摘 要：在阐述了液晶模组热设计重要性的同时，介绍了热分析的基本思想和传热学基本知识。并利用FLOTHERM软件对液晶模组的背光模块进行热分析，采用AL5052作为PCB基板，比较不同厚度PCB对背光模块散热性能的影响。
关键词： FLOTHERM；液晶模组；热分析；热性能
中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
Thermal Analysis of LCD Backlight Module Using FLOTHERM
SUN Bo, LIU Kun, ZHANG Hong-wei, GU Shi-lu, LIU Fu-cai, ZHANG Ke-ran
(Skyworth LCD Modules (Shenzhen) Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518108, China)
Abstract: This paper described the importance of thermal design for LCM and introduced the basic ideas of thermal analysis and basic knowledge of heat transfer. Then by using FLOTHERM software to analysis the LCM. At last, PCB with AL5052 of different thickness thermal performance of the LCD module is compared.
Keywords: FLOTHERM; LCM; thermal analysis; thermal performance
引 言
FLOTHERM是广泛应用于各个领域的一种热分析工具，能够在样品和产品开始之前确定和消除热问题。借助热分析可以减少设计成本，提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能和可靠性，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，缩短高性能电子设备的研制周期。热分析软件能够比较真实地模拟系统的热状况，应用热分析软件，在设计过程中就能预测到器件的工作温度值，这样可以纠正不合理的布排，取得良好的布局，从而可以缩短设计的研制周期。其次，经过若干次的改进设计，设计工程师可以对电子设备进行有效的热控制，使它在规定的温度极限内工作，从而可以提高电子设备的可靠性[1]。
目前，液晶显示器已是平板显示领域的主流，背光模组是液晶显示器的关键零组件之一，由于液晶显示屏本身不发光，背光模组的功能就是提供足够亮度与分布均匀的光源，使其能正常显示影像。背光模组的入光方式有两种：侧入光和直下式入光，当前灯源以发光二极管（light emitting diode，LED）为主。LED按照功率来分，分为小功率（0.2W以下）、中功率（约0.3～0.6W）和大功率（0.7W以上），目前背光产品多采用中功率LED，但随着LED材料和工艺技术的不断成熟，大功率LED将会慢慢成为主流产品。然而，随着发光功率的增加，LED的发热功率也会随之增加，如不能有效地进行散热，会使LED产生频率漂移，光谱宽度随之增加，影响色纯度。同时LED过热还会降低其发光强度，缩短其工作寿命。这样，如何解决背光模组的散热问题将是业界重点关注的首要问题之一。
LED灯条是将多个LED排列在一根PCB板上，在PCB板电气特性的设计下，串联或者并联LED，当灯条两端施加电压的时候，LED将会被点亮。现在所使用的PCB按基板材料划分主要有两种，一种是FR4，一种为MCPCB。FR4PCB主要由导电层和玻璃纤维基板层组成，由于FR4导热系数只有0.3W/m·K，因此有的时候为了增强散热效果，会在FR4两面都镀上铜层。MCPCB主要由三层组成，即导电层（电气走线层）、高导热绝缘层、金属基板层。从两者的构成材料上看，MCPCB的散热效果优于FR4，因此被认为是将来大功率LED灯条的主要载体。目前常用的MCPCB是铝基PCB板，厚度有0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm。本文将针对铝基PCB板，研究不同厚度对背光模组散热性能的影响。
1 传热学基本知识
CFD（Computational Fluid Dynamics）的基本思想：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[2]。
传热的三种基本方式：
传导——物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。Fourier导热定律：
Q=λA(Th-Tc)/δ（1）
式中，A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2；Th与Tc分别为高温与低温面的温度；δ为两个面之间的距离，单位为m；λ为材料的导热系数，单位为W/(m·℃）。
对流——由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。牛顿冷却定律：
Q=hA(Tw-Tair)（2）
式中，A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2；Tw与Tair分别为固体壁面与流体的温度；h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃·m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃·m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃·m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(℃·m2）。
辐射——物体通过电磁波来传递能量的方式，因热的原因产生的电磁波辐射现象。斯特芬-玻尔兹曼定律：
Q=5.67e-8·εA(Th4-Tc4)（3） 式中，A为辐射面积，单位为m2；ε是表面辐射率（0≤ε≤1），该值取决于物质种类、表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关[3]。
2 研究对象及热学模型建立
2.1 某液晶模组实际结构
如图2所示。
2.2 热学分析模型的建立
2.2.1 热学模型总体结构的建立
进行FLOTHERM热分析前，首先建立分析模型，参数描述如下：
（1）背板外形尺寸：870mm×500mm×11mm，厚度为0.8mm；
（2）内部安装了2个灯条，96个LED，单灯功耗为0.4W；
（3）工作环境温度为27.5℃；
（4）计算域为2,610mm×1,500mm×44mm。
模型边界条件为：模型内部相接触的材料之间通过传导方式传热，服从傅里叶定律；同时PCB、散热铝条及背板还通过与空气的对流及辐射散热，在空气自然对流的情况下取换热系数为2～10W(m2·K)，辐射服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
本文主要研究PCB厚度对散热的影响，因此为了简化模型，使目的性更加明确，在FLOTHERM模拟过程中忽略了对温度影响较小的膜片以及中框。热学模型总体结构如图3所示。
热学模型中共有96颗LED，实验选取第1、第23、第47、第71、第96颗LED共五个监控点，监控点位置处于PCB与LED截角接触的地方。
2.2.2 LED热学模型的建立
模型中热源为LED，所以LED的热学模型对模拟结果至关重要。LED热学模型建立如下：
LED模型参数：
芯片尺寸：7.0mm×2.0mm×0.4mm；
功耗：0.4W；
材质：用FLOTHERM中的source表示；
Slug尺寸：7.0mm×2.0mm×0.8mm；
材质：用导热系数为1.63W/( m·K)的长方体表示。
Slug导热系数计算：
已知LED的散热通道为：芯片→LED Slug→PCB→导热胶→散热铝条→背板→空气，模型中使用的LED的热阻（从芯片到PCB）为35K/W，通过热阻计算公式（4）以及LED热阻、导热距离、导热截面积便可得出Slug的导热系数。
Rth=L/(λS)（4）
其中，λ代表导热系数，L代表导热距离，S代表导热截面积。
3 FLOTHERM热分析
为了简化模型，不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。表1所示为PCB所使用的材料及其导热率大小。
使用FLOTHERM软件计算分析得到PCB厚度为1.2mm时的温度场分布，如图5所示。
比较该情况下模拟温度与实测温度的差异，如表2所示。
通过比较，模拟温度与实际温度差异在8℃之内，造成这种差异的原因：
（1）热学模型与实际模型存在差异；
（2）材料的一些参数设置不能和实际材料完全相同；
（3）求解域大小的设定对模拟结果的影响；
（4）网格划分造成的差异。
修改模型中PCB的厚度，重复实验，最后得到的模拟温度如图6、图7所示。
综合图6与图7可知，这次试验有这样的规律，即铝板由0.6mm到3mm时，散热能力由强转弱，然后再由弱转强，分析有如下原因：
（1）铝板厚度在0.6mm左右时，由于铝热传导系数高，板厚越小，热阻越小，因此散热效果较好；
（2）当厚度增加到一定程度时，比如说3mm，虽然由灯条表面到背板的热阻加大，但是由于铝板厚度大，总热容量大，因此吸热量多，散热效果也比较好；
（3）虽然铝板厚度由0.6mm到3mm，厚度变化范围大，但是导热能力未有明显的变化，这是由铝板的两个因素相互影响所致，即PCB的热阻和铝板热容量大小的相互变化。厚度薄，热阻小，但是热容量也小，厚度大时热阻大，但是散热面积和热容量也大。
4 结 论
根据某种液晶模组建立了基于热传导/热对流/热辐射的热学模型，利用FLOTHERM对该模型进行了热模拟分析，比较了采用AL5052作为PCB基材时，不同厚度PCB对散热性能的影响，证实以1.2mm作比较，PCB厚度越小，散热性能越好，PCB厚度越大，散热性能也越好。
本文充分利用FLOTHERM软件的强大功能及优点，实现快速对系统方案进行热仿真优化的目的，进而对零件的结构进行更合理的设计，确保产品一次投产即可实现预期目的，节省了大量时间和生产资源，提高了设计效率[4]。
参考文献
[1] 李 晶.利用FLOTHERM对大功率LED封装的热分析[C]. 闽西职业技术学院学报，2010，12（3）：112.
[2] 陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社，2001.
[3] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[4] 姜红明，任 康，焦超锋，张丰华. 综合应用Inventor和FLOTHERM对系统实施热设计[J].电子机械工程，2007，23（5）：16.
作者简介：孙 菠（1987-），女，陕西渭南人，学士学位，电子工程师，主要从事电子产品散热的研究，E-mail：sunbo@skyworth.com。