LED背光源热设计研究

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文章编号：1006-6268（2009）05-0053-04

摘要：在分析led背光源热设计已有解决方案的基础上，指出已有的解决方案虽然从客观上缓解了LED背光源热设计问题，但却增加了LED背光源的生产成本。同时本文还指出最根本解决LED热设计的方案还需要从LED本身的光效上来考虑，也就是说，如何提高LED本身的发光效率依然是LED背光源热设计的关键。

关键词：液晶显示；冷阴极荧光灯；发光二极管；背光单元

中图分类号：TN383文献标识码：A

Researching the Thermal Design of LED Backlight

JIANG Feng-shan,LI Bing,LI Hong-dai,TANG Yi-shao,DING Xing-long

(IRICO Group,Beijing 100085,China)

Abstract:Based on analyzing the normally thermal design of LED backlight, the paper indicates that the current resolution schemes have higher cost in production, although can moderate many problems about the thermal design. And the paper also points out that the radical resolution in resolving the thermal design is to think over how to improve the Luminous efficiency of LED, that is to say, it is critical to the thermal design of LED backlight that how to improve the Luminous efficiency of LED.

Keywords：LCD;CCFL;LED;Backlight Unit

1 LED背光源简介

背光模块是提供LCD显示器产品中一个背面光源的光学组件，是LCD显示器的一个关键零组件。LCD显示技术是一种非自发光的显示技术，需要借助外来光来实现显示功能。外来光是专门为LCD显示器配备的光源，一般放置于LCD显示面板的背面，所以称为背光源。根据利用外来光的不同，主要可以分为CCFL背光源和LED背光源。

LED背光源有更好的色域，其色彩表现力远优于CCFL背光源，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用，提高色彩还原性。并且具有亮度高、寿命长、大面积亮度均匀性好、发光稳定等优点。LED背光源目前发光亮度已达10,000cd/m2以上，寿命可达100,000hr左右，大面积亮度均匀性超过90%。

LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。

基于以上一些优势，LED背光源作为一种具有发展潜力的背光源，具有重大的研究价值和意义。本文重点研究LED背光源亟待解决的问题――热设计问题。而LED背光源热设计的重点是如何解决散热问题。

2 LED背光源散热问题

2.1LED散热模型

图中符号定义如下：

RJA――管芯到空气的热阻；

RJC――管芯到散热垫的热阻；

RCB――散热垫到印制板敷铜层的热阻；

RBA――印制板到空气的热阻；

TJ――管芯的温度；

TC――散热垫的温度；

TA――空气的温度。

图1是LED的散热模型。热量是从温度高处向温度低处散热。LED主要的散热路径是：管芯散热垫印制板敷铜层印制板环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA，散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA）。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻（单位是℃/W）关系为：

RJA=RJC+RCB+RBA(1)

可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。

结温TJ、环境温度TA、LED热损耗PD之间的关系为：

RJA=(TJ-TA)/PD(2)

式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：

PD=VF×IF ק（常数）(3)

RJA可以通过查数据手册得到，TA环境温度已知，PD可以计算得到，根据公式（2）（3）可以计算得到TJ。

根据以上模型分析，不难得出降低LED结温TJ的途径主要有减小热阻和减小PD。

2.2 LED背光源热效应

现阶段中、大尺寸LCD的设计开发，LED背光源多采用多颗红、蓝、绿光LED组合而成，且其功耗需要达到10W，驱动电流达150～1,000mA。而要达成此目标需采用多达好几百颗的高亮度或中、高功率的LED，在多达数百颗LED灯同时发光后，将使得LED背光源因高温而产生热设计问题。如果不解决散热问题，会导致发光亮度减弱和使用寿命的衰减。特别需要注意的是，温度对亮度的影响是线性的，而对寿命的影响呈指数关系。表1是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。

从表1中不难看出，结温对LED使用寿命的影响是非常明显的。

3 LED背光源散热问题解决方案

根据LED散热模型分析，降低LED结温TJ的途径主要有减小热阻和减小PD，因此相应的解决方案也主要有两种。

3.1减小PD方式――高温检测保护电路

高温保护电路是利用热敏电阻的特性――当它处于不同温度环境时，其阻值不同。利用运放，将热敏电阻在不同温度环境下的输出电流转换成电压值，输入到控制器的I/O口，根据程序设定的过温值，判断是否超出其范围，如果超出规定值时，单片机通过改变PWM方波的占空比，调节输出到LED的电流，使LED的功率降低，转化的热量变少，温度降低。低于安全温度后，再增加输出的电流，使LED亮度变亮，如果采样的温度再次比安全温度高，重复以上过程可以很好的控制整个电路的工作。

3.2 减小热阻方式

3.2.1 减小RJC方式

早期单芯片LED的功率不高，发热量有限，热的问题不大，因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模块；其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3A至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3~5W。

由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键，要将LED组件的发热量迅速排出至周围环境，首先必须从封装层级的散热管理着手；目前的做法是将LED晶粒以焊料或导热膏接着在一均热片上，经由均热片，降低封装模块的热阻抗，这也是目前市面上最常见的LED封装模块，主要来源有Lumileds、欧司朗、科锐和Nichia等LED国际知名厂商。

这些LED模块在实际应用中可组装为一整排呈线光源，或做成数组排列或圆形排列，再接合在一片散热基板上作为面光源。但对于许多终端的应用产品，如迷你型投影机、车用及照明用灯源，在特定面积下所需超过上千流明或上万流明，单靠单晶粒封装模块显然不足以应付，走向多芯片LED封装及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。

在LED实际产品应用上，不论用于显示器背光源、指示灯还是一般照明，通常会需要将多个LED组装在同一电路基板上。电路基板一方面承载着LED模块结构，另一方面，随着LED输出功率越来越高，基板还必须扮演散热的角色，以将LED芯片产生的热传递出去，在材料选择上，必须兼顾结构强度及散热需求。

3.2.2 减小RCB方式

图2是双层敷铜层散热结构。从图中能够看出，散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB。这是一种最简单的散热结构。

LED阵列一般焊接在金属核心的印刷电路板上，金属核心的印刷电路板比过去的FR4 PCB散热效果好，但金属核心的印刷电路板的介电层却没有太好的热传导率，为了改善这一情形，提出了绝缘金属基板改善法，进一步提高了热传导率。新型陶瓷基的热传导率更是达到24,170W/m・K。

采用以上的结构RCB基本上可以忽略。

3.2.3减小RBA方式

其实，LED的散热与CPU散热相似，都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模块为主，当然水冷也是热对策之一。

以当前最热门的大尺寸LED TV背光模块而言，40in及46in的LED背光源输入功率分别为470W及550W，以其中的80%转化成热来看，所需的散热量约在376W及440W左右。如何将这些热量带走，有用水冷方式进行冷却，但有高单价及可靠度等疑虑；也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却（如索尼 46 LED TV），但存在风扇耗电及噪音等问题。因此，如何设计无风扇的散热方式是关键。

LED由于发光的同时还产生大量的热，如不及时将产生的热散出去，LED芯片将迅速老化烧毁。大功率LED由于通过的电流较以往的小功率LED大得多，因此，所产生的热靠一根细小的金属脚传导已是绝对不可能。大功率LED热沉/大功率LED散热板， 专为大功率LED芯片导热而设计，材料采用铜或铝,热导率200~400。 目前厂家已可以量身定做所需要的大功率LED热沉/大功率LED散热板，可以提供大功率LED封装散热技术全面的支持。大功率LED散热板的制作材料主要是铝或铜， 即大功率LED散热时用的是铝基板、铁基板或铜基板。

4 LED背光源热设计展望

从目前的设计结果来看，通过以上的措施，已经基本上解决了LED背光源的散热问题。需要指出的是，以上的解决方案增加了LED背光源的生产成本。并且虽然从客观上缓解了LED背光源散热问题，但并没有从根本上解决散热问题。要解决LED背光源的散热问题，最根本的还是需要解决LED本身的光效问题。

参考文献

[1]林世宪,郭太良,林志.LCD背光源的最新发展[J], 国外电子测量技术,2006(5).

[2]大功率LED导热板, 深圳市可瑞电子实业有限公司,,

[3]大功率LED的散热设计, .

[4]高功率LED散热基板发展趋势,.

作者简介:姜凤山（1979-），男，辽宁大连人，硕士，主要从事平板显示器件电路设计，E-mail: .cn。

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