貼片式 LED 的發(fā)展趨勢及其應(yīng)用特性研究

鄭繼雨 王偉

(1.河北聯(lián)合大學(xué)，唐山 063000;2.浙江陽光照明電器集團股份有限公司光源技術(shù)中心，上虞 312300)

1 前言

LED照明技術(shù)正處于一個迅速發(fā)展的階段，發(fā)光效率不斷改善，約每兩年單個LED封裝器件輸出的光通量將翻一番［1］，從 20世紀(jì) 80年代開始在LED生產(chǎn)中逐漸推廣使用表面貼裝器件，20世紀(jì)90年代這種技術(shù)得到了進一步強化，最初的貼片式LED作為低功率器件主要用于指示設(shè)備和移動電話鍵盤的照明，后來開發(fā)出的大功率貼片式LED用于汽車面板照明、剎車燈，并延伸到普通的照明設(shè)備上［2］。由于貼片式 LED產(chǎn)品比其他 LED產(chǎn)品在上游芯片端，擁有很大的亮度提升和成本下降空間，在下游應(yīng)用端也擁有更大的市場需求，特別是在LED照明方面其應(yīng)用潛力更大，因此它具有極大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 貼片式LED的市場狀況

從全球角度看，中國臺灣封裝產(chǎn)量占據(jù)世界60%的份額，主要企業(yè)有億光、光寶、光磊、佰鴻、宏齊等，產(chǎn)業(yè)上中下游分工明確，產(chǎn)業(yè)鏈供銷穩(wěn)定，特別是封裝制造轉(zhuǎn)至大陸后生產(chǎn)成本較具競爭優(yōu)勢，預(yù)計未來5～10年內(nèi)，珠三角、長三角、福建等地區(qū)會成為世界LED封裝中心。

從大陸市場來看，國內(nèi)貼片式LED市場在幾年前幾乎完全被美國、日本、韓國及臺灣地區(qū)的供應(yīng)商所占領(lǐng)。盡管目前國外廠商仍然占據(jù)大部分的市場份額，但是自從2000年佛山市國星光電科技有限公司的貼片式LED產(chǎn)品投產(chǎn)以來，中國本土供應(yīng)商便飛速成長。現(xiàn)在，該行業(yè)已經(jīng)有20至30家供應(yīng)商，多數(shù)企業(yè)集中在廣東的深圳、東莞、廣州和佛山，少數(shù)企業(yè)分布在江蘇、浙江和福建。業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)包括佛山的國星光電、廣東鴻利光電、深圳瑞豐光電、江蘇的穩(wěn)潤光電和佳光電子 (表1)。

表1 臺灣和大陸主要貼片式LED企業(yè)產(chǎn)能對比

從產(chǎn)能上來看，臺灣、大陸企業(yè)的差距很大，以2009年產(chǎn)能報告來計算，臺灣產(chǎn)能相當(dāng)于大陸的7倍左右，大陸今后還有很大的發(fā)展空間。

3 貼片式LED的封裝特點

貼片式LED的封裝工藝是先把熒光粉和環(huán)氧樹脂配置好，做成一個模子，然后把配好熒光粉的環(huán)氧樹脂做成一個膠餅，并將膠餅貼在芯片上，周圍再灌滿環(huán)氧樹脂，從而制成 SMD封裝的LED。例如，如圖1所示。現(xiàn)在市場上比較常見的外形尺寸為50(mm) ×50(mm)的貼片式LED內(nèi)部封裝有三個LED芯片，外延出六個引腳，將其焊接到PCB電路板表面上，由于是直接用導(dǎo)熱膠貼在散熱板表面，從而使散熱性得到了很大改善，使得可靠性大大提高，光衰也變小。對于高功率LED主要采用高導(dǎo)熱金屬陶瓷復(fù)合基板，它的主要特點有:

(1)高熱傳導(dǎo)低熱阻;

(2)熱膨脹系數(shù)匹配 (TCE:6.2);

(3)抗紫外線;

(4)耐腐蝕和黃化;

(5)符合ROHS標(biāo)準(zhǔn);

(6)耐高溫。

圖1 5050型貼片式LED

LED封裝的熱阻對于LED芯片的壽命具有決定性的影響，特別是對大電流驅(qū)動的LED芯片，LED封裝產(chǎn)品的成本和散熱性能取決于封裝支架的結(jié)構(gòu)，而封裝支架正向體積小、厚度薄、散熱好的方向發(fā)展，在單個貼片LED中封裝更多的LED芯片必須考慮散熱問題，而采用高導(dǎo)熱金屬陶瓷復(fù)合基板的大功率貼片式LED最重要的優(yōu)勢就是超低熱阻，Vishay公司在2010年1月推出的新款表面貼裝白光LED，采用PLCC-4封裝，優(yōu)化的引線框使熱阻低至300K/W，功率耗散高達(dá)200mW，從而使器件能夠使用高達(dá)50mA的驅(qū)動電流，使亮度達(dá)到Vishay采用PLCC-2封裝的高亮度SMD LED的兩倍［3］。超低熱阻大功率LED貼片式封裝由于其小而薄，更適于空間小的應(yīng)用，這一特點給很多應(yīng)用帶來極大便利。與其他的LED貼片式封裝相比較，當(dāng)它維持相同的結(jié)溫時，則降低了對散熱部件的要求，當(dāng)采用相同的散熱部件時，則降低了結(jié)溫，延長了LED封裝的壽命。

4 貼片LED與直插LED的比較

貼片LED是貼于線路板表面的，適合SMT加工，可回流焊，貼片式LED很好的解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，相對于其他封裝器件，它有著抗振能力強、焊點缺陷率低、高頻特性好等優(yōu)點，它在更小的面積上封裝了更多的LED芯片，采用更輕的PCB和反射層材料，顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，通過去除較重的碳鋼材料引腳，縮小尺寸，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，體積和重量只有傳統(tǒng)插裝元件的1/10左右，采用貼片式封裝后，電子產(chǎn)品體積縮小40%～60%，重量減輕了60%～80%，最終使應(yīng)用更趨完美。

直插式LED的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧樹脂，然后插入壓焊好的LED支架，放入烘箱中讓環(huán)氧樹脂固化后，將LED從模腔中脫離出即成型。由于制造工藝相對簡單、成本低，有著較高的市場占有率。

5 LED節(jié)能燈驅(qū)動技術(shù)

LED現(xiàn)已廣泛應(yīng)用與照明產(chǎn)品，在設(shè)計LED驅(qū)動電路時，要了解LED的電流和電壓特性。LED主要驅(qū)動方式有電阻限流電路、開關(guān)電源驅(qū)動電路和電阻電容降壓驅(qū)動電路［4］。

電阻限流電路原理是將LED和一個電阻串聯(lián)入電路，通過改變電阻的阻值來調(diào)節(jié)整個線路的電流，這種驅(qū)動方式成本低、電路簡單，但此電路功率基本消耗在電阻上，因此效率很低，同時電流會受到輸出電壓變化的影響，從而影響到LED的性能。

開關(guān)電源驅(qū)動電路是由電路來控制開關(guān)管而進行高速的道通和截止。是將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電來給變換器進行變壓，使其產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓!轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原理是高頻交流在變壓器電路中的效率要比市電50Hz或60Hz高，而且具有很好的穩(wěn)流性能，功率轉(zhuǎn)換效率一般都超過90%，現(xiàn)階段它的不足之處是體積較大，但其正朝著體積更小、重量更輕、效率更高的方向發(fā)展，未來發(fā)展趨勢將逐步邁向芯片級。

阻容降壓驅(qū)動電路是以電容降壓、限流來實現(xiàn)的，這種驅(qū)動電路由于體積小、成本低、電流相對恒定等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在市場上的很多產(chǎn)品都采用阻容降壓驅(qū)動電路，但是這種驅(qū)動LED的電路存在極大的缺陷，由于電路中主要以電容降壓，造成電路的功率因數(shù)很低，只有將LED采用串聯(lián)方式并大幅增加LED的數(shù)目才能提高整個電路的效率。

圖2為貼片式LED的阻容式驅(qū)動電路原理圖，該燈使用220V電源供電，交流電經(jīng)電容C1降壓后經(jīng)全橋整流再通過C2濾波后經(jīng)過限流電阻R3給串聯(lián)的7顆貼片LED提供恒流電源．貼片LED的額定電流為30mA，但在制作節(jié)能燈的時候要考慮很多方面的因素對貼片LED的影響，包括光衰和發(fā)熱的問題，LED的溫度對光衰和壽命影響很大，如果散熱不好很容易產(chǎn)生光衰，因為LED的特性是溫度升高電流就會增大，所以一般在做大功率照明時散熱的問題是最重要的，將影響到LED的穩(wěn)定性，小功率一般都采取自散熱方式，所以在電路設(shè)計時電流選取到20mA。圖中 R1是電容C1的卸放電阻，它的作用是當(dāng)正弦波在最大峰值時刻被切斷，電容的殘存電荷因無法釋放會長久存在，在維修時如果人體接觸到C1的金屬部分，有觸電危險，而電阻R1能夠?qū)埓娴碾姾尚狗诺簦瑥亩ＷC人機安全。R3是限流電阻防止電壓升高和溫度升高LED的電流增大，C2是用來防止開燈時的沖擊電流對LED的損害，開燈的瞬間因為C1的存在會有一個很大的充電電流，該電流流過LED將會對LED產(chǎn)生損傷，加入電容C2，開燈的充電電流能夠完全被C2吸收起到了開燈防沖擊保護。電容C1的耐壓要求必須大于輸入電源電壓的峰值，在市電電路中，可以選擇耐壓為400V以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。

圖2 貼片式LED阻容式驅(qū)動電路原理圖

應(yīng)用相同的阻容降壓驅(qū)動電路，我們做了兩種LED節(jié)能燈的對比實驗，表2是實驗測試光電色參數(shù)結(jié)果:

表2 直插式與貼片式LED節(jié)能燈的光電色參數(shù)對比

如表2，1號燈是60只 LED的節(jié)能燈，此種LED是直插式的，額定電流為20mA，接入電路后的電流為18mA。2號燈是10只貼片式LED節(jié)能燈，所用的是市面上常用的5050芯片，單顆LED中封裝有三個LED芯片。兩種燈都采用了阻容降壓的驅(qū)動方式，2號燈的功率因數(shù)只有0.372，原因就在于串聯(lián)的LED過少，以LED節(jié)能燈來說，當(dāng)交流電通過電容時，電流會受到電容量的限制，當(dāng)電荷布滿電容時，電流就停止了;這時電容就像一個絕緣體，我們?nèi)チ侩妷簳r就是交流電的峰值電壓，當(dāng)電流恢復(fù)時電壓值就會下降，因為電表是采平均值，所以在電容兩端測出的電壓和市電差不多。其實電容在這里是起了交聯(lián)和限流的作用，所測得的電壓是虛的。電容本身消耗功率極小，只有電容內(nèi)阻和通過電流的乘積。當(dāng)小功率LED燈珠串聯(lián)數(shù)增加時，功率因數(shù)就相對提高，串聯(lián)的燈珠超過80顆左右的時候，就可以達(dá)到比普通熒光管節(jié)能燈還高的功率因數(shù)。所以小功率LED燈泡如果用所謂的阻容降壓整流驅(qū)動，就要足夠多的芯片或燈珠串聯(lián)才能真正節(jié)能。

6 結(jié)束語

伴隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源短缺早已成為當(dāng)今亟待解決的全球性問題，而照明消耗約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電是節(jié)約能源的重要途徑。LED節(jié)能燈作為傳統(tǒng)白熾燈的替代品，正在加速替代傳統(tǒng)光源，隨著LED封裝技術(shù)的逐漸成熟，貼片式LED的發(fā)展將成為LED光源的新亮點。其較低的功率需求、較好的驅(qū)動特性、較小的重量和體積、較快的響應(yīng)速度、較高的抗震能力、較長的使用壽命、綠色環(huán)保以及不斷快速提高的發(fā)光效率等，比傳統(tǒng)光源有著更多的優(yōu)勢，由于市場的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，貼片式LED的光效的不斷提高，散熱問題和光學(xué)性能的改進，表面貼裝化的加速發(fā)展，都將成為LED研究的主流方向。

［1］Roland Haitz，F(xiàn)red Kish，Jeff Tsao，Jeff Nelson．The Case for a NationalResearch Program on Semiconductor Lighting．Page 5.(1999)．

［2］周志敏．LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用 ［M］．人民郵電出版社，2006．

［3］Vishay．Vishay's New Power SMD White LED ［EB/OL］．Vishay Inter-technology，Inc．2010．

［4］劉菁菁等．LED照明光源的封裝與應(yīng)用 ［R］．華東師范大學(xué)．2009．

［5］鐘斌．LED焊接工藝探析 ［J］．現(xiàn)代顯示，2007(72):61．