大尺寸LED背光源的热分析

大尺寸LED背光源的热分析(第1页)

注：其他网站转载须注明出处，转载而不注明出处者，一经查实，将追究其法律责任

以119.4cm(47in)侧光式LED背光源为模型，采用有限元方法对其进行热分析，计算出不同情况下的温度场。由计算结果可知：采用铝材做背板，散热性能比电镀锌钢板(EGI)材料好20%以上。对LED背光源的温度场进行了实际测量，计算结果和实测温度相一致，证明所提出的分析方法是可行的。

1 引 言

随着全球环保意识的抬头，节能省电已成为当今发展的趋势[1]。近年来，采用LED背光源的液晶显示产品在市场中的份额逐渐增加。与传统的荧光灯管相比，LED产品具有节能省电、效率高、反应速度快、寿命长、环境适应性强和抗冲击性好等优点[2]。2004年，SONY 公司推出全世界第一台以LED作为背光源的116.9cm(46in)液晶电视;随后，友达、三星、LG、菲利普等公司也纷纷推出了各自的以LED为背光源的大尺寸液晶电视，LED背光源从此成为众厂家研发的热点。

LED光电转化率较低，工作时会有大量电能转化为热能。产生的热量若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响LED的生命周期、发光效率和稳定性;同时，过高的温度会使液晶屏的电光性能发生变化，影响整个产品的使用。所以，如何提高散热能力是LED背光源亟待解决的关键技术之一[3-4]。LED背光源有直下式和侧光式两种基本结构。直下式背光源工艺简单，不需要导光板，LED阵列置于灯箱底部，从LED发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。侧光式LED背光源使用的LED颗数较少，它是将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边，再通过光学模组将光均匀射出。大尺寸LCD需要使用较大功率的LED，散热的问题就显得更加重要。因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题，因此对LED背光源进行热分析是十分必要的[5-6]。

在LED散热，尤其是大功率LED的散热方面，国内外已有很多研究[7-8];但是这些研究主要集中在LED灯条本身，通过采用新材料、新技术使LED本身的散热性能提升[9-10]，从而提高LED的光效转换[11]，而对背光源整体的研究则很少。本文利用通用有限元软件ANSYS，针对119.4cm(47in)侧光式LED背光源，建立了LED背光源模型，分析了几种情况下背光源的温度场分布情况，并和实际测量结果进行了对比。计算结果和实测温度之间的误差只有1.65%，证明本文所提出的分析方法是可行的。 2 分析流程和模型的建立 2.1 ANSYS软件

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS和AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在热分析方面，ANSYS可处理热传递的3种基本类型：

传导、对流和辐射。对热传递的3种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力[12]。 2.2 分析流程

利用ANSYS软件对119.4cm(47in)LED背光源进行有限元分析。首先建立3维几何模型，然后划分网格生成有限元模型，确定材料属性和相关边界条件，计算出温度场。将计算值和实际测量值相比较，如果两者误差在5%以内，则证明该方法是可行的。分析流程图如图1所示，其中TC为计算最高温度，TR为实测最高温度。

2.3 研究范围

LED背光源的散热途径主要是热传导，LED产生的热量通过LED灯条最终由背板导出，因此将背光源的研究范围确定为LED、LED灯条、导热胶、散热Al块和背板。119.4cm(47in)侧光式LED背光源结构基本对称，因此将模型简化为1/4模型，如图2所示。

2.4 材料参数和边界条件

各部分材料参数见表1。其中LED灯条选用Al基材(上层为FR4材料，底层为Al基材)，背板选用两种材料(EGI、Al)模拟。LED作为热源，其中电能30%转化为光能，70%转化为热能。计算出LED 的热生成率为18.3×106 W/m3;初始温度为20℃，背板和外界空气对流换热，环境温度为20℃，空气自然对流

系数为10W·m-2·K-1。 2.5 计算工况 计算了如下几种工况：

(1)1/4 模型，60颗LED，LED 间距为2.9mm，背板为EGI材料; (2)1/4 模型，60颗LED，LED 间距为2.9mm，背板为Al材料; (3)1/4模型，63颗LED，LED间距为2.65mm，背板为EGI材料; (4)1/4模型，63颗LED，LED间距为2.65mm，背板为Al材料; (5)1/4 模型，66颗LED，LED 间距为2.3mm，背板为EGI材料; (6)1/4 模型，66颗LED，LED 间距为2.3mm，背板为Al材料。 3 结果分析

根据以上工况计算得到的结果如下：

采用Al材做背板，散热性能比EGI好20%以上。