王艷卿 田文專 魏盧

（精電（河源）顯示技術(shù)有限公司 廣東省河源市 517000）

1 引言

薄膜晶體管液晶顯示器 (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)由于其具有輕薄美觀、低能耗以及優(yōu)異的光學(xué)性能等特點，已廣泛應(yīng)用于各類座艙顯示儀表上。然而，液晶顯示器的性能及可靠性受溫度影響極大，元器件溫度每提高2℃，其可靠性將降低10%，且失效率隨溫度上升呈指數(shù)規(guī)律增加，高溫下易造成電子元器件失效。此外，溫度每升高10℃，驅(qū)動芯片的壽命也將會降低一半，超過最大結(jié)溫驅(qū)動芯片也將失效。因而，較大幅度的溫升對于座艙人員的安全性具有潛在的威脅。

產(chǎn)品的發(fā)熱程度（溫升）同時也是產(chǎn)品質(zhì)量評估的一個重要因素，溫度過高時液晶屏?xí)l(fā)生高溫重力黃斑現(xiàn)象，這大大影響液晶屏的顯示效果。本文針對TFT-LCD模組點亮?xí)r的狀態(tài)進行溫升測試，探究TFT-LCD模組的發(fā)熱源以及制定相應(yīng)的改善措施，為顯示屏在使用過程中出現(xiàn)溫升過高問題提供解決方案。

2 TFT模組結(jié)構(gòu)與溫升測試

2.1 TFT-LCD模組結(jié)構(gòu)

常規(guī)的TFT-LCD模組結(jié)構(gòu)主要包含觸摸屏（TP）、顯示屏（Display）、背光源（Backlight）、集成電路（IC）、柔性印刷電路板（FPC）等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：顯示屏是由TFT玻璃基板、彩色濾光片（CF）以及中間灌注的液晶組成，用來顯示畫面；觸摸屏和蓋板用來接收用戶觸摸信息和保護觸摸屏；TFT玻璃基板的內(nèi)側(cè)面上布滿了一系列與像素點對應(yīng)的驅(qū)動電路，通電后能向顯示屏提供顯示畫面的信息；背光源模組是為液晶面板提供均勻的面光源，由于面板本身不能發(fā)光，背光源的發(fā)光效果將直接影響顯示模組的視覺效果。

圖1：TFT-LCD模組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 溫升測試設(shè)備及方法

本文采用的是KEITHLEY 2231A-30-3型3通道直流電源，可獲得3個獨立、可調(diào)的輸出，實驗時用該電源點亮模組。溫度計采用CENTER-309記憶式四通道溫度計，可以同時測量并實時顯示T、T、T和T四點溫度，測量范圍在-200 ℃~ 1370℃間，精確度高達0.1℃，實驗時將用此溫度計測量環(huán)境溫度以及通電一段時間后的模組表面溫度。

將顯示屏模組放在封閉的空調(diào)實驗室內(nèi)，通過電源驅(qū)動顯示出白紅綠藍(lán)循環(huán)畫面。在顯示屏點亮開始前，首先通過CENTER-309溫度計測量環(huán)境溫度，點亮一段時間后再測量模組表面的最終溫度，溫升就是通過點亮一段時間后測量的最終溫度與點亮前的環(huán)境溫度之差來計算的。

3 TFT-LCD模組熱源探究

將CENTER-309溫度計的T和T探頭分別置于模組的測試點1、2表面，如圖2(a)所示。其中，測試點1處于IC和背光LED燈條的上表面位置，測試點2與測試點1相對，如圖2(b)所示。T探頭則測量顯示模組所處的環(huán)境溫度，用于計算測試點1和2兩處的溫升。

圖2：TFT-LCD模組測試點位示意圖

如表1所示：可以看到IC、背光和觸摸屏都工作后，模組表面溫升較大，測試點1和2位置的溫度分別上升18.7℃和11.6℃；隨后只有IC驅(qū)動時，點1溫度上升了9.6℃，點2溫升十分小，僅為0.7℃，可以得出IC是導(dǎo)致模組溫升的熱源之一，但其熱影響范圍較??；只驅(qū)動背光時，可以發(fā)現(xiàn)模組表面仍有較大幅度溫升，點1溫度上升了13.5℃，點2也有10.7℃的溫升，可以得出LED也是導(dǎo)致模組溫升的熱源，且其熱影響程度和區(qū)域都較大；當(dāng)觸摸屏工作而IC和LED停止工作時，測試點1和2均沒有發(fā)現(xiàn)明顯溫升，可認(rèn)為觸摸屏對顯示模組溫升幾乎沒有影響。

表1：溫升測試分析

4 TFT-LCD模組溫升改善

4.1 LED燈條位置改善

由于IC與LED燈條同側(cè)，這樣會造成發(fā)熱量過度集中在一側(cè)而大大影響性能。為了避免熱量集中而影響顯示模組性能，可以優(yōu)化LED燈條的位置使熱源分散減小熱量集中。本章通過LED與IC對側(cè)放置（如圖3(a)所示）以及LED分布于IC兩側(cè)（如圖3(b)所示）這兩種設(shè)計方案來展開討論。

圖3：LED燈條位置示意圖

LED與IC處于同側(cè)和LED與IC處于對側(cè)這兩種方式遵照圖4(a)所示的測試方法，LED處于IC左右兩側(cè)的放置方式遵照圖4(b)所示的測試方法，顯示模組點亮一小時后讀出溫度計對應(yīng)的示數(shù)。

圖4：測試位點

表2所示為三種不同的熱源方案：方案一（圖2(b)所示）是最為常規(guī)的，該設(shè)計能使模組的外形尺寸更加緊湊，但是會導(dǎo)致LED與IC的熱源重合，造成IC局部熱量過度集中，模組在6.075 W功耗下點1處（IC）溫升達到了17℃；方案二（圖3(a)所示）IC與LED相對，該方案的IC熱源與LED熱源相距較遠(yuǎn)，功耗為6.888 W時點1處（IC）溫升為15.8℃，有效降低了IC處的溫升避免了熱量集中，但該方案的IC對面需要比方案一多些空間來放置LED；方案三（圖3(b)所示）LED分布于IC兩側(cè)，此時熱源被進一步分散，在7.14 W最高功耗的情況下，點1處（IC）溫升僅為17.3℃與方案一相近，但該方案下的兩側(cè)都需要更多空間來放置LED。

表2：LED不同位置的溫升測試實驗

4.2 背光功耗改善

LED發(fā)光區(qū)主要集中在PN結(jié)附近，LED發(fā)光是由于電子與空穴復(fù)合而釋放能量的結(jié)果。然而電子在進出半導(dǎo)體區(qū)的路徑中都會遇到電阻，會因電阻的存在而消耗功率，消耗功率產(chǎn)生的熱量可用如下公式表示：

式中，R為N區(qū)電阻；R為P區(qū)電阻；V為PN結(jié)的開啟電壓。電路功耗產(chǎn)生的熱量是顯示屏發(fā)熱的原因之一。

此外，LED燈產(chǎn)熱是造成顯示屏發(fā)熱的最主要因素。若顯示屏亮度為L（cd/m），白平衡時R、G、B強度比約為3:6:1，每個像素點的光強I可由單位面積的像素個數(shù)、屏幕亮度L和光系統(tǒng)損耗度η（一般取0.9）求得，則LED顯示屏要達到亮度為L的白平衡時R、G、B的輸入電功率可近似為：

其中，I、I、I分別為R、G、B燈珠光強；W、W、W為對應(yīng)的輸入功率。上述R、G、B燈珠芯片的光電轉(zhuǎn)換效率分別為 η、η、η，則每個像素RGB產(chǎn)生的熱功率可表示為：

顯示屏由若干像素點組成，那么顯示屏由LED產(chǎn)生的總的熱功率為：

其中，顯示屏面積為S (m)，像素間距為P (mm)。從上述式子可以看出，增大背光源的功耗都將會增加LED和電阻的熱功率從而造成顯示屏溫升較高。

為了補償功耗降低而導(dǎo)致的LED亮度減弱，可以采用更高效的光學(xué)膜片，如表3所示，經(jīng)過補償后模組的亮度和均勻性都能滿足要求，此時可以改變背光功耗來進行試驗測試?？梢钥吹剑琇ED與IC相對側(cè)時，功耗從6.888 W降到了6.3 W，IC處的溫升從16.2 ℃降低到15.1 ℃，溫升降低了6.8 %；LED分布在IC兩側(cè)時，功耗從7.14 W降到6.552 W，溫升從17.5 ℃降到15.6 ℃，降低了10.8 %。綜上，采取減小背光功耗的方式改善溫升要進行亮度補償以保證光學(xué)性能，且背光功耗在較高數(shù)值時減小功耗對溫升改善效果十分明顯。

表3：降低LED背光功耗的溫升測試實驗

4.3 背光底框添加散熱片改善

本節(jié)將從散熱方面對顯示模組進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)傳熱學(xué)原理，由散熱片向周圍空氣傳導(dǎo)的熱流量P可用以下公式表示：

式中，h為散熱片總的熱傳導(dǎo)率；A為散熱片的表面積；η為散熱效率，由散熱片形狀決定；ΔT為散熱片的溫度與周圍環(huán)境溫度之差。

可以看出散熱片的熱傳導(dǎo)率越高、散熱面積越大，其熱傳導(dǎo)效果越好。金屬Al有著較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，為2.12 W/(cm?℃)，僅次于Ag、Cu和Au，然而金和銀制散熱片成本較高，銅制散熱片不易加工且不耐腐蝕，所以鋁制散熱片由于其強度高、水密性及氣密性好、易加工和耐腐蝕等優(yōu)點成為首選。同時，為了增大散熱片的散熱面積，可將散熱片做成“散熱鰭片”狀結(jié)構(gòu)，增強對流散熱，實物如圖5(a)和(b)所示。

圖5：散熱片實物圖

測試結(jié)果如表4所示：LED與IC處于相對側(cè)時，點1背面無Al散熱片，點2背面有Al散熱片，故點1處溫升從16.4 ℃降到15.9 ℃僅下降3 %左右，而點2處溫升從16.1℃降到15.0 ℃下降了約7% ；LED分布IC兩側(cè)時，同樣點1背面無Al散熱片而點2背面有，此時點1處溫升從16.6℃降到16.0 ℃下降了3.6 %，點2處溫升從15.1 ℃降到13.9℃下降了8 %。綜上，添加Al散熱片的方式對TFT模組的溫升也能有很大改善，但同時也需要更大的放置空間和導(dǎo)熱通道。

表4：增加Al散熱片的溫升測試實驗

5 結(jié)果與討論

為了減小TFT-LCD模組在點亮過程中由于溫升而造成的產(chǎn)品可靠性及性能影響，本文首先介紹了TFT-LCD模組的各層結(jié)構(gòu)，通過控制變量的方法確定了熱源，主要為LED和IC功耗產(chǎn)生的熱量。然后，為了減少因LCD和IC熱量集中而產(chǎn)生的局部高溫對LED色偏和元器件等影響，提出了LED與IC對側(cè)放置以及LED分布IC兩側(cè)放置這兩種優(yōu)化方案，結(jié)果表明這兩種方案均能分散熱源減少熱量集中從而降低溫升，但需要更多的空間來放置LED，這也增加了模組的外形尺寸。最后，從減少產(chǎn)熱和增強散熱這兩個方面來進一步提出改善措施降低溫升：降低背光功耗能減少產(chǎn)熱，需要配合光學(xué)膜材進行亮度補償；金屬Al有著較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)且易加工，“鰭片”狀的Al散熱片粘貼在BLU背面能增強對流散熱減小溫升，需要足夠的放置空間和導(dǎo)熱通道。