加平面方向的傳熱面積，從而降低整體的熱阻。

綜合上述分析，背板選用熱導率高的鋁合金材質，在工況允許范圍內選擇最大厚度(0.25 mm)，能得到較低的LED穩態工況下的最高溫度。

2.2.3.2 驅動IC散熱情況分析

驅動IC壓合在液晶面板上，其穩態工況下的最高溫度：

T2=θJA2×P2+T∞，

(9)

式中，θJA2為驅動IC總熱阻，T2為驅動IC穩態工況下的最高溫度，T∞為環境溫度，P2為驅動IC熱功率。在T∞及P2固定的情況下，T2同θJA2成正比。

優化前：θJA2=θJC2+θCS2+θSA2，

(10)

式中，θJC2為驅動IC自身熱阻，θCS2為驅動IC到液晶面板和蓋板玻璃的熱阻，θSA2為液晶面板和蓋板玻璃到環境的熱阻。

基于2.2.2的分析結果，通過增加驅動IC的傳熱路徑，即優化驅動IC表面貼附的絕緣膠帶材質及厚度，可以減小驅動IC散熱的并聯熱阻，故優化后可得：

(11)

式中，θCS3為驅動IC到絕緣膠帶的熱阻，θSA3為絕緣膠帶到環境的熱阻。

令θCS2+θSA2=θ2。

(12)

聯立式(10)-(12)可得：

(13)

即基于熱阻并聯的原理，優化后的θJA2′較優化前小，故最高溫度T2減小。由于驅動IC通過絕緣膠帶的傳熱方式也屬于非穩態的三維傳熱，與LED通過金屬背板傳熱的原理類似，故絕緣膠帶選用熱導率高的石墨片材質，厚度在工況允許范圍內選擇最大(0.2 mm)，則能獲得驅動IC的最佳散熱效果。

2.3 優化后的散熱模擬仿真結果

依據2.2分析結果，LED及驅動IC的最高溫度T1和T2疊加即為屏幕總成穩態工況下的最高溫度，這是基于LED、驅動IC發熱及整體系統散熱效應疊加的結果，基于產品的實際工況，通過選取熱導率更高的金屬背板和絕緣膠帶材質，同時增大金屬背板和絕緣膠帶的厚度，能有效提升屏幕總成的散熱效果。

綜合以上模擬仿真結果及其原因分析，得出該產品模型使用0.25 mm鋁合金AL5052背板和0.2 mm石墨片絕緣膠帶，其熱模擬穩態最高溫度為36.1 ℃(圖12和圖13)，與優化前模型使用0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶相比，最高溫度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可達到當前工況條件下最好的散熱效果。

圖12 0.25 mm鋁合金AL5052背板結合0.2 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬平面圖

圖13 0.25 mm鋁合金AL5052背板結合0.2 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬剖面圖

3 驗證性實驗

3.1 樣品實物溫升測試

依據優化設計方案，以K型熱電偶對樣品實物進行溫升測試，如圖14所示。實測優化前實物樣品5pcs(編號1#～5#)及優化后實物樣品5pcs(編號6#-10#)溫度-時間關系曲線，如圖15-16所示。

圖14 K型熱電偶實物溫升測試實驗

由圖15可知，優化前所有樣品在每間隔5 min的溫度測試中，最高溫度在55 min之后趨于穩定，穩態溫度平均值為50.3 ℃，與熱模擬分析結果僅相差0.5 ℃，誤差率為1.0%，可驗證研究結果的準確性。

圖15 優化前樣品實物溫度-時間關系曲線圖

由圖16可知，優化后所有樣品在每間隔5 min的溫度測試中，最高溫度在45 min之后趨于穩定，穩態溫度平均值為36.5 ℃，與熱模擬分析結果僅相差0.4 ℃，誤差率為1.1%，可驗證研究結果的準確性。

圖16 優化后樣品實物溫度-時間關系曲線圖

3.2 實物樣品機械強度測試

機械強度測試是用來模擬屏幕總成在組裝過程中可能受到的擠壓情況，結果可作為其機械強度的評價標準。分別取5片優化設計后的實物樣品，使用推力計垂直于背板平面中心，分別施加負載0.5 kgf，1.0 kgf，1.5 kgf各三次后，點亮屏幕，發現發光面均未產生白團不良，證明該設計方案的機械強度可滿足實際生產組裝的需要。

圖17 實物樣品機械強度測試

4 結論

(1)液晶屏幕總成的穩態工況最高溫度是LED、驅動IC發熱及整體系統散熱效應疊加的結果，選取熱導率更高的金屬背板和絕緣膠帶材質，同時增大金屬背板和絕緣膠帶的厚度，能有效提升屏幕液晶總成的散熱效果。

(2)通過優化設計及模擬可得出：該產品使用0.25 mm鋁合金AL5052背板和0.2 mm石墨片絕緣膠帶，其熱模擬穩態最高溫度為36.1 ℃，與優化前產品使用0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶相比，最高溫度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可達到當前工況條件下最好的散熱效果。

(3)樣品實物溫升測試表明：優化前的穩態溫度平均值為50.3 ℃，與熱模擬分析結果僅相差0.5 ℃，誤差率為1.0%；優化后的穩態溫度平均值為36.5 ℃，與熱模擬分析結果僅相差0.4 ℃，誤差率為1.1%，由此可驗證研究結果的準確性。實物樣品經機械強度測試，未產生白團不良，證明該設計方案的機械強度可滿足實際生產組裝的需要。