LED灯丝灯的研发进展与技术评价

摘要：论述了LED灯丝灯被引入我国的四年来在驱动器、基板材料、散热结构以及封装技术方面取得的主要成就。在对目前已有散热技术进行评价的同时也介绍了一种利用泡壳进行散热的新思路。分析了阻容降压、非隔离线性恒流及IC降压恒流这三种形式非隔离电源对灯性能的影响。阐述了有引线和无引线覆晶技术对未来制灯工艺产生的影响。

关键词：LED灯丝灯  非隔离电源  覆晶技术
 
引言

基于人们对使用了130多年的白炽灯固有的怀旧情结，这种外观酷似白炽灯的LED灯丝灯很快被人们所接受。这种灯自2012年引入我国以来，吸引了大量的传统照明企业纷纷转型，继而成为开发的热点。它的灯条被封入玻璃泡壳内，经真空处理后充入高迁移率、高导热率的惰性气体（氦气）。其不涂光扩散涂料的灯泡的光效可以达到130lm/W以上，显指都达到了80以上，国内目前生产LED灯丝灯的相关企业已接近800家。据权威机构调查显示，2015年全球LED灯丝灯需求总量超过1亿只，并且每年将以35%以上的速度迅速递增。一旦2016年10月1日起所有15瓦以上的白炽灯停止生产和销售，市场对LED灯丝灯的需求还将进一步增加，虽然在如此火热的背后，技术和市场两大忧患依然存在，但与此同时，灯丝灯在成本控制及性能和安全等方面的研究也取得了一些突破性的进展，这些技术进展将对未来的灯丝灯市场产生深远的影响。

1. 驱动技术

就LED电源结构而言，隔离型电源能轻易地满足任何安规要求，兼容性更好，但电路相对来说较为复杂、成本较高，由于变压器的体积相对比较大，又与减小体积的发展趋势形成了不可调和的矛盾，这样，就在很大程度上限制了它的应用。实际上，以效率和成本优先的原则，非隔离电源其实也是一个无奈的市场选择。非隔离电源是目前驱动电源的主流设计，主要有阻容降压型、线性恒流型和IC降压恒流型等三种主要形式^［1］。

1.1 阻容降压电源

早期的LED灯丝灯多采用阻容降压电路驱动，采用这种电路的元件较少，成本也最较低。阻容降压式电源的功率因素差、光源利用率较低，整个负载显容性。也有人认为从整个供电网络和用电器的状况来分析，容性负载对电网是有好处的。因为我们很多用电器都是感性负载的，比如含有电机、变压器的电器，现在供电系统都会采用附加电容的方式来补偿。如果有部分用电器是容性负载，实际就可以起到补偿作用。从安全的角度看，这种设计对于外界的浪涌电压冲击不能进行过压保护，也就无法保护LED芯片及电容器的安全，且在电网电压波动时不能恒流输出，输出纹波较大而导致LED灯出现频闪的现象。由于经销商及消费者对这种新产品尚未有正确的认识和鉴别能力，这种电源设计却在目前的市场上占有相当大的比例，可能在未来的一到两之年内还是有一定的市场的，但是，由于上述不稳定和不安全因素，最终将逃不过被淘汰的命运。
 
1.2 非隔离恒流电源

非隔离恒流电源主要有线性恒流型和IC降压恒流型两种。线性恒流驱动电源由于它的应用电路十分简洁，没有电感器、变压器，更适合于节省人工的工业自动化生产。线性恒流型光源利用率较高，在输入电压波动不大的环境中使用效果较理想，但在波动幅度较大的电压环境下使用显得效果较差；IC降压恒流型电源输出的电压比输入电压低，工作电流能在较宽的输入电压环境下保持稳定，对灯电流的稳定控制最为直接，稳定效果最好，成本低，效率高，电路简单，可以获得性价比较高的光通输出。随着制灯工艺成本及材料成本的进一步降低，在可以预见的一到两年内这两种电源都应该是发展的方向。

LED灯丝灯自诞生之日起就要求驱动电源能安装在E27、E14 的灯头内，要求电源做到小体积、小尺寸，感观无频闪，部分国家和地区还要求过 CE、UL认证，有的还要求LED灯泡做到无塑件，要求宽电压宽频输入，如巴西 AC110V/220V(60Hz)、加拿大和美国 AC120V/240V(60Hz)、日本AC100V/200V(50Hz)、越南AC120V/220V(50Hz)、墨西哥AC127V/220V(60Hz)等等。对于输出DC150V的LED灯丝灯电源而言，它的开关恒流驱动电源如果既要适用于AC100V- 127V电网电压，又要适用AC200V-240V的电网电压，那么采用自动升降压的开关恒流电源是最合适的了。对于A60的4W或功率更大的灯丝灯来说，采用自动升降压的电源方案是一种明智的选择。

随着灯丝灯市场认可度的提升，一些欧美地区已经开始要求能通过EMC的，作者已经发现在市场上有应用贴片工字感和贴片电容来进一步缩小体积驱动器体积的产品，以适应在有限的空间装配更多的元件。

2. 散热技术
2.1 气体散热的局限

LED灯珠接通电流发光时，约30%的电能转换成光能，约70%的电能转换成热能，因此LED灯珠发光的同时也会产生瞬间高温，如不能将其高温及时导出，将导致LED灯珠迅速老化、光效下降，这一点从燃点测试的流明——时间曲线上可以清楚地看到。采用高电压低电流形式的工作方式（HVLEDs）是很智慧的设计，灯丝灯的芯片在HVLEDs的工作状态下电流也从150～700mA降到了10～20mA。灯工作时所产生的热量也会适当地减少，这是LED灯丝灯得以在我国成功实现的重要技术成就。

玻璃泡LED灯丝灯的LED灯丝是在蓝宝石、透明陶瓷、透明玻璃，或镂空铜板的基板上绑定LED灯珠，将单颗蓝色LED灯珠串联成HVLEDs的工作状态应用。由于以上绝缘材料的导热性较差，灯丝产生的热量完全依赖充入其中的氦气快速将热量传递给玻璃泡散热，如A60的玻璃泡LED灯丝灯，刚好适用于6W以下的功率，四根1W灯丝的热量刚刚好能快速传递散发。这种灯的散热效率非线性正比于玻璃泡壳的面积，这也就从设计上决定了A60泡的应用目前只能被限制在6W以下。6W以上的灯丝灯泡在目前技术水平下就一定要增加灯泡直径，如要增加功率必须扩大它内部的散热空间，就要采用如A80、A100等具有更大空间的玻璃泡，然而，庞大的灯泡体积在市场上被接受的程度很低。

2.2 泡壳散热的新思路

一种带散热器、非密封、非惰性气体——泡壳散热式的设计很值得关注^［2］。它以涂覆有绝缘层的长条形铝片为灯基条，弯曲成U形，由一个或数个交叉形式固定在板形散热器上，发光面朝外。灯工作时的热量从灯条传到圆形散热板上，而后再传到外壳（导热塑料或陶瓷）上而被散发出去。这种灯省去了芯柱与玻璃泡壳的熔封和熔封后的真空处理，使得制造工艺大为简化，加之省去了价格昂贵的氦气，又减少了不菲的成本。带散热器的新一代灯丝灯，采用铝基LED灯丝有很好的快速导热特性，通过固定灯丝的圆形导热板可将热量传递给高导热塑料散热器，图1（a）就是一种带自动呼吸功能的高导热塑料散热器，它四周的开孔槽，在灯泡发光、发热时能促进周围空气流动，形成自动呼吸空气流，快速扩散热量。图1（b）是带散热器的灯丝灯。 带自动呼吸功能的高导热散热器和高透光率、不易碎的PC罩，都是可以大规模、自动化吹塑、注塑生产，可有效降低生产成本。同时，可以满足LED灯丝灯进入欧美日本市场的安全要求。

3. 灯丝基板材料的突破

从LED灯丝灯的成本结构观察，LED 芯片及透明封装基板占其成本比重就高达了50%。2015年，LED芯片及透明封装基板市场价格又有了较大幅度的下降，带动了整体成本的降低。其标志性的成就是浙江英洛华电子研发了一种以纳米半透明陶瓷材料为基板的灯丝，应该是制作灯丝灯工艺在成本控制方面的重要突破。这种灯丝兼有蓝宝石和透明陶瓷的性能，具有良好的透光性和特有的热辐射系数，采用无激光分割的成型模式，免除了二次切割加工的成本，同时也弥补了蓝宝石、玻璃、金属等材料性能方面的某些缺陷，能在保证稳定的可靠性能的同时，大幅度地降低了生产成本，为进一步稳定灯丝灯市场起到了很大的推动作用。

4. 覆晶封装技术

目前市场上LED灯丝主要采用的封装形式是正装。正装芯片封装采用银胶将芯片固定在基板上，通过引线实现电气连接。正装封装虽然有芯片制备和封装工艺成熟等一系列优点，但由于银胶中有机成分与基板之无机成分在热膨胀系数方面存在很大差异，在冷热交替的情况下，因各种封装材料的热失配，易导致引线断裂或芯片从基板剥落而引起LED失效。灯在LED长时间通电工作过程中粘接力也会逐渐变差，封装材料很容易在高温下被熔解，长时间的热积累将影响芯片和荧光粉可靠性，导致LED灯丝灯的光衰现象严重。除了价格居高不下之外，目前在工艺技术和产品质量方面最为令人不满意的就是灯丝灯的寿命与光衰问题了。为此，目前已有企业尝试用覆晶倒装的结构来封装灯丝灯。

覆晶封装所用LED倒装芯片的电气面朝下，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出，这样就可以将不透光的电流扩散层加厚，减少热量的产生，既而又可以增加电流密度。覆晶封装又有带引线覆晶封装和无引线覆晶封装两种。

有引线覆晶封装是通过导热粘结胶将LED倒装芯片固定在基板上，再利用金线进行电气连接。覆晶封装的关键技术是倒装芯片的制造。倒装芯片是通过植金球的方式将LED正装芯片倒装在硅衬底基板上，并在硅衬底上制备电极，形成倒装芯片。有引线覆晶封装的两大优点是：第一，蓝宝石衬底向上，消除了电极、焊点和引线等部件对光的遮挡与吸收，使得出光效率提升；第二，传热效果较好，易传导。但是，有引线覆晶封装的缺点也有两个方面：第一，热传导途径是从金属焊点→硅基板→导热粘结胶→支架热沉，还是显得导热途径过长；第二，还是利用了有引线连接，大电流承受能力有限，还存在引线虚焊引起的可靠性问题。不过，对于高电压低电流的灯丝灯来说第二个问题并不显得特别重要。

无引线覆晶封装是通过共晶/回流焊接技术将电极接触面镀层上的锡(Sn)或金(Au)-锡等合金的电极芯片直接焊接于镀有金或银的基板上，既可固定芯片，又可电气连接和热传导。无引线覆晶封装结构如图2所示。 无引线覆晶封装技术除了具备有引线覆晶封装之出光效率高等一系列优点外，还因为消除了引线阻碍，可实现平面涂覆荧光粉及超薄封装。由于电气连接为面接触，可耐大电流冲击。无引线的热传导途径为金锡焊点→氮化铝陶瓷/金属基板，所用导热界面为金属，其导热系数更高，热阻更小，完全摆脱了引线和粘结胶的束缚，表现出优异的力学、热学、光学和电学性能。覆晶封装可大幅精简LED制程，让生产成本大幅度的下降，选用倒装制作LED灯丝，其散热和稳定性会更好，可以较好地解决正装结构可能出现的灯丝散热不良、塌线、死灯等问题。

随着外延、芯片制备技术发展及IC芯片级微封装技术在LED中的应用，基于覆晶的无引线封装技术将成为未来灯丝灯市场的强有力的推进剂。

5. 结束语

目前的灯丝灯的销售市场大都在欧美地区，国内和其它地区的市场还基本上是一片空白。随着技术的不断创新，工艺的不断进步，制造水平的自动化程度提高，灯丝灯的制造成本在未来的两三年内都还会有大幅度的降低，当制造成本降到1美元以下时，将会进一步刺激国内和其它地区的市场，虽然灯丝灯在可以预见的将来不会取代LED球泡灯，但在装饰照明市场将会填补“禁白”后留下的大部分空间。
 
参考文献
［1］黄晓明，魏青，乔更新。LED的照明评述及荧光灯退出照明市场的时间表［J］中国照明电器，2016（2）
［2］颜重光等。 带散热器的新一代灯丝灯设计方案［C］，中国LED照明论坛，2015.上海