胡星曄，陳貴清

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與智能制造學(xué)院，福州 350007)

0 引言

近年來，發(fā)光二極管(LED)由于具有體積小、耗電量低、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保無污染、色域廣、亮度高等優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為液晶顯示器背光的首選光源。然而LED的光電轉(zhuǎn)換效率低，僅有30%左右的電能轉(zhuǎn)為光輸出，其余都以熱能形式散發(fā)，從而導(dǎo)致LED及背光源的溫度急劇上升，特別是因單顆LED的輸出光束低，大多數(shù)液晶顯示設(shè)備要多顆LED同時(shí)使用，發(fā)熱更為嚴(yán)重[1-4]，若不能使這些熱量盡快有效地耗散，將會(huì)加快芯片老化，導(dǎo)致發(fā)光效率下降，影響液晶屏幕的畫面質(zhì)量[5]。因此對(duì)液晶顯示設(shè)備進(jìn)行熱分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其散熱能力是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

Solidworks軟件是基于Windows的全參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，其集成分析系統(tǒng)Solidworks Simulation創(chuàng)造性地將應(yīng)力分析、熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場(chǎng)分析和優(yōu)化分析流程無縫融入Solidworks的設(shè)計(jì)過程中，有效體現(xiàn)了設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方式。本文即是利用Solidworks對(duì)某公司生產(chǎn)的10.1寸手持平板電腦產(chǎn)品的液晶屏幕總成在長(zhǎng)時(shí)間工作過程中出現(xiàn)的發(fā)熱量偏大問題進(jìn)行熱模擬分析，進(jìn)而找出產(chǎn)品發(fā)熱原因，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 模型建立和發(fā)熱源分析

1.1 模型建立

液晶屏幕總成主要包括液晶面板、驅(qū)動(dòng)IC、軟式電路板、背光模組、絕緣膠帶、蓋板玻璃等部件。液晶面板本身不發(fā)光，光源來自其下方的背光模組，通過驅(qū)動(dòng)IC輸出的電壓變化，驅(qū)動(dòng)液晶面板內(nèi)部的液晶翻轉(zhuǎn)，控制穿過液晶面板的光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)畫面的亮暗變化[6-7]。

利用Solidworks軟件建立該產(chǎn)品10.1寸液晶屏幕總成的三維模型，由于本研究側(cè)重于分析模型長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)工況下的熱平衡狀態(tài)，故對(duì)屏幕總成內(nèi)部材質(zhì)相同、結(jié)構(gòu)相連的各膜片疊層以組合的方式做了簡(jiǎn)化；同時(shí)考慮軟式電路板、背光內(nèi)部膜片定位的吊耳、凹槽等位于模型內(nèi)部，簡(jiǎn)化后不影響穩(wěn)態(tài)工況下的熱分析結(jié)果，可縮短軟件在有限元分析過程中的耗時(shí)，故也進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，由此得出的三維模型如圖1所示。由圖1可以看出，總成結(jié)構(gòu)為液晶面板端子部壓合驅(qū)動(dòng)IC后上貼蓋板玻璃，背面同背光模組貼合，LED與驅(qū)動(dòng)IC皆位于模組短邊相同側(cè)。

圖1 屏幕總成的三維模型

1.2 發(fā)熱源分析

該產(chǎn)品液晶屏幕總成散熱路徑如圖2所示。由圖2可以看出，熱源主要來自背光模組中的LED及液晶面板上的驅(qū)動(dòng)IC。一方面，LED光源從側(cè)面進(jìn)入導(dǎo)光板，經(jīng)導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)折射，射入液晶面板，LED燈條直接貼于背光金屬背板內(nèi)側(cè)，其發(fā)熱主要通過金屬背板傳遞到空氣中[8]，由于導(dǎo)光板、膜片組、膠框的材質(zhì)及尺寸均已固定，唯有通過優(yōu)化金屬背板的材質(zhì)及尺寸來改善LED的散熱狀況；另一方面，驅(qū)動(dòng)IC貼合在液晶面板上，其表面貼附有絕緣膠帶，其發(fā)熱主要通過貼合在液晶面板上的蓋板玻璃和絕緣膠帶傳遞到空氣中，由于液晶面板、蓋板玻璃的材質(zhì)和尺寸均已固定，唯有通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)IC表面貼附的絕緣膠帶的材質(zhì)及尺寸來改善驅(qū)動(dòng)IC的散熱狀況。

圖2 屏幕總成的散熱路徑

基于該產(chǎn)品實(shí)際，金屬背板和絕緣膠帶的長(zhǎng)寬尺寸均已固定，因此，綜合發(fā)熱源分析結(jié)果，本文主要通過調(diào)整金屬背板和絕緣膠帶的材質(zhì)與厚度來優(yōu)化屏幕總成的散熱性能。

2 優(yōu)化前后的熱模擬仿真結(jié)果對(duì)比與分析

模型散熱情況仿真采用有限元分析法(FEA)，其主要原理是將復(fù)雜的幾何模型離散分解成許多簡(jiǎn)單的小塊，通過定義各材料的屬性及接觸條件，施加熱載荷及傳導(dǎo)、對(duì)流條件后將實(shí)體網(wǎng)格化，然后利用軟件Solidworks Simulation對(duì)結(jié)果進(jìn)行模擬分析[9-12]。其中，LED燈條熱功率為1.39 W，驅(qū)動(dòng)IC熱功率為0.34 W，各部件間設(shè)置為緊密接觸，環(huán)境溫度為25 ℃，屏幕總成與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)為5 W/(m2·K)，各主要材質(zhì)的熱導(dǎo)率如表1所示。

表1 主要材質(zhì)的熱導(dǎo)率 W/(m·K)

2.1 優(yōu)化前的散熱模擬仿真結(jié)果

優(yōu)化前該產(chǎn)品的屏幕總成采用的是0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶，熱分析結(jié)果如圖3-4所示?？梢钥闯觯饕獰嵩碙ED燈條和驅(qū)動(dòng)IC均位于屏幕總成內(nèi)部，最高處溫度達(dá)到了49.8 ℃，大大高于人體體溫(36.8 ℃)，因此散熱效果差，客戶體驗(yàn)不佳。

圖3 優(yōu)化前屏幕總成的熱模擬平面圖

圖4 優(yōu)化前屏幕總成的熱模擬剖面圖

2.2 不同材質(zhì)及厚度對(duì)散熱效果的影響模擬分析

2.2.1 金屬背板材質(zhì)及厚度對(duì)散熱效果的影響模擬

目前，中尺寸背光模組主流的金屬背板材質(zhì)主要采用不銹鋼SUS201、鍍鋁鋅鋼板GL57及鋁合金AL5052等。受機(jī)構(gòu)尺寸限制，背板厚度上限為0.25 mm，故分別取0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四種厚度進(jìn)行熱模擬分析。以0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬結(jié)果為例，由平面圖(圖5)可以看出，屏幕總成外表面最高溫度區(qū)域位于驅(qū)動(dòng)IC及LED燈條重合處，這是由于金屬背板加強(qiáng)了LED的散熱，相比玻璃及PET絕緣膠帶較低的熱導(dǎo)率，凸顯了驅(qū)動(dòng)IC表面發(fā)熱的累積。從剖面圖(圖6)可以看出，溫度刻度上紅色區(qū)域(即溫度最高處)位于屏幕總成內(nèi)部LED燈條上，靠近兩顆驅(qū)動(dòng)IC軸對(duì)稱中心的法向投影區(qū)域內(nèi)。這是由于LED燈條熱功率較單顆驅(qū)動(dòng)IC高約10倍，且兩顆驅(qū)動(dòng)IC中間為空氣層，故散熱效果不佳，導(dǎo)致內(nèi)部熱量疊加。其余金屬背板材質(zhì)及厚度的熱模擬圖與0.2 mm鋁合金AL5052類似，故不再贅述，僅取所有熱模擬數(shù)據(jù)(溫度最高值)進(jìn)行分析說明，見圖7。

圖5 0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬平面圖

圖6 0.2 mm鋁合金AL5052背板的熱模擬剖面圖

圖7 不同金屬背板材質(zhì)及厚度下熱模擬最高溫度趨勢(shì)圖

由圖7可以看出，在相同材質(zhì)下，屏幕總成的最高溫度隨背板厚度的增加而下降，而在0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm四種厚度下，鋁合金AL5052的散熱能力均為最佳，鍍鋁鋅鋼板GL57次之，不銹鋼SUS201散熱能力最差，即在0.1～0.25 mm區(qū)間內(nèi)，金屬背板的散熱能力與厚度成正比，且最高溫度的遞減趨勢(shì)隨厚度增加逐漸趨緩。故在滿足實(shí)際工況的前提下，金屬背板厚度及材質(zhì)的最優(yōu)選擇為0.25 mm的鋁合金AL5052。

2.2.2 絕緣膠帶材質(zhì)及厚度對(duì)散熱效果的影響模擬

將原產(chǎn)品中絕緣膠帶的PET材質(zhì)分別調(diào)整為鋁箔、銅箔及石墨片材質(zhì)，并根據(jù)屏幕總成機(jī)構(gòu)限高選定0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四種厚度作對(duì)比分析。以0.1 mm石墨片熱模擬結(jié)果為例，由平面圖(圖8)可以看出，屏幕總成表面溫度的最大值位于屏幕下方兩角落處，這是由于調(diào)整后的絕緣膠帶材質(zhì)相比PET熱導(dǎo)率有了數(shù)量級(jí)的提升，大大加強(qiáng)了屏幕總成下方大部分區(qū)域的散熱，故在絕緣膠帶貼附的邊緣區(qū)域，即散熱相對(duì)弱的區(qū)域凸顯了熱量。而從剖面上看(圖9)，溫度刻度上紅色區(qū)域也位于屏幕總成內(nèi)部LED燈條上，靠近兩顆驅(qū)動(dòng)IC軸對(duì)稱中心的法向投影區(qū)域內(nèi)，原因也是由于LED熱功率高，且兩顆驅(qū)動(dòng)IC中間是空氣層，故散熱不佳。其余絕緣膠帶材質(zhì)及厚度的熱模擬圖與0.1 mm石墨片類似，故不再贅述，也僅取所有熱模擬數(shù)據(jù)(溫度最高值)進(jìn)行分析說明，見圖10。

圖8 0.1 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬平面圖

圖9 0.1 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬剖面圖

圖10 不同絕緣膠帶材質(zhì)及厚度下熱模擬最高溫度趨勢(shì)圖

由圖10可以看出，在相同材質(zhì)下，屏幕總成的最高溫度隨絕緣膠帶厚度的增加而下降，而在厚度為0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm四種情況下，石墨片的散熱能力均為最佳，然后依次是銅箔及鋁箔，即在0.05～0.2 mm區(qū)間內(nèi)，絕緣膠帶的散熱能力與厚度成正比，且最高溫度的遞減趨勢(shì)隨厚度增加逐漸趨緩，故在滿足實(shí)際工況的前提下，絕緣膠帶的厚度及材質(zhì)的最優(yōu)選擇為0.2 mm的石墨片。

2.2.3 模擬結(jié)果原因分析

2.2.3.1 LED散熱情況分析

根據(jù)熱阻計(jì)算公式：

(1)

得：T1=θJA1×P1+T∞，

(2)

式中，θJA1為L(zhǎng)ED燈條總熱阻，T1為L(zhǎng)ED穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度，T∞為環(huán)境溫度，P1為L(zhǎng)ED燈條熱功率。在T∞及P1固定的情況下，T1同θJA1成正比。

θJA1=θJC1+θCS1+θSA1，

(3)

式中，θJC1為L(zhǎng)ED燈條自身熱阻，θCS1為L(zhǎng)ED燈條到金屬背板的熱阻，θSA1為金屬背板到環(huán)境的熱阻。

LED燈條以雙面膠貼合在金屬背板上，故在LED型號(hào)選定的情況下，θJC1和θCS1固定，θJA1與θSA1成正比。

θSA1=θK1+θBZ，

(4)

式中，θK1為金屬背板和空氣間的對(duì)流傳熱熱阻，θBZ為金屬背板自身的導(dǎo)熱熱阻。

(5)

式中，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，A1為傳熱面積，在屏幕總成尺寸固定且不增加外界強(qiáng)制對(duì)流的情況下，θK1是定值。

綜合式(1)-(5)可知，在LED穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度T1與θBZ成正比。由于LED同金屬背板面積差異大，除了沿接觸面法向(Z軸)的傳熱外，也有沿平面方向(X，Y軸)的擴(kuò)散傳熱，故該傳熱方式屬于非穩(wěn)態(tài)的三維傳熱[13-15](圖11)，即θBZ在X，Y，Z三個(gè)方向的熱阻分量分別為θx，θy，θz。

圖11 LED在金屬背板上傳熱示意圖

根據(jù)傅里葉定律在直角坐標(biāo)系中的投影表達(dá)式及熱阻的計(jì)算公式得：

(6)

(7)

(8)

qx，qy，qz分別是X，Y，Z三個(gè)方向上的熱通量，L是導(dǎo)熱材料厚度，S是接觸面積，λ是熱導(dǎo)率。

從式(6)-(8)可看出，金屬背板的熱導(dǎo)率λ同θx，θy，θz均成反比，即同θBZ成反比，λ越大，θBZ越小，最高溫度T1越小。因此，選擇熱導(dǎo)率更高的材質(zhì)作為金屬背板，可降低最高溫度，提高散熱效果。

同時(shí)，從式(8)可以看出，增大dz，θz增加，但依式(6)和式(7)，θx，θy會(huì)減小。結(jié)合圖7的分析數(shù)據(jù)，金屬背板在0.1～0.25 mm的厚度區(qū)間內(nèi)，平面方向的擴(kuò)散熱阻θx和θy對(duì)整體熱阻的影響要大于θz，故在尺寸允許的厚度區(qū)間內(nèi)增加金屬背板的厚度可以有效增加平面方向的傳熱面積，從而降低整體的熱阻。

綜合上述分析，背板選用熱導(dǎo)率高的鋁合金材質(zhì)，在工況允許范圍內(nèi)選擇最大厚度(0.25 mm)，能得到較低的LED穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度。

2.2.3.2 驅(qū)動(dòng)IC散熱情況分析

驅(qū)動(dòng)IC壓合在液晶面板上，其穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度：

T2=θJA2×P2+T∞，

(9)

式中，θJA2為驅(qū)動(dòng)IC總熱阻，T2為驅(qū)動(dòng)IC穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度，T∞為環(huán)境溫度，P2為驅(qū)動(dòng)IC熱功率。在T∞及P2固定的情況下，T2同θJA2成正比。

優(yōu)化前：θJA2=θJC2+θCS2+θSA2，

(10)

式中，θJC2為驅(qū)動(dòng)IC自身熱阻，θCS2為驅(qū)動(dòng)IC到液晶面板和蓋板玻璃的熱阻，θSA2為液晶面板和蓋板玻璃到環(huán)境的熱阻。

基于2.2.2的分析結(jié)果，通過增加驅(qū)動(dòng)IC的傳熱路徑，即優(yōu)化驅(qū)動(dòng)IC表面貼附的絕緣膠帶材質(zhì)及厚度，可以減小驅(qū)動(dòng)IC散熱的并聯(lián)熱阻，故優(yōu)化后可得：

(11)

式中，θCS3為驅(qū)動(dòng)IC到絕緣膠帶的熱阻，θSA3為絕緣膠帶到環(huán)境的熱阻。

令θCS2+θSA2=θ2。

(12)

聯(lián)立式(10)-(12)可得：

(13)

即基于熱阻并聯(lián)的原理，優(yōu)化后的θJA2′較優(yōu)化前小，故最高溫度T2減小。由于驅(qū)動(dòng)IC通過絕緣膠帶的傳熱方式也屬于非穩(wěn)態(tài)的三維傳熱，與LED通過金屬背板傳熱的原理類似，故絕緣膠帶選用熱導(dǎo)率高的石墨片材質(zhì)，厚度在工況允許范圍內(nèi)選擇最大(0.2 mm)，則能獲得驅(qū)動(dòng)IC的最佳散熱效果。

2.3 優(yōu)化后的散熱模擬仿真結(jié)果

依據(jù)2.2分析結(jié)果，LED及驅(qū)動(dòng)IC的最高溫度T1和T2疊加即為屏幕總成穩(wěn)態(tài)工況下的最高溫度，這是基于LED、驅(qū)動(dòng)IC發(fā)熱及整體系統(tǒng)散熱效應(yīng)疊加的結(jié)果，基于產(chǎn)品的實(shí)際工況，通過選取熱導(dǎo)率更高的金屬背板和絕緣膠帶材質(zhì)，同時(shí)增大金屬背板和絕緣膠帶的厚度，能有效提升屏幕總成的散熱效果。

綜合以上模擬仿真結(jié)果及其原因分析，得出該產(chǎn)品模型使用0.25 mm鋁合金AL5052背板和0.2 mm石墨片絕緣膠帶，其熱模擬穩(wěn)態(tài)最高溫度為36.1 ℃(圖12和圖13)，與優(yōu)化前模型使用0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶相比，最高溫度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可達(dá)到當(dāng)前工況條件下最好的散熱效果。

圖12 0.25 mm鋁合金AL5052背板結(jié)合0.2 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬平面圖

圖13 0.25 mm鋁合金AL5052背板結(jié)合0.2 mm石墨片絕緣膠帶的熱模擬剖面圖

3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

3.1 樣品實(shí)物溫升測(cè)試

依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以K型熱電偶對(duì)樣品實(shí)物進(jìn)行溫升測(cè)試，如圖14所示。實(shí)測(cè)優(yōu)化前實(shí)物樣品5pcs(編號(hào)1#～5#)及優(yōu)化后實(shí)物樣品5pcs(編號(hào)6#-10#)溫度-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖15-16所示。

圖14 K型熱電偶實(shí)物溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)

由圖15可知，優(yōu)化前所有樣品在每間隔5 min的溫度測(cè)試中，最高溫度在55 min之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)溫度平均值為50.3 ℃，與熱模擬分析結(jié)果僅相差0.5 ℃，誤差率為1.0%，可驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖15 優(yōu)化前樣品實(shí)物溫度-時(shí)間關(guān)系曲線圖

由圖16可知，優(yōu)化后所有樣品在每間隔5 min的溫度測(cè)試中，最高溫度在45 min之后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)溫度平均值為36.5 ℃，與熱模擬分析結(jié)果僅相差0.4 ℃，誤差率為1.1%，可驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖16 優(yōu)化后樣品實(shí)物溫度-時(shí)間關(guān)系曲線圖

3.2 實(shí)物樣品機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試

機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試是用來模擬屏幕總成在組裝過程中可能受到的擠壓情況，結(jié)果可作為其機(jī)械強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。分別取5片優(yōu)化設(shè)計(jì)后的實(shí)物樣品，使用推力計(jì)垂直于背板平面中心，分別施加負(fù)載0.5 kgf，1.0 kgf，1.5 kgf各三次后，點(diǎn)亮屏幕，發(fā)現(xiàn)發(fā)光面均未產(chǎn)生白團(tuán)不良，證明該設(shè)計(jì)方案的機(jī)械強(qiáng)度可滿足實(shí)際生產(chǎn)組裝的需要。

圖17 實(shí)物樣品機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試

4 結(jié)論

(1)液晶屏幕總成的穩(wěn)態(tài)工況最高溫度是LED、驅(qū)動(dòng)IC發(fā)熱及整體系統(tǒng)散熱效應(yīng)疊加的結(jié)果，選取熱導(dǎo)率更高的金屬背板和絕緣膠帶材質(zhì)，同時(shí)增大金屬背板和絕緣膠帶的厚度，能有效提升屏幕液晶總成的散熱效果。

(2)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬可得出：該產(chǎn)品使用0.25 mm鋁合金AL5052背板和0.2 mm石墨片絕緣膠帶，其熱模擬穩(wěn)態(tài)最高溫度為36.1 ℃，與優(yōu)化前產(chǎn)品使用0.2 mm不銹鋼SUS201背板和0.1 mm PET絕緣膠帶相比，最高溫度(49.8 ℃)下降了13.7 ℃，可達(dá)到當(dāng)前工況條件下最好的散熱效果。

(3)樣品實(shí)物溫升測(cè)試表明：優(yōu)化前的穩(wěn)態(tài)溫度平均值為50.3 ℃，與熱模擬分析結(jié)果僅相差0.5 ℃，誤差率為1.0%；優(yōu)化后的穩(wěn)態(tài)溫度平均值為36.5 ℃，與熱模擬分析結(jié)果僅相差0.4 ℃，誤差率為1.1%，由此可驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)物樣品經(jīng)機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試，未產(chǎn)生白團(tuán)不良，證明該設(shè)計(jì)方案的機(jī)械強(qiáng)度可滿足實(shí)際生產(chǎn)組裝的需要。