淺析LED車載顯示面板傳導(dǎo)模型和影響散熱效果進行計算校驗測試數(shù)據(jù)和ANSYS軟件仿真

隨著LED生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，車載手機及其他顯示需要亮度越來越高，散熱也就成了不得不面臨的棘手問題。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(jié)合車載顯示等特點，提出了一種車載顯示熱學(xué)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(xué)測試計算以及ANSYS軟件仿真，最后通過對測試模擬結(jié)果的系統(tǒng)分析，給出參考結(jié)論，為改善當(dāng)前LED高亮度顯示的散熱設(shè)計提出了指導(dǎo)性意見。

面板行業(yè)對我們來說已不再陌生，在生活中隨處可見，大到戶外顯示屏小到手機Pad這樣的終端都有，而且隨著技術(shù)進步車載顯示出貨量占了更大比例。LED作為新型高效節(jié)能光源，進入顯示領(lǐng)域已日趨成熟。并且對于高亮度的需求表明，在符合節(jié)能的前提下以產(chǎn)品為對象進行熱管理就顯得尤為重要。

對LED而言，提高結(jié)溫將引起器件各項性能改變和衰減。研究表明：溫度高于某一數(shù)值后,LED失效率會以指數(shù)規(guī)律爬升。結(jié)溫升高時LED光衰將顯著加速，壽命顯著降低。所以怎樣通過合理散熱設(shè)計來控制LED顯示溫升，是LED步入顯示照明領(lǐng)域，特別是高亮顯示亟待解決的一個難題。

1、LED封裝與面板傳導(dǎo)模型

LED由兩部分組成,一部分是P型半導(dǎo)體,另一端是N型半導(dǎo)體,當(dāng)這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候,它們之間就形成一個“P-N結(jié)”?當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候,就會以光子的形式發(fā)出能量,產(chǎn)生光?LED工作過程中15%-25%的電能轉(zhuǎn)化為光能,其余的電能轉(zhuǎn)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(jù)熱量的傳遞主要有三種方式:熱傳導(dǎo)?熱對流和熱輻射?其熱量的流動大概可以簡單歸結(jié)為如下過程:先是經(jīng)過焊接層將熱量傳給固定LED的電路板,然后電路板通過導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳車載顯示LED散熱研究文/朱玲吳春明隨著LED生產(chǎn)工藝技術(shù)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(jié)合車載顯示等特點,提出了一種車載顯示熱學(xué)分析等效模型?接著根據(jù)當(dāng)前車載顯示中主要使用的被動式散熱方式進行了車載模型的熱學(xué)測試計算和ANSYS軟件仿真研究，最終通過系統(tǒng)分析試驗仿真結(jié)果，給出了參考結(jié)論并對改進目前LED高亮度顯示散熱設(shè)計給出指導(dǎo)性建議。摘要給予背板并最終依靠背板和空氣之間的對流來散發(fā)熱量。其全過程可表示為：等效熱阻模型。

LED熱源熱阻→電路板熱阻→導(dǎo)熱介質(zhì)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(biāo)注含義?

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

傳導(dǎo)型熱阻,其阻值R=d/KA;對于對流型熱阻,其阻值R=l/hA?其中:d為厚度,K是材料的導(dǎo)熱系數(shù),h是對流系數(shù),A是導(dǎo)熱面積?根據(jù)熱歐姆定律,計算熱阻整體公式為:R=ΔT/P,ΔT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。

圖 2影響散熱效果主要有六種因素

材料主要影響傳導(dǎo)的熱阻值,車載背光中較好的材質(zhì)可以選擇熱阻較低的LED,鋁基板或者陶瓷基板,導(dǎo)熱膠帶以及鋁背板?結(jié)構(gòu)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(huán)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(dāng)在以上因素都改變不了或已經(jīng)都最好的情況下,LED結(jié)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(xué)滿足客戶要求?

熱學(xué)評估首先要瞭解影響散熱傳導(dǎo)之各種材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、熟悉材料屬性、功率熱阻等等，然后透過經(jīng)驗公式對各種溫度值進行簡易的理論計算，接著對計算溫度值進行了仿真校驗，給出了初步的結(jié)論和改進意見，隨后的實際溫度測試產(chǎn)品進行了對比校核。

3、某車載產(chǎn)品案例

圖 3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

1.產(chǎn)品材料介紹及結(jié)構(gòu)圖

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(fā)熱效率70%?背板采用壓鑄鋁材質(zhì)?最終熱設(shè)計的目標(biāo)為LED結(jié)溫不超過最高結(jié)溫120℃,PC導(dǎo)光板部位溫度不超過黃化溫度110℃,IC電路板溫度不超過95℃,液晶玻璃溫度不超過60℃?

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Δt=Q/h.A初步計算背板與空氣之間溫差為18.44℃,環(huán)境溫度Ta為25℃,得出背板溫度Ts為43.44℃?通過傳導(dǎo)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=ΔT/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(jié)溫:

Tj=Rjc×Ped+Tc=30×0.24+48.962=56.162℃

Tj=56.162℃,Tc=48.962℃,Ts=43.44℃,Ta=25℃

3.熱仿真及參考建議

采用ANSYS軟件對理論計算結(jié)果進行仿真校驗分析,導(dǎo)入熱分析模型,模型主要包括LED列陣,電路板,導(dǎo)熱膠帶,散熱背板,膜片?根據(jù)各組件導(dǎo)熱系數(shù),設(shè)置對流系數(shù)以及輻射,這里對流采取自然對流方式,對流系數(shù)K取8W/M.K,輻射系數(shù)設(shè)置發(fā)亮金屬ε=0.5,LED熱流密度為41000W/m2?圖4為產(chǎn)品在環(huán)境溫度25℃時溫度場分布圖,根據(jù)仿真結(jié)果可以看出Led引腳最高溫度46.965℃,計算結(jié)溫54.165℃,散熱背板最高溫度42.259℃?與理論計算結(jié)果接近,導(dǎo)光板最高溫度40.69℃,圖5為產(chǎn)品在環(huán)境溫度85℃時溫度場分布圖,Led引腳最高溫度104.7℃,計算結(jié)溫111.9℃,散熱背板最高溫度100.15℃?導(dǎo)光板最高溫度98.633℃?

通過理論計算和ANSYS仿真，散熱背板和引腳的溫度均正常，在85°C的高溫高濕環(huán)境下，理論計算的結(jié)溫Tj=116.162°C不得大于LED的最高結(jié)溫TJmax=120°C。PC導(dǎo)光板的模擬溫度為98.663°C,不高于110°CPC黃化溫度。由此可見，這款車載產(chǎn)品在功率材料的構(gòu)造上都達(dá)到了散熱設(shè)計的要求。

4.熱測試結(jié)果及溫度電流曲線圖

為了驗證計算以及仿真結(jié)果,實際產(chǎn)品進行了熱測試,實測為敞開測試,產(chǎn)品封閉組裝起來溫度會較敞開測試溫度高?表3為環(huán)境溫度為27.5℃產(chǎn)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(jié)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(lián)合ANSYS仿真,依據(jù)考慮IC極限正常使用溫度下導(dǎo)光板最高溫度不超過95℃時環(huán)境溫度對應(yīng)單燈電流變化曲線圖,電流80MA驅(qū)動時,環(huán)境溫度降為81℃,剛好滿足導(dǎo)光板最高溫度95℃?

4、總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)有LED車載顯示面板傳導(dǎo)模型和影響散熱效果的6個主要因素進行了計算校驗測試數(shù)據(jù)和ANSYS軟件仿真，并以一款車載產(chǎn)品為例，進行了具體的分析，以此來指導(dǎo)高散熱效率顯示背光的設(shè)計，這對于促進LED在顯示面板上的使用有著重要的意義。