LED背光模組熱管理研究
摘要:文章建立了RGB三合一LED背光模組的熱分析模型,通過與紅外熱像儀實際測量得到的溫度數據相互比較,驗證了該模型仿真結果的準確性.模擬分析的結果表明,在LED陣列底部固定一塊鍍鋅鋼板可有效降低LED結溫.文章還提出了一種利用最小二乘法原理推算LED結點溫度的方法,得到了電路板表面溫度與LED結溫之間的關系式,有助于通過測量電路板溫度估算LED的結點溫度,并以此為根據對LED進行亮度和色度的調節.
關鍵詞:LED;背光模組;熱管理;數據處理
引言
液晶顯示（liquidcrystaldisplay，LCD）經過三十年的發展，已經成為平板顯示的主流技術。目前使用的LCD背光模板主要有冷陰極熒光燈（coldcathodefluorescent，CCFL）、電致發光片（electroluminance，EL）和發光二極管（lightemittingdiode，LED）等。與CCFL及EL相比，LED背光具有色純度高、壽命長、環保、無污染等優點，正逐步成為LCD的主流背光源[1-2]。由RGB彩色LED組成的背光模板色域超過NTSC標準的100%，成為研究熱點[3]。但由于三種晶片封裝于一個LED中，存在熱量過度集中的問題，沒有合理的熱管理將導致LED背光模板亮度下降、色偏等問題[4]，若一個晶片失效，便無法輸出所需的白光。針對這種情況，本文在精確建立RGB三合一LED模型的基礎上，對用于液晶顯示的三芯片LED背光模塊進行了熱仿真分析，并建立了電路板表面溫度和LED結點溫度之間的關系式，這樣便可通過測量電路板表面溫度估算LED結點溫度，為LED背光源亮度和色度的調節提供了依據。
1LED封裝
本文選用NICHIA公司的LED，該LED封裝有R、G、B三種晶片和六個引腳，
每個芯片可單獨控制，LED外形尺寸為3mm×3mm×1.5mm。當背光模塊設計亮度為5,000nit、6,500K白光時，R、G、B三種晶片的控制參數如表1所示。
2熱仿真分析
單個LED封裝模型如圖1所示，灌封膠、引線框架、塑封、固晶膠、FR4電路板等材料的導熱系數如表2所示，由晶片發出的熱量絕大部分通過引線框架傳遞至FR4板上[5]。由于本次試驗中所使用的電路板底部并沒有覆銅層，
這樣電路板上的過熱孔并沒有起到將熱量傳到底部金
屬層從而增加散熱的作用，
因此在仿真中忽略了過熱孔的影響。模擬仿真時設置環境溫度為30℃，同時忽略輻射對模型的影響。
分別模擬不同情況下的LED陣列溫度分布，并與實際測量得到的數據進行對比。圖2繪制了仿真模擬中當占空比為100%時LED陣列的表面溫度云圖，其中電路板表面溫度為93.44℃，芯片最高溫度達到115.83℃。
為了驗證仿真結果的正確性，采用紅外熱像儀對背光模組進行了實際測試。為保證仿真結果和測試結果的可比性，背光源進行實際測試時的電壓、電流值與模擬仿真時輸入的參數完全相同。實際測試時，背光源采用脈寬調制控制（PWM）方法，即通過改變占空比來改變流過LED的電流值。當占空比為100%時，流過LED的電流為20mA，占空比降低到50%時，電流為20mA×50%=10mA，依此類推。圖3反映了實際測量中當占空比為100%時LED陣列的表面溫度情況，可以看出，燈罩表面的最高溫度達到了102.06℃。圖4繪制了當占空比從10%調制到100%時，實際測量得到的電路板表面溫度變化情況。不同占空比下模擬分析結果與實測結果中電路板表面最高溫度的對比如圖5所示，從圖中可以看出，模擬分析的結果與實測結果的差值較小，其差值可以理解為忽略輻射和過熱孔的原因所致。因此，可以認為本文中建立的模型和設置的參數是較為準確的。
從結果可以看出，由于LED陣列直接焊接在普通FR4電路板上，當占空比較高時，LED結點溫度過高，會大大降低LED的壽命，增加LED的光衰，同時環氧樹脂也會因高溫而變色，降低其透光率，發生色衰和色偏現象[6]，因而必須進行合理的熱管理。考慮到實際的LCD面板多用鍍鋅鋼板（electro-galvanizedsteel，SECC）作為背光模組的外殼材料，因而本文利用SECC作為散熱裝置安裝在FR4電路板的底部，通過導熱硅膠和電路板相連。SECC的厚度為1.5mm，導熱系數為120W/M*K，導熱硅膠的厚度為0.1mm，導熱系數為1W/M*K。圖6所示為當占空比為100%時，安裝上SECC后的LED陣列模組的表面溫度分布情況，可以看出電路板表面最高溫度降低到73.19℃，芯片最高溫度降低到84.31℃，比未加SECC時的芯片最高溫度降低了31.52℃。
3LED結溫推算
為了對亮度和色度進行實時調節，同時也為了避免LED結溫過高而影響壽命，LED背光模組實際工作時需要根據LED結溫對RGB三芯片的驅動電流進行實時控制。很多LED說明書上給出的都是結點溫度和相對光輸出的關系，而實際工作時無法準確得到LED結溫，一般的做法是測量LED封裝外殼的溫度，并利用方程（1）推算出結點溫度。
式中，是LED結點到外殼的熱阻，是LED結點溫度，是LED外殼溫度，P是LED的輸入功率。但是，這種計算結點溫度的方法有其局限性，首先，結點到外殼的熱阻與LED的封裝有著密切的關系，不同封裝形式的LED燈珠熱阻各不相同，并且某些LED封裝公司并不具備準確測得熱阻的有效方法；其次，隨著LED結點溫度的上升，芯片的正向電壓會減小[7]，這也就使輸入功率發生了變化，影響結溫計算的準確性。本文在模擬仿真的基礎上，利用數值分析的方法，建立起電路板表面溫度與結溫之間的定量關系式。實際工作時，通過電路板表面的貼片電阻溫度傳感器測得電路板表面溫度之后，通過定量關系式的計算即可得到LED的結點溫度。圖7繪制了占空比從10%到100%時，電路板表面溫度與結點溫度的對應曲線。
從圖7中的曲線可以看出，當占空比小于80%時，電路板表面溫度與結點溫度之間近似存在一元線性關系，繼續增加占空比，曲線發生明顯變化，說明在這種結構下，當電流占空比超過80%時LED的結溫過高，使得芯片的特性發生變化。因此，利用誤差理論中最小二乘法原理，對電流占空比不超過80%時的情況進行數值分析，可以求出電路板溫度與LED結溫之間的關系式。
最小二乘法原理是一種在多學科領域中廣泛應用的數據處理方法，本文中利用數據處理軟件得到電路板表面溫度與結點溫度之間的擬合方程如式（2）所示，式中，是LED結點溫度，是電路板表面溫度。
4結論
本文分析了應用于液晶顯示的LCD面板背光源設備的LED陣列的熱仿真分析，利用紅外熱像儀測量了不同條件下LED陣列的表面實際溫度，以此驗證了模擬仿真中模型及參數的可靠性。實測和模擬結果表明，當電流增加時LED的結溫上升較大，需要對LED陣列進行散熱設計以及亮度和色度的調節。進一步的仿真結果表明，在FR4電路板底部安裝SECC板可起到有效的散熱效果，使LED結點溫度由115.83℃降低至84.31℃。另外，本文提出了一種利用最小二乘法原理計算LED結點溫度的方法，得到了電路板表面溫度與結溫的關系式，通過測量電路板表面溫度經過簡單計算即可得到結點溫度，為亮度和色度的調節提供了依據。