【原創】LED燈絲設計關鍵技術探討
2014-06-03 22:03:24 閱讀：11127
摘要如今市場上已出現各種LED燈絲產品，但要生產優質的燈絲並不容易，應按市場需求來開發更多不同的LED燈絲產品。
【來源：高工LED旗下《LED好產品》5月刊(總第53期)文∕顏重光】今年以來，LED燈絲燈發展迅速，行情瘋長。白熾燈廠、節能燈廠、LED燈廠、LED封裝廠，甚至LED支架模具廠，都紛紛切入LED燈絲和LED燈絲燈的生產。
事實上，LED燈絲和燈絲燈生產的進入門檻並不高，但要做好、做精還是不容易的，必須下苦功夫才能做出好產品、創造名牌。
自2008年12月日本牛尾光源公司發明LED燈絲燈技術以來，LED燈絲燈技術在數年內並沒有得到長足發展。
牛尾的燈絲每根只有3顆藍色LED管芯，牛尾的燈絲燈用6根燈絲串成雙N型(如
圖1)，它的工作電壓VF方達57.6V，每根燈絲的VF僅為9.6V。因此，在設計燈絲球泡燈和蠟燭燈光源時，應用不甚方便，甚至使其發展遲滯了三、四年。
中國的工程師在設計新一代LED燈絲燈時，摒棄了LED光源燈板低電壓VF=3.2V、大電流IF=150-700mA的傳統理念，大膽設計VF高電壓(50-240V)、IF小電流(10-60mA)的新概念。把單根L ED燈絲設計成VF=5 0-8 0V、IF=10-15mA。採用細長燈絲的設計理念，使LED燈絲應用在A60、A70、C35等玻璃泡光源中，如同白熾燈般真正實現360度發光，且性能更勝白熾燈。
LED光源板設計新理念傳統的LED光源設計，大多遵循VF低電壓、IF大電流的應用原則，採用多並少串的設計方法。VF電壓僅3.2V到十幾V，IF電流從150mA到700mA，因此光源板上電以後即刻發燙。
LED光源工作時，30%的電能轉換為光能，70%的電能轉換成熱能，如不能在第一時間將熱能快速導出並迅速散發，燈板將聚積高溫而發燙，進一步影響到LED燈珠的壽命，並使燈珠發生早期光衰。為散熱，將LED光源和燈具散熱器做大、做複雜，費工費料導致LED光源和燈具成本居高不下，嚴重影響LED光源和燈具的銷售價格，使之很難親民。
LED光源板設計新理念，是採用VF高電壓(50-240V)、IF小電流(10-60mA)工作的新的設計技術。採用多顆小功率LED燈珠串聯的方法，可以做成與大功率燈珠的同功率光源板，具有相同或較強的光效，且燈板工作時不發燙只發熱，採用簡單的空氣散熱或塑包鋁散熱器，即可有效地散發熱量，如燈絲燈。
LED燈絲設計的關鍵技術LED燈絲設計製造，有傳統的「固晶技術」和新興的「覆晶(Flip Chip)技術」(也稱作「倒裝」)兩種不同的技術方法。這裡以「固晶技術」為例。
新一代L E D燈絲設計技術，就是貫穿V F高電壓、IF小電流HVLEDs工作狀態的創新理念。燈絲燈在連續工作數小時後，玻璃泡的溫度在36度以下。
典型的LED燈絲設計在0.5×1.2×33mm的藍寶石基條上，在藍寶石的一面塗膠後，固晶無背鍍的藍光1016 LED管芯26～30顆，用金線串聯，使之成為VF=70--80V的HVLEDs，在藍寶石基條的兩端覆銀，便於通過金線連接頭尾的LED管芯，便於安裝引腳，方便LED燈絲的應用(如
圖2)。LED燈絲在固晶和打金線後，必須將配製好色溫的黃色螢光粉塗覆包裹整個藍寶石基條，以防LED燈絲通電工作時的藍光洩出。
LED燈絲設計的關鍵技術大約如下所述：
1)LED燈絲的基條原則上希望是一個透明的載體，因此需要採用有較好的剛度、基板透明的藍寶石片、透明陶瓷片、高強度玻璃片和鏤花透光銅支架片。遵循簡約、經濟的原則，和LED封裝生產工藝的考量，LED燈絲布貼在藍寶石基條上的管芯固晶，只能在基條的同一面上，因此希望作為載體的基條是透明的，以便LED管芯能360度通體發光，整個燈絲能真正實現360度發光，燈泡因此也能真正做到360度發光。
2)只有採用無背鍍的LED管芯才能真正實現燈絲的360度發光。現在常用的LED管芯為了增加其180度發光的效果，都是採用有背鍍的管芯，只許一面出光，不準背面有光，LED管芯的背鍍可以有效地提高單面出光率。然後，LED燈絲追求360度發光的效果，必須採用無背鍍的LED管芯才能真正達到通體發光效果。
3)採用螢光粉的配比來調節LED燈絲的色溫，黃色螢光粉加上不同劑量的紅粉，可以調製出2500K～6500K不同的色溫燈絲，以滿足市場的不同需求。早期的LED燈絲，是採用藍光LED串聯少量紅光LED來調整LED燈絲的色溫，由於紅光LED的VF只有2V，藍光LED的VF是3.2V，如此串聯應用對紅光LED是非常不利的，容易早期衰老，而且調色精準度很難控制。
4)高溫封排泡工藝決定LED燈絲的引出腳必須採用咬合技術。為了方便透明基條上固晶LED管芯與燈絲二頭引出端的連接，往往在透明基條兩端塗覆銀漿，便於打金線和連接引出腳。導電銀漿由導電性極佳的導電介質——銀粒子、粘結料——高性能熱塑性樹脂、溶劑——高沸點溶劑組成。導電銀漿在使用時需要在130℃～150℃下烘乾，再經380℃燒結，時間約16～20分鐘或更多。銀槳在高溫下受熱分解還原成白色的銀層。
由於LED封裝技術人員對玻璃泡的高溫封排工藝不甚了解，對銀漿高溫燒結工藝了解不深，如只是簡單地低溫將LED燈絲兩端的銅引腳低熱壓合粘在藍寶石基條兩端的銀漿上，很難保證其牢固連接。很多如此製造的LED燈絲點焊在芯柱上後，進入玻璃泡封排工藝時，因封口高溫的炙烤，引腳與銀漿發生虛脫，形成假焊，造成燈泡封泡後或經運輸震動後上電燈絲不亮，不良率可達10%～20%。因此，建議引腳與基條連接處做成門字形，便於在生產時自動衝壓咬合，牢固連接。
5)燈絲引腳材料與應用連接。燈絲引腳的材料以銅鍍鎳為好。燈絲在燈泡中的應用，是需將燈絲固定在燈泡內的玻璃芯柱支架上，玻璃芯柱支架上下都有預置的杜美絲，燈絲與杜美絲的連接採用點焊工藝，燈絲的銅引腳通過瞬間大電流與杜美絲熔接，這種牢固的熔接連接能經受玻璃封泡工序的短時間高溫。
一些對玻璃泡封排工藝不了解的LED燈絲製造新手，將燈絲兩端做成錫焊，這樣當帶燈絲的芯柱支架進入玻璃泡封口工序時，因高溫焊錫將融化，燈絲會無法固定或虛脫。將燈絲兩端打孔，用杜美絲纏繞，也不是牢固連接的好方法，纏繞日久會因應力鬆弛而發生鬆動。
LED燈絲的剖析理想的LED燈絲剖面應如
圖3所示，其中1是藍寶石基條，2是無背鍍藍色LED管芯，5是金線，6是黃色螢光粉。由圖可見，黃色螢光粉已將整個藍寶石基條塗覆包裹，LED的藍光不會洩出。
有些燈絲在生產時，是塗覆黃色螢光粉後再將基條用雷射切開的，透明基條兩側沒有塗覆黃色螢光粉，藍光會循此透明基條邊緣洩出(如
圖4)。這種不合理的生產工藝需要改正。
藍寶石基條、透明陶瓷基條透光性能好，有一定的剛度，有一定的導熱功能，因此是LED燈絲基條的首選材料。LED燈絲的藍寶石基條面積很小，因此可以用掏棒工藝取出藍寶石襯底晶棒以後，以藍寶石晶陀的餘料來切割LED燈絲需要的基條，由此可以大大降低藍寶石基條的成本(如
圖5)。藍寶石晶陀餘料的回熔澆注在方塊模具中，再切割LED燈絲基條，可以提高藍寶石材料的利用率。
玻璃基條透明度雖好，但本性易碎、怕震動。LED燈絲開發初期有人選用，近來為保證燈絲質量和牢度、導熱性能改用藍寶石和透明陶瓷基條增多。
鏤花透光銅支架片與早期的開孔銅支架片不同，它的透光性更好，有一定的剛度，導熱性優於藍寶石、透明陶瓷和玻璃，不會碎，成本可能最低。但它的透光率低於藍寶石和透明陶瓷、玻璃，燈絲背面的出光率不如透明基條高。
無背鍍藍色LED管芯的選用，與目標燈絲產品的電參數設置有關，燈絲燈需要高光效、較高顯指。LED燈絲生產廠家的LED管芯，大多是向上遊LED管芯生產廠家採購。因此選用性價比好的高亮度LED管芯，也是生產優質燈絲的關鍵之一。
同時，LED管芯的幾何面積也與發光亮度有關，目前使用較多是1016、1023、1030、0926、0915等。LED管芯的幾何尺寸單位是mil，如型號1023，表示LED管芯為10mil×23mil(milinch：千分之一英寸)。
LED燈絲的工作電壓、電流設計L E D 燈絲的工作電壓、電流設計， 遵循HV L E D s的高電壓(V F)、小電流(I F)原則，設計為每根1W的燈絲，其工作電壓VF在70V～80V，工作電流IF在10mA～12mA。燈絲長度適宜在C35、A60的玻璃泡內空間，並可有極像白熾燈鎢絲點亮的美感。在設計AC220V電壓C35蠟燭泡時，可用二根燈絲串聯；在設計A60球泡燈時，可用四根燈絲二串二並。
這樣的燈絲燈經大批量生產驗證，燈泡在點亮工作時不會產生高溫而發燙，燈絲的有限熱量經燈泡內的特種氣體，快速傳導到燈泡玻璃表面而散發到周圍空氣中去。4W燈絲球泡燈連續點亮8小時後的燈泡溫度，應不超過36度。
燈絲燈要求必須無頻閃，頻閃易使人眼疲勞，有害人類的眼睛健康，還可能有損兒童的視網膜。美國在IEEE PAR1789《LED照明閃爍的潛在健康影響》中，規定了波動深度的限值。燈絲燈需過EMC，燈絲燈要去塑件，因此選擇好的非隔離開關恆流驅動電源，也是關鍵技術之一，阻容降壓電源頻閃厲害不能用。
燈絲的VF電壓與工作電網電壓的匹配設計，可提高燈泡的效率。
LED燈絲髮展趨勢猜想LED燈絲不僅僅是白光的，白光燈絲燈其實只是白熾燈的替代和補充。白光燈絲燈的發明，主要是幫助傳統的白熾燈廠轉型，利用好它們成熟的玻璃泡技術，和延續玻璃泡生產線，創造有新的生命力產品。
白光燈絲燈可以滿足世界上很多人對白熾燈的懷舊思念，主要用於民居的室內照明。因此，性價比是決定市場容量的關鍵。LED燈絲必須趨向低價位，白光LED燈絲燈才會有海量市場。
燈絲燈的另一個市場，是商用燈飾燈絲燈。
它不追求亮度，用於營造氣氛，有光即可，可以設計生產A80、A100或方泡、扁泡等。為追求不同造型的燈絲燈，LED燈絲會有很多長短不一的燈絲產品，還有剛性和軟性的燈絲，因此可以價高利多一些。預計商業LED燈絲燈將是一個新的發展趨勢。
開發彩色燈絲用於商業燈飾燈絲燈，也許將是LED燈絲開發的一個新熱點。
紅黃綠橙藍等彩色燈絲可以自由發揮設計，用於商業照明。如餐廳、酒吧、櫥窗、展廳等，營造多彩光環境、多彩光氛圍，體現燈紅酒綠，表現動態活躍的光色彩。彩色LED燈絲髮光即可，不求亮度，價高利豐。製造技術又比白光LED燈絲簡單，成本可能還低一點。
LED照明技術一直在不斷發展和創新中，如今已經有了很多形形色色的LED燈絲產品(如
圖6)，但我們要按市場需求來開發更多不同的LED燈絲產品。LED產業技術人員也要不斷學習新技術、新工藝，用好新材料，才能設計創新LED照明產品，滿足不斷發展的市場需求，獲取更多的利潤。
(作者系退休高工 北京大學上海微電子研究院兼職研究員)