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光源模组结构LED产业新趋势---LED模组化封装

  LED作为一种全新的光源,正越来越多地被融入到人们的生活当中,它的发展脱离不了人们对照明的需求。当LED作为一种全新的光源去取代上一代光源的时候,就必须比上一代光源具备更多的能够被人们接受的优点,这样,取代的机会才会更大。

  相比于传统光源(比如荧光灯和白炽灯),LED在接近于理论转换效率时,要比传统光源的光效高出5-20倍。即使是现阶段的量产光效,其水平也在2-15倍之间,同时结合到其指向性的优点,此差距将会更大。由于发光原理的改变,其寿命也会比传统光源高出很多。此外,由于LED还具备对健康和环境无危害等一系列的优点,其在现阶段已被公认为是下一代最为合适的光源。

  为什么需要LED模组化封装?

  LED在现阶段被用作照明产品,最直接和最简单的应用莫过于用于替代(包含球泡灯与日光灯管的替代)。这相对来说也更容易被接受。除了节能以外,产品的外观和效果都没有明显的改变。当然,在照明产品越来越个性化的今天,灯及灯具本身已经逐渐演变成为了光的质量指标。不过,在LED拥有诸多优势的时候,其也会存在一些不易被人们广泛接受的因素,比如眩光与成本。对于大家更为习惯的灯具结构,由于LED在本质上存在着与传统光源的区别(比如指向性),所以如今再用传统灯具结构与之进行配合,其自身的特点将会被淹没在对现有灯具的简单取代之中。

  举一个简单的例子:目前,市场上存在LED筒灯和LED球泡灯。在筒灯内需要放置光源,而对于传统的照明而言,球泡灯就已经属于一个光源。如果对应于当今的LED,球泡灯就已经属于一个灯具结构。我们需要思考的问题是:当一个LED球泡灯安装于传统灯筒内时,安装于LED球泡灯当中的光源能否直接被安装于筒灯结构之中?答案是肯定的。而且,其成本效应也会较LED球泡灯直接安装方式更优。但此类应用的问题在于,当一个非标的光源结构出现在消费者面前时,消费者可能无法进行简单的更换等。鉴于此种状况,目前摆在光源制造企业面前的一个问题是:什么是一个标准的光源结构?

  我们对此问题给出的答案是:由封装的企业对光源进行模组化和标准化。只有将LED光源进行模组化和标准化,并且这一工作由目前的封装企业来完成,在整个取代过程当中,成本才会被最优化。以下将从几点方面来简单地描述模组LED在光源取代过程中的突出优势。

  光源在可靠性方面的优势

  作为LED封装影响可靠性的前三大影响(热影响、静电影响、湿气影响)之一的热影响,是造成LED衰减的一个重要原因。以LED芯片适用的Arrhenius模型来看,LED的节温每增加10℃,LED自身的寿命将随之减少1半。

  电子系统设计

  当然,对于LED封装来说,与寿命相关的因素还包括材料的特性。比如封装胶材的透光率的下降,各光学材料的反射率降低等等,都会造成整体器件的光衰减。而这里影响最大的还是热影响。

  结合于LED封装,温升的重要解决方式是,降低各材料之间的热阻和界面的热阻。模块化的封装形式在结构上可以起到减少结合层和降低整体热阻的效果。其结构如图1所示。

  将图1(a)和图1(b)进行对比可以看出,当采用LED模组光源来组装日光灯管时,热阻仅由三个部分组成:芯片自身的热阻、固晶材料的热阻和灯管散热系统的热阻;而采用贴片类产品来组装灯管时,热阻则增加至六个部分:芯片自身的热阻、固晶材料的热阻、导线框架的热阻、焊接材料的热阻、导热基板的热阻和灯管散热系统的热阻。由此可见,采用LED模组光源可以在很大的程度上降低系列的整体热阻。

  图1:光灯管的热阻构成对比。(电子系统设计)

  图1:光灯管的热阻构成对比。

  对于湿气影响而言,LED模组结构的设计变化引起装配工艺随之发生改变,这样,将不再需要采用回流焊高温制程,从而可减少回流焊过程中的高温对封装材质的潜在破坏。与此同时,所使用的材质种类也将变少,这样可减少不同材质介面之间的水汽渗透,从而可减少其潜在的失效比率。因此,LED模组光源可使整个系统的寿命更加长久。

  模组产品也可以通过整体线路上的防静电设计来降低其在静电方面的隐患。

  光电参数方面的优势

  一般的元器件光源产品大都会采用LED蓝光芯片去激发不同的荧光粉,以得到较为饱和的光谱,从而提高光源的演色指数。但在目前阶段,由于普通红粉对于蓝光的激发效率很低,而且荧光体之间存在着相互吸收,所以在提升演色指数同时,光源的光效将会降到很低。而对于模组光源而言,在模组中植入色光芯片(比如红光、绿光等)可使整个光源的光谱变得饱和,从而实现较高的演色指数;另一方面,通过配合使用芯片与荧光粉,使芯片与荧光粉之间达到最佳的激发效率,可使光源的光效达到最大值(图2)。再利用模组光源当中的其他芯片,与最佳激发效率的白光混光,将得到在黑体线之上的纯正光色。因为色光芯片自身的光效要远高于荧光体受激发时的光效,所以,在消除荧光粉互相吸收的同时,可提高光源的演色性。从而,可使光源的光效与演色性同时得到提升。

  图2:模组光源光谱构成分析。(电子系统设计)

  图2:模组光源光谱构成分析。

  成本方面的优势

  目前,整个LED行业都在为降低成本而持续努力。目前大部分的应用厂商都采用贴片LED来组装各种灯具结构。正如前文所述,贴片LED相比于模组光源将采用更多的材质与制程,这些都是成本考虑的重要因素。在模组光源中,由于减少了很多贴片LED的材质(如铝基板、焊接材料),以及制程当中的费用,从而可以大幅降低LED的应用成本。

  模组光源根据标准的灯具产品进行设计,以及生产标准的模组光源,能够极大地方便后端的应用厂商。由于模组光源已经具备了光学所需的阵列结构和电路的排布,所以其在后端能直接为终端照明厂商省去某些关键的材料及设备,比如PCB、铝基板和贴片用焊接材料(如焊锡膏)等。由于光源的模组化,贴片设备也将在将来的LED照明时代变成非主流的生产设备(图3)。

  图3:LED生产方式构成对比。(电子系统设计)

  图3:LED生产方式构成对比。

  再者,模组光源整体系统的低热阻将给芯片的大电流操作提供基本的结构保证。在贴片类灯具的组装过程中,整体热阻将比模组类产品整体热阻高出数十摄氏度不等,这样能将提供给模组光源的操作电流提高20%甚至30%,这也是成本下降的最关键的因素之一(图4)。

  图4:成本与操作电流的关系。(电子系统设计)

  图4:成本与操作电流的关系。

  装配

  传统的光源都是直接面向消费者购买,而LED模组光源可能也将在某天直接接触到消费者,这就给模组产品提出了很多更高的要求。最终,贴片产品和模组光源产品都可以用来组装消费者直接使用的光源,但在成本最优的基板上,模组光源将具有更高的性能价格比(图5)。

  图5:模组产品的简单装配。(电子系统设计)

  图5:模组产品的简单装配。

  本文小结

  模组光源具有的众多优势,使其越来越受到大家的重视。但模组光源的结构比较固定,是一种针对性很强的光源结构,这一特点将会限制其在某些场合的应用。从人们对照明的要求来看,LED模组光源相比于贴片LED,在性价比、可靠性和装配等方面都有着绝对的优势。因此,LED模组光源在以后的通用照明应用上将会更放光彩。

  刘鑫

  深圳市瑞丰光电子股份有限公司

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