印刷反光層位置對廣角度LED管燈配光性能的影響

蘇方寧，王江

(珠?；萦央娮佑邢薰?，珠海 519075)

1 引言

LED (Light-Emitting-Diode)，發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位；另一端是N型半導體。但將這兩種半導體連接起來后，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片時，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。

LED初時多用作為指示燈、顯示發光二極管板等，隨著白光LED的出現，也被用作照明。隨著全球環保意識的增強，節能省電已成為當今的趨勢。LED產業是近年來最受矚目的產業之一。LED產業始于20世紀70年代，90年代以來在全球范圍內迅速崛起并高速發展。美國、日本、歐盟、中國臺灣等發達國家和地區，紛紛把LED作為“照亮未來的技術”，陸續啟動固態照明計劃，欲搶先一步占領這一戰略技術制高點。

據不完全統計，2006年，我國LED的產值為140億元，2008年應用市場規模約達到540億元，到2010年國內LED產業的規模約超過1000億元，展現出了廣闊的開發前景。而隨著功率型白光LED制造技術的不斷完善，其發光效率、亮度和功率都有了大幅度地提高。LED產品具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命周期長，且不含汞、環保作用好等優點。

隨著社會的發展，日常生活中的照明能耗問題日益突出。因此，具有顯著節能優勢的LED燈具越來越受人們的青睞。LED光源廣泛應用在各種室內外照明中，尤其是智能網絡控制的路燈系統，各地政府都在大力推廣LED照明路燈系統，LED路燈的節能減排工作成效顯著。

隨著LED技術的不斷進步和國內外相關產業的持續發展，LED也逐漸從商業照明擴展到家用照明，其中，家庭、學校、辦公場所的LED管燈照明的市場容量逐漸釋放，其需求已初見增長的勢頭。因此，LED管燈，包括替換日光燈T5、T8管燈及支架燈，越來越受到廣大廠家的追捧。然而，由于LED發光芯片屬于點光源，LED發光受其發光角限制，目前LED的發光角度為120°，一般LED燈具采用LED陣列單面光源，其出光效率不高，使得LED燈具不能實現廣角度照明。

2 LED管燈的介紹

近幾年來，LED管燈有逐漸代替傳統熒光燈管作為照明燈具的趨勢。然而，傳統熒光管燈的發光角度為360°發光，由于LED光源具有指向性發光的特點，直管型LED燈的發光角度一般只有120°左右，這樣會在側面及后面形成一定暗區，一定程度上會影響整體燈光效果及環境美觀度。因此，很多企業為了實現更加均勻和完全替代的效果，將研發的重點放在了擴大發光角度上。目前，已經有企業表示，其直管型LED燈的發光角度可以做到360°的全角度發光。不過也有專家表示，所謂的全角度發光，按照相關標準并不是所有的光都達到360°才叫全角度發光，而是有一定比例的光的出射角度超過320°就可以了。

3 廣角度LED管燈及其結構設計

為了推動LED管燈的長足進步，廣角度發光的LED管燈成為廣大LED芯片和照明器具的生產廠商的研究課題。目前，據報道的廣角度發光主要是通過以下方式實現的：

(1)盡量使得芯片下沉擴大發光角度，上海瀚唯科技有限公司通過將電源置于燈管一端，節省管內空間而使芯片下沉，從而擴大出光角度。而上光照明采用獨特的一體化的散熱技術減少了散熱通道，使得LED芯片可以下沉，LED發光面距離PC管壁距離增大，從而有效擴大了光的出射角度。

(2)通過全透光管材料實現更大的出光角度，比如上光照明通過全PC管技術，透光率高達85%以上，不僅實現了更均勻的出光效果，也使得發光角度增大，燈管的表面發光角度達到300°。而上舜照明的T8燈管采用全玻璃材質，擴大出光角度，再加上獨特的設計可以達到360°的出光角度。

本文撇開LED芯片設計，單獨就廣角度LED管燈的照明器具展開研究。筆者認為從管燈的照明結構而言，其實用結構應滿足如下要求：

(1)突破基板的單面發光限制

傳統的LED管燈之所以不能實現廣角度發光，除其芯片及封裝帶來的本身固有發光角的影響外，對應照明器具本身而言，由于LED芯片電路所需的鋁基板或陶瓷基板的遮光就是LED管燈不能實現廣角度發光的根本限制。

(2)反射式倒置，避免眩光

LED屬于發光強度超強的光源，一般LED燈具采用磨砂的燈罩進行防眩光處理，但這樣必然會造成相當的光損失，光效就做不到很高。因此，為了提高光效，廣角度LED管燈就不能使用磨砂燈罩，這樣同時對燈管成本節約大有好處。因此，必須采用倒置式芯片結構，然后通過上部的全反射進行光線投射。

因此，我們可以通過在透光材料，比如玻璃或PC、PE等塑料中。絲網印刷形成LED光源所需要的電路，其LED光源的主發光面向上，再通過設置在LED光源上部的反光裝置，比如印刷的反光層，其光就能反射回來，再投射下去，就能同時滿足上面的兩個條件。圖1為廣角度LED管燈的一種結構模型。

由圖1可知，廣角度發光燈管為透光性材料，其分為3個印刷體，半圓截面的為印刷體1，半圓截面和弧面對應圓周角100°之間圓臺為印刷體2，剩下的為印刷體3。為了能廣角度發光，必須采取絲網印刷方式形成電路，以避免電路基板的遮光。為了能進一步降低目前價格已經相對市場承受能力較高的LED燈具，我們的燈管材料盡可能使用透光性好的相對便宜的PC塑料，PC塑料的成形溫度為230～320℃。因此，印刷使用的銀漿的固化溫度就必須嚴格控制在200℃之下。

4 LED管燈分層印刷工藝研究

4.1 反光層印刷試驗方案設計

結合圖1，在1印刷體的平面上印刷LED芯片所需的電路，那么在所示的1印刷體的A平面之上有一個在2印刷體上的配合面B，平面B可以用來印刷反光粉，以形成對A上的LED芯片發出的光進行反射。為了深入研究各種印刷平面對廣角度LED管燈的照明效果的影響，我們在弧面對應圓周角為100°處進行了分層結構，為了更清楚其分層結構，圖2給出了其分立結構示意圖。由圖2可知，這樣燈管分為三部分，一共4個面，除了在1印刷體A面上進行電路印刷外，反光粉的印刷可以選擇在B、C和D面的任意一平面上，為了給A面封接LED燈珠后對應凸起位置騰出空間，在2印刷體的B面上對應LED燈珠封裝凸起的地方上，設置有對應的配合腔，如圖2所示。如表1所示，反光粉印刷面有三種方案，方案1～3分別對應的印刷面為B-D。

表1 分層印刷工藝試驗方案

反光粉筆者選用的是折射率為2.2±0.1的濟南格瑞特新材料有限公司生產的高折射率Nd2.2玻璃反光粉，配置得到絲網印刷所用的反光粉漿料，其粒徑為10～50um?？紤]到B面印刷時，由于與A面封接LED燈珠后對應位置有LED燈珠配合腔，要求其流平性較好，筆者所用的反光粉印刷漿料使用黏度較小。

4.2 印刷銀漿的選擇

蔣斌[1]的研究《薄膜開關用低溫固化導電銀漿的研究及應用》和黃富春[2]等人的研究《低溫固化銀漿導電性能的研究》表明，固化溫度對銀漿導電率的影響，導電銀漿以聚氨酯為樹脂粘結相，固化溫度高，其導電率下降明顯。銀粉量對電阻率影響很大，隨著銀含量的增加，導電銀漿的電阻率迅速減小，銀粉含量增加對提高銀漿導電性能有利。但當銀粉含量進一步增加，電阻率減小變化趨緩。另一方面，隨著銀粉含量增加，樹脂粘結相所占比例過小，導致不能完全包裹銀粉，容易產生銀粉的二次團聚。同時，漿料流平性、硬度、附著力等機械性能也較差，無實用價值。因此，銀粉含量控制在60%左右比較合適。結合甘衛平[3]的研究結果，本文的研究采用平均粒徑為5um的銀漿，其由純度為99%的銀粉作為導電介質，添加低熔點玻璃粉(主成分為 PbO、SiO2、Al2O3)，兩者粉末添加質量比為7.5：2.5；以松油醇為溶劑，添加無水乙醇和氫化蓖麻油作為表面活性劑，粉料與三種有機溶液的質量比為7.5：2.5，配成印刷銀漿待用。

4.3 印刷電路的選擇

為了電路配置更合理和考慮普遍兼容性，筆者固定印刷的電路為LED燈珠兩兩并聯后再兩兩串聯，最后為三組進行并聯的電路形式，絲網印刷圖案如圖3所示。圖3中的小方框為LED燈珠封接位，所使用的LED燈珠為普通封裝燈珠或COB封裝燈珠，實驗中我們選擇統一使用單粒功率為1W的普通封裝燈珠大功率。

圖3 電路印刷面的絲網圖案

4.4 分層印刷工藝研究

印刷好的銀漿電路需經過150℃的熱處理，形成導電線路，之后在其上封接LED燈珠。印刷好的反光粉面需過80℃的干燥箱處理，形成良好反射的反光面。分別印刷好三種方案的反光粉反光面。得到三組方案的印刷體1、2、3，每種方案的對應1-2進行A-B面貼合，2-3進行C-D面貼合。用硅膠進行粘合，經過固化后得到三種方案如圖1所示的整體配合的LED管燈，在相同配置的對應管燈架上，相同條件下進行通電照明發光，測試其配光效果。表2給出了本文的主要工藝參數。

表2 廣角度LED管燈的工藝控制參數

5 結果分析

根據所測得的配光數據，可以得到如圖4所示的三組配光曲線對比圖。

從圖4的配光曲線可以清晰的看出，在B進行反光粉印刷的方案1對應的配光曲線中，發光角度明顯比另外兩種方案的小。因為在半圓的位置上，LED燈珠發出的光，投射到印刷有反光粉的B面上的反光面作用下反射回來，其肯定不能實現廣角度發光照明效果。同時，從方案1的配光曲線分析得知，其在80～100°的范圍內有明顯的光照峰值，其是因為A-B貼合使用硅膠粘合，而又在B面上反射，存在較為薄弱的漏光機制，導致了如圖4所示的中心為88°方向上的兩個明顯的光照峰。進一步分析得知，方案1曲線的光照面較其他兩種方案小。

對比在C或D面上進行反光粉印刷的方案2和方案3的配光曲線，可知兩者方案的配光曲線大致相同，其光照明角度分別為330°和320°，光照曲線面積也是方案2相對比方案3略大些。

綜合上面分析，在印刷體2上的C面上印刷反光粉的方案2最優，其LED燈管能實現330°的廣角度發光照明。同時，其光照效果較為均勻、無眩光。

6 結語

本文針對廣角度發光照明的LED管燈進行了結構分析，得到了分層印刷管燈的結構，其結構模型為半圓截面上印刷LED發光銀漿線路，分三種方案進行反光粉印刷，并進行了詳盡的銀漿線路和反光粉的分層印刷工藝研究，封接LED后進行了配光曲線測試。分析得知，在弧面對應圓周角100°的印刷體2上的C面進行反光粉印刷，其效果最佳，能實現330°的廣角度發光；印刷體3上的D面進行反光粉印刷，其效果相當，能實現320°的廣角度發光，這兩種方案的LED管燈光照均勻、無眩光、光效高。

本文只是揭示了一種廣角度發光照明的LED管燈的結構形式，為其光照實際效果的可行性奠定了基礎，為各種后續研究和類似結構燈具的發散研究提供了一種先行先試的借鑒。

[1]蔣斌,李欣欣,韓哲文.薄膜開關用低溫固化導電銀漿的研究及應用[J].涂料工業,2012,42(5)：68-71.

[2]黃富春,李曉龍,李文琳,等.低溫固化銀漿導電性能的研究[J].貴金屬,2011,32(2)：52-57.

[3]甘衛平,劉妍.低溫燒結型銀漿料對半導體芯片貼裝性能的影響[J].中國有色金屬學報,2008,18(3)：476-482.

[4]祁姝琪,丁申冬,鄭鵬,等.COB封裝對LED光學性能影響的研究[J].電子與封裝,2012,12(3)：6-9.

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