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创新发展的柔性LED灯丝技术
——北京大学上海微电子研究院 颜重光
2017-08-15 15:32:38  作者:  来源:中国设计师网  
  •   白炽灯很快将被世界各国禁用,灯丝灯作为新一代的安全LED照明光源已脱颖而出。LED灯丝系列因基底材料不同而分为刚性灯丝和柔性灯丝。本文对柔性灯丝LED灯丝的结构、工艺及典型规格等进行介绍,并说明商用氛围仿古灯的发展趋势。
  1 引言

  灯丝灯经过多年的发展,深受世界市场的青睐,无论是北美、南美还是欧洲、中东、非洲、澳洲、日韩,都伸开双臂欢迎灯丝灯的到来,竞购灯丝灯。

  灯丝灯采用创新的HVLEDs技术,标准的4根LED灯丝的A60球泡灯,连续工作几十小时,玻璃泡的温度在37℃以下,是一种灯头不烫、安全的LED照明光源。与以往的LVLED应用技术相比较,LVLED工作在低电压VF=DC3.2~32V、大电流IF=150~700mA的状态,工作时灯头温度高达80℃~120℃,一直处于高温高能耗,即便使用各种形式的铝合金散热器,也没有解决快速散热的技术难题。

  2015年柔性LED灯丝技术开始成熟,2016年初采用柔性LED灯丝制造的柔性灯丝仿古灯立刻轰动海外市场,无论是北美欧日还是南非中东,无数客商剑指相求,柔性LED灯丝仿古灯顿时成了抢手热销品,柔性LED灯丝仿古灯成为商业情景照明、氛围照明的奇葩主角。

  2 灯丝灯必然替代白炽灯

  据有关方面统计,2014年全世界白炽灯的年需求量达90亿个,2014年中国生产白炽灯44.34亿个。白炽灯很快将被世界各国禁用,什么样的灯能做到性价比相近而取而代之?这对当今照明产业来说无疑是巨大的机遇与挑战!灯丝灯作为新一代的安全LED照明光源已脱颖而出,灯丝灯能做到360°的全周光,最接近传统钨丝灯配光(如图1所示)。标配的灯丝灯点亮时不用散热器也不烫,灯丝灯色温设

  定十分方便简洁,灯丝灯是性能比白炽灯好,使用方便,价格便宜的消费电子产品。

  2015年中国LED灯丝灯的年产量大约1.3亿只,2016年有可能增产到5亿~8亿只,要直接填补白炽灯的市场还有很大的产能空缺,因此机会巨大。

图1 性能优越的LED灯丝

  完美的360°发光角

  玻璃基地灯丝LED

  E27灯头

  A60透明玻壳

  微型驱动器具体图文格式请参照PDF

  3 刚性灯丝与柔性灯丝

  2012年研发灯丝灯工业化生产时,已明确规划LED灯丝系列发展因基底材料不同而分为硬灯丝和软灯丝,如图2所示。

图2 刚性灯丝(左)与柔性灯丝(右)

  硬灯丝以蓝宝石、陶瓷、玻璃和金属为基底材料,成直丝或弧形状态。

  软灯丝以铜箔覆合高分子薄膜(FPC、BT、PE等)为基底材料,柔性灯丝比较柔软,具可塑性,可以拗造型。

  铜箔覆薄铝基材或陶瓷铝基材适合做可塑软灯丝,含铝基的灯丝导热较好。

  无论是刚性灯丝还是柔性灯丝均采用HVLED技术,多颗LED灯珠芯片串联成HVLEDs模组。刚性灯丝通常采用正装固晶技术,柔性灯丝为了保证柔性状态下LED灯珠芯片连接的可靠性,必须采用倒装芯片技术。

  4 柔性LED灯丝

  柔性LED灯丝采用柔软而可塑造型的覆铜箔FPC薄膜为基底底材料。采用无背镀的倒装LED芯片,如蓝光LED芯片,发光时透过黄绿荧光粉,激发二次发光,呈现白光。控制黄绿荧光粉中混入红粉的量可调节灯丝的色温。

  也可用黄光、绿光等LED芯片制造黄光、绿光等彩色柔性灯丝。

  软性印制电路(Flexible Printed Circuit,FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性,绝佳的可挠性印刷电路。又称软性线路板、柔性印刷电路板,挠性线路板,具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。一直使用在手机、笔记本电脑、PDA、数码相机、LCM等很多电子产品中。

  早在20世纪70年代初,我们曾用覆康铜箔的聚酰亚胺薄膜生产电阻应变片(Strain gauge),1种柔性的可变电阻(图3),用作非电量电测精密测试的数据采集,一直沿用至今,也许是FPC进入电子应用技术之始祖。

图3 20世纪70年代初的电阻变片

  柔性LED灯丝采用覆铜箔聚酰亚胺薄膜PFC为基底材料,在铜箔上印刷需要的连接线路和焊接装倒装LED芯片的焊接点,并进行蚀刻;在蚀刻好电路的覆铜箔FPC基条上先涂覆底层荧光粉,以便倒装LED芯片焊接面的蓝光穿透产生白光;粘贴倒装LED芯片,过回流焊固化;涂覆上层荧光粉,然后加温固化。黄绿荧光粉必须裹覆蓝光LED芯片全体,以防蓝光泄出,柔性LED灯丝结构剖析如图4。

图4 柔性LED灯丝结构剖析

  二次荧光粉

  倒装灯珠

  铜箔线路

  一次荧光粉

  聚酰亚胺具体图文格式请参照PDF

图5 生产过程中的柔性LED灯丝

  FPC上的铜箔线路

  已固定倒装LED芯片

  已涂覆荧光粉具体图文格式请参照PDF

  生产过程中的柔性LED灯丝如图5所示。上面成排的柔性LED灯丝,可以清晰地看到在FPC薄膜上蚀刻后精细的覆铜箔印刷线路。下面成排的柔性LED灯丝,第1、2根和6、7根是已在铜箔印刷线路上固晶的灯丝,已粘贴倒装LED芯片,并经回流焊固晶。第3、4、5根和8、9、10根是固晶后已涂裹好荧光粉的灯丝。柔性LED灯丝两头的引脚采用铆压铁镀镍端子,采用铁质端子是为方便生产工艺中与灯泡玻璃芯柱上的杜美丝或铁丝的牢固点焊。蚀刻好的FPC上,铜箔线路十分精密精细,FPC的厚度仅0.01mm,铜箔的厚度约0.03~0.05 mm;FPC具有约90%的高透光率,且正反面无阴阳面;FPC具阻燃性和高导热率;基于FPC的柔性LED灯丝无比的柔软。柔性灯丝全部采用倒装无背镀LED芯片,无金线封装的断丝、脱落之忧;倒装芯片封装技术成熟,工艺制程简化,生产快捷,可靠性好,可耐高温;白光柔性灯丝采用无背镀蓝光LED芯片;彩色柔性灯丝可采用无背镀彩色LED芯片。

 

倒装LED芯片具体图文格式请参照PDF

图6 电子显微镜下所见柔性灯丝上的倒装LED灯片

  电子显微镜下所见柔性灯丝上的倒装LED芯片如图6所示,FPC薄膜上的铜箔线路、倒装LED芯片、焊点清晰可见。

  LED芯片是长晶在蓝宝石基板上的,由P-N结组成发光二极管,蓝宝石并不是蓝色的,而是透明的人造白宝石。倒装LED芯片在P、N电极上再长出两个合金电极,以便与FPC板上的铜箔印刷线路焊点焊接。LED是无背镀的,因此它前后上下6面均可出光。蓝宝石这1面出光最大。倒装LED芯片在FPC上的剖图如图7所示。

图7 倒装LED芯片在FPC上的剖图

  倒装芯片

  FPC

  出光

  蓝宝石

  N-GaN

  P- GaN

  合金点

  铜箔

  FPC具体图文格式请参照PDF

  LED柔性灯丝等效电路如图8所示。133mm长的柔性灯丝上面有LED芯片44颗,1串2并。

图8 LED柔性灯丝等效电路

  5 柔性LED灯丝典型规格

  柔性LED灯丝的主要技术参数是柔性灯丝的长度(mm)、基底材料(PFC)、工作电流(IF)、工作电压(VF)、色温(K)、显指(Ra)、光通量(lm)。柔性LED灯丝的长度可以依照仿古灯的灯丝造型设计需要进行选择。柔性LED灯丝仿古灯不是照明光源,因此,它的功率不需要很大,工作电流在10~40mA。柔性LED灯丝典型规格参数见表1。

  6 商用氛围仿古灯发展趋势

  依靠柔性LED灯丝的优势将有更丰富多彩的创新产品溢出。最先进入商用氛围的仿古灯是钛丝爱迪生灯,它采用钛灯丝,钛丝有亮度,但没有照明功能,正适用商业氛围仿古灯的要求。随着钛丝的淘汰,启用了LED硬灯丝,由于都是直而短的灯丝很难设计出圆滑多变连贯的造型。因此,随着柔性LED灯丝的诞生,仿古灯的灯丝造型设计难题都将迎刃而解,柔性LED灯丝将有助商用氛围仿古灯的多品种化的创新发展(图9)

图9 商用氛围仿古灯发展趋势

  左一:产品特性

  型号:ST64

  功率:40W

  流明:150 lm

  色温:2100K

  光效:35lm/W

  工艺:抠丝工艺

  中间:产品特性

  型号:ST64

  功率:7W

  流明:2100 lm

  色温:2100K

  光效:90lm/W

  工艺:电焊工艺

  右一:产品特性

  型号:ST64

  功率:5W

  流明:250lm

  色温:2100K

  光效:50lm/W

  工艺:抠丝工艺

  具体图文格式请参照PDF

  如今,采用柔性LED灯丝的仿古灯已经演绎出品种繁多、灯丝造型多变、曲线优美的仿古灯。依照灯丝在灯泡内的排列,已经有T型和F型的仿古灯丝灯(图10),而且新的造型一直层出不穷(图11),更多的创新造型还得依靠更多的LED照明从业工程师的创造发明。

图10 T型和F型的仿古灯丝

图11 新的造型仿古灯丝灯层出不穷

  6 结束语

  除直丝、弧丝外,石墨烯灯丝,柔性灯丝,可塑铝基灯丝和可塑陶瓷铝基灯丝已经相继诞生。柔性LED灯丝已有数家公司批量生产。2017年将迎来LED灯丝灯的春天。LED灯丝将有更多的创新产品涌现。

  参考文献

  [1] 颜重光.技术创新的LED灯丝球泡灯[J].中国照明电器,2014(2):26-28

  [2] 颜重光. LED灯丝设计关键技术探讨[C]//2014中国LED照明论坛论文集.北京:中国照明电器协会,2014

  [3] 颜重光,余嘉,李建盛,等. 带散热器的新一代灯丝灯设计方案[C]// 2016中国LED照明论坛论文集.北京:中国照明电器协会,2016
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