10.1寸液晶屏幕总成散热模拟分析及优化设计

胡星晔，陈贵清

(福建船政交通职业学院 机械与智能制造学院，福州 350007)

0 引言

近年来，发光二极管(LED)由于具有体积小、耗电量低、使用寿命长、环保无污染、色域广、亮度高等优势，已逐渐成为液晶显示器背光的首选光源。然而LED的光电转换效率低，仅有30%左右的电能转为光输出，其余都以热能形式散发，从而导致LED及背光源的温度急剧上升，特别是因单颗LED的输出光束低，大多数液晶显示设备要多颗LED同时使用，发热更为严重[1-4]，若不能使这些热量尽快有效地耗散，将会加快芯片老化，导致发光效率下降，影响液晶屏幕的画面质量[5]。因此对液晶显示设备进行热分析和优化设计，提高其散热能力是亟待解决的关键技术难题之一。

Solidworks软件是基于Windows的全参数化三维实体造型软件，其集成分析系统Solidworks Simulation创造性地将应力分析、热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析和优化分析流程无缝融入Solidworks的设计过程中，有效体现了设计仿真一体化的解决方式。本文即是利用Solidworks对某公司生产的10.1寸手持平板电脑产品的液晶屏幕总成在长时间工作过程中出现的发热量偏大问题进行热模拟分析，进而找出产品发热原因，并提出优化设计方案。

1 模型建立和发热源分析

1.1 模型建立

液晶屏幕总成主要包括液晶面板、驱动IC、软式电路板、背光模组、绝缘胶带、盖板玻璃等部件。液晶面板本身不发光，光源来自其下方的背光模组，通过驱动IC输出的电压变化，驱动液晶面板内部的液晶翻转，控制穿过液晶面板的光强度，从而实现画面的亮暗变化[6-7]。

利用Solidworks软件建立该产品10.1寸液晶屏幕总成的三维模型，由于本研究侧重于分析模型长时间稳态工况下的热平衡状态，故对屏幕总成内部材质相同、结构相连的各膜片叠层以组合的方式做了简化；同时考虑软式电路板、背光内部膜片定位的吊耳、凹槽等位于模型内部，简化后不影响稳态工况下的热分析结果，可缩短软件在有限元分析过程中的耗时，故也进行了简化处理，由此得出的三维模型如图1所示。由图1可以看出，总成结构为液晶面板端子部压合驱动IC后上贴盖板玻璃，背面同背光模组贴合，LED与驱动IC皆位于模组短边相同侧。

图1 屏幕总成的三维模型

1.2 发热源分析

该产品液晶屏幕总成散热路径如图2所示。由图2可以看出，热源主要来自背光模组中的LED及液晶面板上的驱动IC。一方面，LED光源从侧面进入导光板，经导光板的网点折射，射入液晶面板，LED灯条直接贴于背光金属背板内侧，其发热主要通过金属背板传递到空气中[8]，由于导光板、膜片组、胶框的材质及尺寸均已固定，唯有通过优化金属背板的材质及尺寸来改善LED的散热状况；另一方面，驱动IC贴合在液晶面板上，其表面贴附有绝缘胶带，其发热主要通过贴合在液晶面板上的盖板玻璃和绝缘胶带传递到空气中，由于液晶面板、盖板玻璃的材质和尺寸均已固定，唯有通过优化驱动IC表面贴附的绝缘胶带的材质及尺寸来改善驱动IC的散热状况。

图2 屏幕总成的散热路径

基于该产品实际，金属背板和绝缘胶带的长宽尺寸均已固定，因此，综合发热源分析结果，本文主要通过调整金属背板和绝缘胶带的材质与厚度来优化屏幕总成的散热性能。

2 优化前后的热模拟仿真结果对比与分析

模型散热情况仿真采用有限元分析法(FEA)，其主要原理是将复杂的几何模型离散分解成许多简单的小块，通过定义各材料的属性及接触条件，施加热载荷及传导、对流条件后将实体网格化，然后利用软件Solidworks Simulation对结果进行模拟分析[9-12]。其中，LED灯条热功率为1.39 W，驱动IC热功率为0.34 W，各部件间设置为紧密接触，环境温度为25 ℃，屏幕总成与空气的对流传热系数为5 W/(m2·K)，各主要材质的热导率如表1所示。

表1 主要材质的热导率 W/(m·K)

2.1 优化前的散热模拟仿真结果

优化前该产品的屏幕总成采用的是0.2 mm不锈钢SUS201背板和0.1 mm PET绝缘胶带，热分析结果如图3-4所示。可以看出，主要热源LED灯条和驱动IC均位于屏幕总成内部，最高处温度达到了49.8 ℃，大大高于人体体温(36.8 ℃)，因此散热效果差，客户体验不佳。

图3 优化前屏幕总成的热模拟平面图

图4 优化前屏幕总成的热模拟剖面图

2.2 不同材质及厚度对散热效果的影响模拟分析

2.2.1 金属背板材质及厚度对散热效果的影响模拟

目前，中尺寸背光模组主流的金属背板材质主要采用不锈钢SUS201、镀铝锌钢板GL57及铝合金AL5052等。受机构尺寸限制，背板厚度上限为0.25 mm，故分别取0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四种厚度进行热模拟分析。以0.2 mm铝合金AL5052背板的热模拟结果为例，由平面图(图5)可以看出，屏幕总成外表面最高温度区域位于驱动IC及LED灯条重合处，这是由于金属背板加强了LED的散热，相比玻璃及PET绝缘胶带较低的热导率，凸显了驱动IC表面发热的累积。从剖面图(图6)可以看出，温度刻度上红色区域(即温度最高处)位于屏幕总成内部LED灯条上，靠近两颗驱动IC轴对称中心的法向投影区域内。这是由于LED灯条热功率较单颗驱动IC高约10倍，且两颗驱动IC中间为空气层，故散热效果不佳，导致内部热量叠加。其余金属背板材质及厚度的热模拟图与0.2 mm铝合金AL5052类似，故不再赘述，仅取所有热模拟数据(温度最高值)进行分析说明，见图7。

图5 0.2 mm铝合金AL5052背板的热模拟平面图

图6 0.2 mm铝合金AL5052背板的热模拟剖面图

图7 不同金属背板材质及厚度下热模拟最高温度趋势图

由图7可以看出，在相同材质下，屏幕总成的最高温度随背板厚度的增加而下降，而在0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四种厚度下，铝合金AL5052的散热能力均为最佳，镀铝锌钢板GL57次之，不锈钢SUS201散热能力最差，即在0.1～0.25 mm区间内，金属背板的散热能力与厚度成正比，且最高温度的递减趋势随厚度增加逐渐趋缓。故在满足实际工况的前提下，金属背板厚度及材质的最优选择为0.25 mm的铝合金AL5052。

2.2.2 绝缘胶带材质及厚度对散热效果的影响模拟

将原产品中绝缘胶带的PET材质分别调整为铝箔、铜箔及石墨片材质，并根据屏幕总成机构限高选定0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四种厚度作对比分析。以0.1 mm石墨片热模拟结果为例，由平面图(图8)可以看出，屏幕总成表面温度的最大值位于屏幕下方两角落处，这是由于调整后的绝缘胶带材质相比PET热导率有了数量级的提升，大大加强了屏幕总成下方大部分区域的散热，故在绝缘胶带贴附的边缘区域，即散热相对弱的区域凸显了热量。而从剖面上看(图9)，温度刻度上红色区域也位于屏幕总成内部LED灯条上，靠近两颗驱动IC轴对称中心的法向投影区域内，原因也是由于LED热功率高，且两颗驱动IC中间是空气层，故散热不佳。其余绝缘胶带材质及厚度的热模拟图与0.1 mm石墨片类似，故不再赘述，也仅取所有热模拟数据(温度最高值)进行分析说明，见图10。

图8 0.1 mm石墨片绝缘胶带的热模拟平面图

图9 0.1 mm石墨片绝缘胶带的热模拟剖面图

图10 不同绝缘胶带材质及厚度下热模拟最高温度趋势图

由图10可以看出，在相同材质下，屏幕总成的最高温度随绝缘胶带厚度的增加而下降，而在厚度为0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四种情况下，石墨片的散热能力均为最佳，然后依次是铜箔及铝箔，即在0.05～0.2 mm区间内，绝缘胶带的散热能力与厚度成正比，且最高温度的递减趋势随厚度增加逐渐趋缓，故在满足实际工况的前提下，绝缘胶带的厚度及材质的最优选择为0.2 mm的石墨片。

2.2.3 模拟结果原因分析

2.2.3.1 LED散热情况分析

根据热阻计算公式：

(1)

得：T1=θJA1×P1+T∞，

(2)

式中，θJA1为LED灯条总热阻，T1为LED稳态工况下的最高温度，T∞为环境温度，P1为LED灯条热功率。在T∞及P1固定的情况下，T1同θJA1成正比。

θJA1=θJC1+θCS1+θSA1，

(3)

式中，θJC1为LED灯条自身热阻，θCS1为LED灯条到金属背板的热阻，θSA1为金属背板到环境的热阻。

LED灯条以双面胶贴合在金属背板上，故在LED型号选定的情况下，θJC1和θCS1固定，θJA1与θSA1成正比。

θSA1=θK1+θBZ，

(4)

式中，θK1为金属背板和空气间的对流传热热阻，θBZ为金属背板自身的导热热阻。

(5)

式中，h为对流传热系数，A1为传热面积，在屏幕总成尺寸固定且不增加外界强制对流的情况下，θK1是定值。

综合式(1)-(5)可知，在LED稳态工况下的最高温度T1与θBZ成正比。由于LED同金属背板面积差异大，除了沿接触面法向(Z轴)的传热外，也有沿平面方向(X，Y轴)的扩散传热，故该传热方式属于非稳态的三维传热[13-15](图11)，即θBZ在X，Y，Z三个方向的热阻分量分别为θx，θy，θz。

图11 LED在金属背板上传热示意图

根据傅里叶定律在直角坐标系中的投影表达式及热阻的计算公式得：

(6)

(7)

(8)

qx，qy，qz分别是X，Y，Z三个方向上的热通量，L是导热材料厚度，S是接触面积，λ是热导率。

从式(6)-(8)可看出，金属背板的热导率λ同θx，θy，θz均成反比，即同θBZ成反比，λ越大，θBZ越小，最高温度T1越小。因此，选择热导率更高的材质作为金属背板，可降低最高温度，提高散热效果。

同时，从式(8)可以看出，增大dz，θz增加，但依式(6)和式(7)，θx，θy会减小。结合图7的分析数据，金属背板在0.1～0.25 mm的厚度区间内，平面方向的扩散热阻θx和θy对整体热阻的影响要大于θz，故在尺寸允许的厚度区间内增加金属背板的厚度可以有效增加平面方向的传热面积，从而降低整体的热阻。

综合上述分析，背板选用热导率高的铝合金材质，在工况允许范围内选择最大厚度(0.25 mm)，能得到较低的LED稳态工况下的最高温度。

2.2.3.2 驱动IC散热情况分析

驱动IC压合在液晶面板上，其稳态工况下的最高温度：

T2=θJA2×P2+T∞，

(9)

式中，θJA2为驱动IC总热阻，T2为驱动IC稳态工况下的最高温度，T∞为环境温度，P2为驱动IC热功率。在T∞及P2固定的情况下，T2同θJA2成正比。

优化前：θJA2=θJC2+θCS2+θSA2，

(10)

式中，θJC2为驱动IC自身热阻，θCS2为驱动IC到液晶面板和盖板玻璃的热阻，θSA2为液晶面板和盖板玻璃到环境的热阻。

基于2.2.2的分析结果，通过增加驱动IC的传热路径，即优化驱动IC表面贴附的绝缘胶带材质及厚度，可以减小驱动IC散热的并联热阻，故优化后可得：

(11)

式中，θCS3为驱动IC到绝缘胶带的热阻，θSA3为绝缘胶带到环境的热阻。

令θCS2+θSA2=θ2。

(12)

联立式(10)-(12)可得：

(13)

即基于热阻并联的原理，优化后的θJA2′较优化前小，故最高温度T2减小。由于驱动IC通过绝缘胶带的传热方式也属于非稳态的三维传热，与LED通过金属背板传热的原理类似，故绝缘胶带选用热导率高的石墨片材质，厚度在工况允许范围内选择最大(0.2 mm)，则能获得驱动IC的最佳散热效果。

2.3 优化后的散热模拟仿真结果

依据2.2分析结果，LED及驱动IC的最高温度T1和T2叠加即为屏幕总成稳态工况下的最高温度，这是基于LED、驱动IC发热及整体系统散热效应叠加的结果，基于产品的实际工况，通过选取热导率更高的金属背板和绝缘胶带材质，同时增大金属背板和绝缘胶带的厚度，能有效提升屏幕总成的散热效果。

综合以上模拟仿真结果及其原因分析，得出该产品模型使用0.25 mm铝合金AL5052背板和0.2 mm石墨片绝缘胶带，其热模拟稳态最高温度为36.1 ℃(图12和图13)，与优化前模型使用0.2 mm不锈钢SUS201背板和0.1 mm PET绝缘胶带相比，最高温度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可达到当前工况条件下最好的散热效果。

图12 0.25 mm铝合金AL5052背板结合0.2 mm石墨片绝缘胶带的热模拟平面图

图13 0.25 mm铝合金AL5052背板结合0.2 mm石墨片绝缘胶带的热模拟剖面图

3 验证性实验

3.1 样品实物温升测试

依据优化设计方案，以K型热电偶对样品实物进行温升测试，如图14所示。实测优化前实物样品5pcs(编号1#～5#)及优化后实物样品5pcs(编号6#-10#)温度-时间关系曲线，如图15-16所示。

图14 K型热电偶实物温升测试实验

由图15可知，优化前所有样品在每间隔5 min的温度测试中，最高温度在55 min之后趋于稳定，稳态温度平均值为50.3 ℃，与热模拟分析结果仅相差0.5 ℃，误差率为1.0%，可验证研究结果的准确性。

图15 优化前样品实物温度-时间关系曲线图

由图16可知，优化后所有样品在每间隔5 min的温度测试中，最高温度在45 min之后趋于稳定，稳态温度平均值为36.5 ℃，与热模拟分析结果仅相差0.4 ℃，误差率为1.1%，可验证研究结果的准确性。

图16 优化后样品实物温度-时间关系曲线图

3.2 实物样品机械强度测试

机械强度测试是用来模拟屏幕总成在组装过程中可能受到的挤压情况，结果可作为其机械强度的评价标准。分别取5片优化设计后的实物样品，使用推力计垂直于背板平面中心，分别施加负载0.5 kgf，1.0 kgf，1.5 kgf各三次后，点亮屏幕，发现发光面均未产生白团不良，证明该设计方案的机械强度可满足实际生产组装的需要。

图17 实物样品机械强度测试

4 结论

(1)液晶屏幕总成的稳态工况最高温度是LED、驱动IC发热及整体系统散热效应叠加的结果，选取热导率更高的金属背板和绝缘胶带材质，同时增大金属背板和绝缘胶带的厚度，能有效提升屏幕液晶总成的散热效果。

(2)通过优化设计及模拟可得出：该产品使用0.25 mm铝合金AL5052背板和0.2 mm石墨片绝缘胶带，其热模拟稳态最高温度为36.1 ℃，与优化前产品使用0.2 mm不锈钢SUS201背板和0.1 mm PET绝缘胶带相比，最高温度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可达到当前工况条件下最好的散热效果。

(3)样品实物温升测试表明：优化前的稳态温度平均值为50.3 ℃，与热模拟分析结果仅相差0.5 ℃，误差率为1.0%；优化后的稳态温度平均值为36.5 ℃，与热模拟分析结果仅相差0.4 ℃，误差率为1.1%，由此可验证研究结果的准确性。实物样品经机械强度测试，未产生白团不良，证明该设计方案的机械强度可满足实际生产组装的需要。