淺析LED車載顯示面板傳導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(jié)果的系統(tǒng)分析，給出參考結(jié)論，為改善當前LED高亮度顯示的散熱設(shè)計提出了指導性意見。

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(jié)”?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(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?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分析等效模型?接著根據(jù)當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=l/hA?其中:d為厚度,K是材料的導熱系數(shù),h是對流系數(shù),A是導熱面積?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,前提是要光學滿足客戶要求?

熱學評估首先要瞭解影響散熱傳導之各種材質(zhì)導熱系數(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)計的目標為LED結(jié)溫不超過最高結(jié)溫120℃,PC導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(jù)各組件導熱系數(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光板最高溫度不超過95℃時環(huán)境溫度對應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。