关于新型嵌入式LED光源的结构研究

关于新型嵌入式LED光源的结构研究

朱小清

宁波升谱光电股份有限公司，浙江省宁波市315000

摘要：相比传统照明而言，LED照明具有反应速度快、可控性强等优点，将其应用在室内照明中，可以给人们的生活带来一定的便捷。本文对新型LED灯装置及光珠进行了技术研究，针对灯珠光源的气密性、散热及内部结构进行探讨研究。

关键词：室内照明、气密性、嵌入式、热电分离、技术创新

引言

随着LED光源在室内家居应用越来越广泛，人们对LED灯的出光品质及要求也逐步提高，尤其在一些要求面光源应用场景，比如面板灯，室内平面广告灯等，要求整体出光的光斑均匀性要好，尺寸要轻薄化，这就需要有更适合的LED灯板结构来支持。

1.LED灯照明的特点

1.1散热性的特点

LED灯作为一种发光二极管，问世已有近50的年历史，从1962年的LED光通量仅有0.001lm/w发展到现在的超过120lm/w，芯片的工作电流从几个毫安到目前超过1000mA。基于目前的半导体制造技术，LED输入功率中只有大约10%~15%的能量转化为光能，其余的则转化为热能。

LED灯一般靠环氧树脂封装，环氧树脂的导热能力非常差，热量只能靠芯片下面的引脚散出。传统的管芯功率小，需要散热也小，因而散热问题并不严重。但对于大功率器件来说，其输入功率≥1W，而芯片尺寸则为lmm×lmm～2.5mm×2.5mm，芯片的功率密度很大。基于目前的半导体制造技术，大功率LED只能将约15%的输入功率转化为光能，而其余85%转化成了热能。如果简单地把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量将不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效，当温度上升时，LED色度也会变差，引起一系列的恶果。为了保证器件的寿命，一般要求结温在110℃以下，所以散热对LED灯具的照明意义重大。

一般地，LED芯片产生的热量需要通过外部散热器散发到环境空气中，如果热量无法及时散出则会主要导致以下几个问题：

（1）光通量下降。实验研究表明：LED结温的上升对LED光输出强度有很大的影响。LED的发光效率明显下降，其主要原因是由于温度上升，光波中的蓝波波峰长移，焚光粉变平坦而劣化，使得LED的发光效率下降。

（2）器件寿命减少。在高温度的条件下，LED照明光输出特性会导致一种永久性的不可逆的变化，使得LED芯片内部器件性能衰变，寿命大大降低。另外，在高温下，环氧树脂材料发生变性的膨胀与收缩，在芯片电路板与引线之间产生额外的压力，造成LED芯片过度疲劳甚至是脱落，影响LED的工作性能与稳定性。

（3）正向电压发生变化。LED的正向电压也是判定LED性能的一个重要参数，其数值主要取决于器件的制作工艺、芯片的尺寸和半导体材料的特性。正向电压随着结点温度的升高而下降，在较低的结点温度下，这种变化是可逆的，但是芯片结点的温度过高时，增加了额外的复合电流，最终造成正向电压下降，在恒定电压的情况下，结点温升效应与电流增加之间会形成恶性循环，最终导致LED器件的损坏。

所以，对于LED灯具来说，散热性能是LED灯具制造和应用需要解决的核心问题。以前大功率二极管、大功率三极管、IGBT、MOSFET的热量可以通过安装在仪器机壳板上的、尺寸几乎不受限制的外部散热器散发出去，或在器件贴装散热器再安装散热风扇，进行主动散热。

 1.2密封性的特点

LED是娇贵的半导体元件，若受潮，就会出现芯片吸湿现象，损坏LED、PCB和其他元件，因此，LED想要满足长期稳定工作的要求，需要有一个相对干燥和较低温度的工作环境。而要保证LED在一般条件下长期稳定地工作，灯具密封结构的设计需要注意以下几点：

（1）紫外线

紫外线的长期照射对暴露在LED灯具外的电线绝缘层、外壳防护涂层、塑料件、灌封胶、密封胶圈胶条、粘合剂等都有破坏作用。电线绝缘层老化龟裂后，水汽会通过电线芯的缝隙渗透到灯具内部；灯具外壳涂层老化后，外壳边缘涂层龟裂或剥落，会出现缝隙；塑料外壳老化后，会变形开裂；电子灌封胶体老化会产生开裂；密封胶圈胶条老化变形，会出现缝隙；结构件之间的粘合胶老化，会降低粘合力致使出现缝隙。

（2）温差

户外每天气温变化比较大，尤其是夏日白天灯具表面温度可升至50~60℃，而晚上则降至10~20℃；冬日冰雪天温度可降至零下；全年温差变化更大。LED 灯具在夏天的高温环境下，材料加速老化变形；当温度降至零下时，塑料零部件易变脆，在冰雪的压迫下容易出现开裂。如此周而复始，年复一年，对LED灯具的密封结构有着很大的考验。

（3）热胀冷缩

灯具外壳热胀冷缩：气温的变化导致灯具的热胀冷缩，不同材质（如玻璃和铝型材）的线胀系数不同，两种材质在结合处会出现位移。热胀冷缩过程不断重复，相对位移也不断重复，对灯具气密性破坏很大。 例如，当温度从60℃降到 10℃时，会产生巨大的负压，使得潮湿空气通过灯体材料上的微小缝隙，渗透到灯体内部后，遇到温度较低的灯具外壳，冷凝成水珠并聚集。温度降低后，在正压的作用下，空气从灯体内排出，但水滴仍附着在灯内。每天重复温度变化的呼吸过程，灯具内部积水越来越多。热胀冷缩的物理变化，使户外LED灯气密性设计成为复杂的系统工程。

2.目前现有技术的不足

现有技术中，常采用的面光源为了追求亮度，通常采用常规的2835、3030等通用型LED光源，配合光学透镜使用。然而，由于整体结构受亮度、面板厚度、出光角度、出光均匀度等各方面的要求限制，结构上存在一些缺陷，比如为了提高单颗灯珠的亮度，而面板厚度又要降低，灯珠的高度就要做薄，这带来的灯珠气密性就会下降，灯珠长期受到湿气的影响，光衰及色坐标漂移从而引起整灯的出光颜色及均匀性下降等。

现有LED光源主流有两种，一种为水平散热结构，此结构产品采用折弯脚设计，内部产生的热量通过铜片先往水平方向传导，经过折弯脚方向转换后再由底部焊盘传导至散热器，由于其热传导距离比较远，热传导的横截面面积比较小，所以其散热能力较差，如图1所示。由于这种结构散热很差，为了满足可靠性效果，只能通过降低灯珠的单颗功率，增加灯珠的数量来达到整灯的要求，这样也会导致灯具的成本太高。另一种为垂直散热结构，此种结构产品是内部的热通过铜热沉背面焊盘向下直接传导给散热器，散热速度很快，通常功率可以做的较高，但是其缺点也比较明显，就是产品热沉底部直接是焊盘，底部没有包裹塑胶，气密性比较差，水汽或硫、氯等物质很容易渗透到灯珠内部，引起灯珠亮度降低、颜色变化等不良，严重时甚至会导致灯具不亮。而由于高度受限，灯珠的碗杯结构也不能做过多的设计，在对出光光型要求较高的应用上，二次光学的难度及成本也随之增加，如图2所示。

图1水平散热示意图图2垂直散热示意图

因此，如何在保证LED光源的气密性的基础上，又能实现灯珠内部的热量快速传导出去，同时可以实现整灯灯具的超薄化，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

3.新型LED灯装置及光珠的原理

新型LED灯装置包括：正极焊盘、负极焊盘、塑胶、热沉和晶片，金线等，支架呈碗状，内壁面设有第一斜面部分以形成反光面，晶片安装在支架的底部热沉上侧，正极焊盘和负极焊盘相互绝缘；晶片的两极分别与正极焊盘和负极焊盘上的触点通过金线连接；正极焊盘和负极焊盘靠近支架的碗沿处弯折后分别与线路板的正、负极焊盘进行电连接，见图3、图4所示。

图3新型LED灯装置剖面图图4新型LED灯俯视图

支架的内表面自上而下设有第一斜面部分、过渡面和第二斜面部分，正极焊盘和负极焊盘的底部弯折后在碗杯内裸露于过渡面，形成电通道作为金线焊接平台。第二斜面部分的顶部高度高于晶片的顶部高度。支架的内腔横截面呈圆形，其他形状如椭圆形、方形或者多边形也可以。

过渡面沿水平方向延伸；正极焊盘和负极焊盘靠近支架的碗沿处分别沿水平方向向外侧弯折。正极焊盘和负极焊盘均呈Z字型，且正极焊盘和负极焊盘对称放置；正极焊盘和负极焊盘的中间斜面部分自上而下由支架的碗沿向碗底倾斜；晶片连接于正极焊盘和负极焊盘的底部弯折边，正极焊盘和负极焊盘的顶部弯折边分别与线路板的正、负极焊盘连接。晶片安装于散热支撑热沉部件的上部，散热支撑热沉部件为铜基板，散热支撑部件固设于支架的底部，并与正极焊盘和负极焊盘之间绝缘，形成热通道和电通道分离的结构；散热支撑部件的底面裸露于支架的表面，在使用时，散热支撑热沉部件可以与整灯的外壳接触连接，可以增加整灯的散热面积，提高产品的可靠性和寿命，如图5所示。

图5LED、线路板和外壳装配结构示意图

4.新型LED灯装置及光珠的优点

新型LED灯装置包括线路板和安装在线路板上的LED灯珠，线路板上设有供灯珠放入的镂空部分，镂空部分的周部设有供灯珠电连接的焊盘。新型LED灯装置通过在线路板上设置镂空部分，然后把灯珠放进镂空部分，可以有效减小整体灯板的厚度，实现超薄化，可以更好的匹配整灯的光学结构设计，进一步提升整灯出光的均匀性。还包括散热支撑热沉部件，晶片安装于散热支撑部件的上部，散热支撑部件固设于支架的底部，并与正极焊盘和负极焊盘之间绝缘；散热支撑部件的底面裸露于支架的表面。通过以上设置，不仅实现了支架的碗杯底部的热通道和电通道的相互分离各自独立，中间固晶区域的散热支撑部件只导热不通电，所以可以直接通过高导热胶与灯具外壳相连，可以大大的增加从灯珠到空气的散热面积，从而提升灯具的热传导速度，提高产品的可靠性及寿命。

5.结语

总而言之，LED照明系统目前已经被社会广泛接受和应用，在不久的将来有可能完全取代传统照明。但是，随着社会的发展和进步，人们对照明的需求越来越多，对照明的个性化、智能化等标准要求也越来越高。本文对室内LED照明装置进行深入研究，为行业的发展提供了横向参考。

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