隨著LED生產工藝的不斷發展，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。

面板行業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，而且隨著技術進步車載顯示出貨量占了更大比例。LED作為新型高效節能光源，進入顯示領域已日趨成熟。并且對于高亮度的需求表明，在符合節能的前提下以產品為對象進行熱管理就顯得尤為重要。

對LED而言，提高結溫將引起器件各項性能改變和衰減。研究表明：溫度高于某一數值后,LED失效率會以指數規律爬升。結溫升高時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計來控制LED顯示溫升，是LED步入顯示照明領域，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”?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?LED工作過程中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車載顯示LED散熱研究文/朱玲吳春明隨著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?接著根據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，最終通過系統分析試驗仿真結果，給出了參考結論并對改進目前LED高亮度顯示散熱設計給出指導性建議。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,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=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?

熱學評估首先要瞭解影響散熱傳導之各種材質導熱系數、熟悉材料屬性、功率熱阻等等，然后透過經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，給出了初步的結論和改進意見，隨后的實際溫度測試產品進行了對比校核。

3、某車載產品案例

圖 3產品結構圖

1.產品材料介紹及結構圖

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℃,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℃?

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的高溫高濕環境下，理論計算的結溫Tj=116.162°C不得大于LED的最高結溫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，這款車載產品在功率材料的構造上都達到了散熱設計的要求。

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IC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

本文根據現有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據和ANSYS軟件仿真，并以一款車載產品為例，進行了具體的分析，以此來指導高散熱效率顯示背光的設計，這對于促進LED在顯示面板上的使用有著重要的意義。