帶柔性電極延伸線的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板的研制

蘇方寧等

摘 要：本文分析了目前市場上LED光源板的各種結(jié)構(gòu)特點及共同存在電源板與電源等電連接必須進行端子線焊接實現(xiàn)的不足。同時，研究了一種新的自帶柔性電極延伸線LED光源板，并進行了初步的制備工藝試驗，探尋到了一種適合低成本、高靈活電路設(shè)計的無需焊線進行電連接的帶柔性電極延伸線的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板。

關(guān)鍵詞：電極延伸線；LED；印刷；并置導(dǎo)線

1 引言

LED作為第四代照明光源，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，并由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位；另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來時，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片時，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。LED發(fā)光具有顯著的節(jié)能和壽命優(yōu)勢。隨著社會的發(fā)展，日常生活中的照明能耗問題日益突出。因此，具有顯著節(jié)能優(yōu)勢的LED燈具越來越受人們的青睞。

隨著國內(nèi)LED照明[1]進入民用化進程，價格要求更敏感，同時與傳統(tǒng)商用照明LED燈具相對較統(tǒng)一市場要求不同，民用照明LED燈具呈現(xiàn)較明顯的個性及小批量等特點，對LED民用照明燈具提出了個性定制小批量制造的價格低、性能好等要求。LED光源板作為LED照明行業(yè)的一個重要基礎(chǔ)，因為LED光源板是現(xiàn)代LED燈珠封裝得到LED照明光源的必要技術(shù)手段，LED燈具的主要照明技術(shù)特性除了與封裝LED芯片、輔助光學(xué)元件相關(guān)外，LED電路及其設(shè)置決定了照明燈具的光特性。所以為了滿足現(xiàn)在國內(nèi)民用LED照明市場低成本和個性靈活設(shè)計的市場要求，我們就LED光源板進行分析，擬尋求出適合市場要求的低成本和個性靈活特點的新光源板結(jié)構(gòu)，并探究其對應(yīng)的制備工藝技術(shù)。

2 現(xiàn)有LED光源板結(jié)構(gòu)特點分析

目前LED照明燈具用的LED光源板主要有印制PCB板、并置導(dǎo)線柔性板或硬板和印刷陶瓷電路板三大類。

（1） 印制PCB板

印制PCB板[2]是最新出現(xiàn)的一類電路板，已有100多年歷史，也是目前使用最廣泛的一類電路板，它是以絕緣的玻纖板為基材，通過化學(xué)或物理印刷覆銅技術(shù)形成金屬涂層，然后通過機械或化學(xué)蝕刻的方式形成所需要的電路，電子元器件通過電路板上的孔與印制電路進行電連接形成回路。按照線路板層數(shù)可分為單面板、雙面板、三層及以上的多層板。

其中，單層PCB電路板，就是只在玻纖基板的一個面進行覆銅并經(jīng)化學(xué)蝕刻得到所需電路。對于單層PCB電路板而言，一般元器件放置在沒有覆銅電路的那一面上，覆銅電路的一面用于布線和元件進行焊接。這類單層PCB電路板應(yīng)用最為廣泛，在電路相對簡單的各類電子及控制行業(yè)中大量使用。雙層PCB電路板就是一種雙面覆銅并蝕刻得到所需電路的電路板，兩個覆銅電路層通常稱為頂層和底層，一般頂層為元件放置面，底層為元件焊接面。對于電路復(fù)雜或元件占用面積大需兩面放置，及其那些個別元件還需要在電路板側(cè)面安裝或使用的，各類復(fù)雜控制電子設(shè)備如計算機的主控電路板，一般為了提供電路板面使用率，使用雙層PCB電路板。所謂多層PCB電路板，就是至少有3個工作層面的電路板，除了頂層、底層之外，還有至少一中間層。其頂層和底層與雙層電路板相同，中間層可以是導(dǎo)線層、信號層、電源層或接地層，各層之間是彼此絕緣分隔的，層與層之間連接往往通過孔進行。

（2） 并置導(dǎo)線柔性板或硬板

LED用并置導(dǎo)線軟性電路板是采用絕緣柔性膜基材上通過熱壓粘接平行并置導(dǎo)線，再在導(dǎo)線層上面采用覆蓋粘接或噴涂、印刷涂布等工藝形成阻燃材料層，無需蝕刻而是通過機械沖切形成所需的電路斷口，斷口焊盤處理就可以在頂部的組合層上封焊電子元器件、LED燈珠等形成電路。這類軟性電路板現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在裝飾照明用LED軟燈帶上，具有制作工藝無需蝕刻環(huán)保、制作成本低、工藝簡單、成品率高，并且制得的電路板可以進行任意彎曲，可以自由運用在比如貨物照明展示柜、建筑和交通的輪廓照明燈及其情調(diào)照明燈具上，比PCB電路更得心應(yīng)手和靈活方便。

LED用并置導(dǎo)線電路硬板，隨著LED燈具民用工程的市場擴展，尤其是在LED條形燈具，如：LED支架燈、LED管燈、暗槽燈等，為了燈成本控制，應(yīng)用更具成本和安裝優(yōu)勢的軟性燈帶，而軟燈帶安裝在支架中一般需要如玻纖板這類剛性支持，剛開始是將軟燈帶通過粘接或卡接、螺釘?shù)确绞竭M行固定。在這基礎(chǔ)上，為了更簡潔的安裝及其成本控制，人們將PCB電路板用的玻纖板或其他剛性基材上面之上直接設(shè)置并置導(dǎo)線，采用上面的并置導(dǎo)線柔性電路板的制作工藝制得[3]。

（3） 印刷陶瓷電路板

印刷陶瓷電路板是在航天航空工業(yè)應(yīng)用中開發(fā)出來的一種絕緣和耐熱性能優(yōu)異的一類電路板，它以氧化鋁等陶瓷為絕緣基材，采用已經(jīng)燒結(jié)的陶瓷片或流延陶瓷生坯，通過絲網(wǎng)印刷銅漿或鎢漿這類漿料形成所需的電路后進行低溫或高溫共燒得到金屬線路[4]。

綜合已有的三大類電路板，無論采用印制PCB板、并置導(dǎo)線的柔性電路板，還是絕緣和散熱性能優(yōu)異的陶瓷電路板，其光源板與驅(qū)動電源板或其他外圍元器件進行電連接，幾乎都是采用LED光源板上預(yù)留的電極焊盤通過導(dǎo)電端子線與驅(qū)動電源等元器件進行焊接實現(xiàn)，而焊線工藝人工操作復(fù)雜，一次成品率不高，成本一直都居高不下。同時，應(yīng)用在LED燈具上，也同時具有小批量制作成本高的共同特點，其中，印制PCB板和并置導(dǎo)線的柔性電路板，尤其應(yīng)用在條形燈具上，其在條形燈具的軸線上的電路設(shè)計靈活性低。就是說，軸線方向上的電路結(jié)構(gòu)是相同設(shè)計單元的簡單重復(fù)分布得到，無法低成本實現(xiàn)軸線方向上根據(jù)要求不同進行靈活的電路設(shè)計。例如，1.5 m的LED支架燈，不能小批量低成本實現(xiàn)兩端的照明電路與中間的照明電路不一樣。

3 帶柔性電極延伸線的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板的研制

根據(jù)上面的分析，我們綜合印制PCB成熟的玻纖板低成本優(yōu)勢、并置導(dǎo)線整體成本優(yōu)勢及其并置導(dǎo)線可以進行延伸的靈活性，加上印刷電路小批量電路設(shè)計靈活性及成本低的各自特點，設(shè)計出一種具備上述優(yōu)點的新電路板，該電路板以玻纖板等絕緣基材，通過采用印刷常溫固化導(dǎo)電的銅漿得到照明子電路，兩側(cè)并置導(dǎo)線作為主回路并與印刷導(dǎo)線進行電連接，并將并置導(dǎo)線延伸出絕緣基材，即并置導(dǎo)線長度明顯比絕緣基材長度長，上面通過覆蓋阻燃膜得到封焊電阻和/或LED燈珠等電子元件所需的阻燃層。

3.1 帶柔性電極延伸線的LED光源板結(jié)構(gòu)研究

首先，為了解決目前LED光源板進行與驅(qū)動電源等元器件的電連接需要焊線的問題，我們的LED光源板采用如圖1、圖2所示的結(jié)構(gòu)，包括正常的燈板主體及其上面封焊的LED芯片等元件，還將燈板主體的并置導(dǎo)線進行延伸得到軟性電極延伸線，這樣就能無需額外焊接端子線進行電連接了，這自帶的柔性電極延伸線就可以與驅(qū)動電源等元件進行電連接。當(dāng)然，為了延伸軟性電極的絕緣性能，最好是有包覆延伸電極線的上、下兩側(cè)絕緣層。這延伸的電極線可以如圖1中的只有一端進行延伸，也可以如圖2那樣兩端都延伸。

其次，為了這延伸的電極是燈板主體的自然延伸，我們的LED光源板的燈板主體的主回路就應(yīng)該采用平行并置銅導(dǎo)線的這類結(jié)構(gòu)，而同時考慮上下包覆絕緣層的也是燈板主體的自然延伸，這樣LED光源板當(dāng)然可以如圖3所示的采用軟性基材的三層結(jié)構(gòu)。

但結(jié)合條形燈具實際情況考慮，軟性光源板一般也還需要安裝在剛性支撐上，所以我們最終方案優(yōu)選為如圖4所示的剛性基材的四層結(jié)構(gòu)。這剛性基材可以采用玻纖板或PVC這類絕緣材料，也可以采用散熱鋁材。

3.2 帶電極延伸線LED光源板的復(fù)合導(dǎo)線層

再次，為了達到電路設(shè)計的靈活性和小批量的低成本特點，我們的光源板的照明子電路宜采用具有靈活性高和小批量低成本特點的印刷銅漿實現(xiàn)，這樣就得到符合要求的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板，該光源板的電路為印刷與并置導(dǎo)線復(fù)合電路，包括由平行并置導(dǎo)線形成的主干電路，以及印刷銅漿得到的印刷導(dǎo)線的照明子電路。這樣，我們的復(fù)合LED電路板，小批量制樣就可以很靈活地根據(jù)個性燈具照明光特性進行低成本的印刷導(dǎo)線電路設(shè)計。例如，上述中的三段印刷導(dǎo)線電路，可以采用中間的照明印刷導(dǎo)線和兩端的照明印刷導(dǎo)線完全不一樣的電路，也可以兩端的照明印刷導(dǎo)線也各自不同的電路。如圖5所示，中間的導(dǎo)線層為復(fù)合導(dǎo)線，其照明子電路采用一次行電路印刷得到，這樣包括封焊電阻等元件和LED芯片的焊盤斷口及其印刷導(dǎo)線在電路結(jié)構(gòu)上具有小批量制樣的高靈活行、低成本和短周期優(yōu)勢，而兩側(cè)的主導(dǎo)線采用并置銅導(dǎo)線，加強了電路板的結(jié)構(gòu)強度和繼續(xù)了并置銅導(dǎo)線與外電源或其他控制電路的接口方便及主回路承載電流能力強。印刷銅漿我們采用深圳市光飄電子材料有限公司購買的常溫固化導(dǎo)電銅漿LF1201，固化后的印刷導(dǎo)線，與40 ℃熱壓粘接的并置銅導(dǎo)線進行電性連接。

我們將制得的這種新的帶柔性電極延伸線的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板進行進行了電阻和LED芯片的元件封焊性試驗，測試發(fā)現(xiàn)封焊性完全滿足操作簡單的要求。封焊好元件的LED光源板也進行了照明性能、老化等測試。結(jié)果表明：這種印刷和并置導(dǎo)線復(fù)合LED電路板性能不錯，制樣周期短，小批量成本也得到了較好體現(xiàn)。

4 結(jié)語

研究表明，可以找到一種適合低成本、高靈活電路設(shè)計的無需焊線進行電連接的帶柔性電極延伸線的印刷及并置導(dǎo)線復(fù)合LED光源板。希望LED光源板能早日為LED民用照明市場開拓提供了有力的支撐貢獻應(yīng)有的力量。

參考文獻

[1] 蘇方寧，王江.印刷反光層位置對廣角度LED管燈配光性能的

影響[J].佛山陶瓷，2013（10）：22-25.

[2] 蘇新虹，任敏.高亮度LED用印制光源板標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].印制電路

信息，2014（6）：54-58.

[3] 陳健，張晃初，曾祥福.一種選擇性壓合方式制作混合材質(zhì)LED

線路板技術(shù)研究[J].印制電路信息，2014（2）：59-61.

[4] 蘇方寧，趙營剛，吳崇雋.氧化鋁陶瓷電熱元件的節(jié)能研究[J].佛

山陶瓷，2010（9）：17-25.