柔性LED燈絲的發展進程與展望

王 江， 石明明， 鄒 軍， 李文博， 湯 雄， 李 超

(1.上海應用技術大學 理學院，上海 201418; 2.浙江億米光電科技有限公司，浙江 嘉興 314113;3.上海亮威照明科技股份有限公司，上海 200127; 4.杭州士蘭明芯科技有限公司，杭州 310018)

傳統的白熾燈燈絲多為金屬鎢絲、銥或其他合金，通電時產生各種顏色的可見光，但其能耗過大不適應綠色環保的要求，基于LED技術開發具有與鎢絲同樣效果的LED燈絲并應用于新型LED球泡燈(即LED燈絲燈)，LED燈絲燈既具有傳統白熾燈的外觀，又具有較高的光電轉換效率[1]。傳統球泡燈采用金屬支架封裝，最大發光角為180°，而LED燈絲采用透明材料封裝，具有360°全角度發光，與白熾燈十分接近的外形、配光曲線[2-3]、性能穩定、壽命遠超過白熾燈的壽命，因此LED燈絲燈取代白熾燈是照明產業發展不可阻擋的趨勢。

LED燈絲系列產品因基板材料不同而分為剛性燈絲和柔性燈絲[4]。剛性燈絲采用藍寶石、透明陶瓷、熒光晶體、玻璃、銅等具有硬度的脆性材料作為基板，一般選擇尺寸較小的正裝芯片作為光源，如1016、0915、0815等[5]，常被設計成直條或弧形燈絲。柔性燈絲則采用具有柔軟可塑的銅箔覆合高分子薄膜、覆銅箔薄鋁基材料或陶瓷鋁基材料等[6]作為基板，同時也需采用聚酰亞胺柔性印制電路以提高燈絲的柔軟度[7]，含有金線的正裝芯片在彎曲時容易斷裂造成燈絲損壞，因而芯片必須使用無金線“覆晶(flip chip)技術”(也稱作“倒裝”)以確保燈絲在塑性時燈珠不受損壞[8]。剛性燈絲使用的材料價格較低，制備工藝成熟但過程復雜，常被設計成直條或弧形燈絲而柔性燈絲可設計塑造成各種標新立異的形狀，不僅滿足了照明的需求而且還增加了燈具的藝術效果，同時采用覆晶技術使工藝更簡單。

隨著市場需求量的增長，剛性LED燈絲已不能夠滿足人們的需求，為了滿足市場需求，以柔性電路板和高壓LED技術制成的LED燈絲得到了高度重視，相較傳統的白熾燈不僅可以呈現出多角度發光的特點，還可以讓燈具更具層次感，使LED燈發光更均勻，拓展性更強[9]。

本文對柔性燈絲發展進行了概述，詳細介紹了柔性燈絲的結構、封裝工藝、散熱技術及其應用，展望柔性燈絲的發展前景。

1 柔性LED燈絲的發展概述

2008年，一家名為牛尾光源的日本企業最先推出了一種發光亮度、效率及外形近似于白熾燈的LED燈絲燈，其外形與普通燈類似，但工藝更為先進[10]。2012年LED燈絲燈引入中國，逐漸進入人們的視野，由于其具有與白熾燈同樣的功能且性能更好，在市場的推動下，轉型研發LED燈絲燈成為傳統照明企業的革新之路[6]。新型的LED燈絲燈綠色照明以其獨有的特色，迅速充斥傳統照明市場，LED燈絲燈替代傳統照明工具是照明產品發展的必然趨勢。隨著基板材料的發展，LED燈絲燈經歷了從透明陶瓷、玻璃、藍寶石到高分子材料的四代發展[1, 11]，下面根據基板材料的變化對LED燈絲的發展進行概述。

1.1 透明陶瓷基板

透明陶瓷基板具有高光效、高導熱、高耐溫性等特點[12]，能夠很好的將LED燈絲產生的熱量散發出去，同時光可透過透明基板實現360°全角度。透明復合陶瓷有利于提高LED芯片工作的性能，擁有良好的發展前景。

1.2 玻璃基板

玻璃基板具有極佳的透光性能，基板表面經過鏡面處理之后反射率較高，使光易透過，具有360°全方位透光的優良特性，很好的解決了吸光問題，提高了光效[13]。但玻璃的導熱性差且脆性大，許多廠家不斷的攻克玻璃導熱性和脆性等問題，玻璃基板在LED燈絲的應用有望在將來能取代藍寶石基板[14]。

1.3 藍寶石基板

研究實驗結果表明，不同的基板材料光衰程度存在差異[15]，其中藍寶石材料無光衰且光通量相對穩定，而玻璃、陶瓷等基板材料光通量均有不同程度的減小。藍寶石基板具有優良的導熱性和透光性，雖然藍寶石的價格昂貴，但其優越性能使其成為目前主流的LED燈絲封裝基板。

1.4 高分子材料基板

剛性燈絲采用透明陶瓷、玻璃、藍寶石等材料作為基板[5]，材料硬度較高且脆性大，因而不適用于柔性燈絲。目前，柔性燈絲選用銅箔覆合高分子薄膜作為基板，銅箔覆合高分子材料不僅具有良好的導熱性能，還具有極佳的柔軟性，賦予了燈絲更大的可塑空間。柔性LED燈絲如圖1所示。

圖1 柔性LED燈絲

2 柔性LED燈絲的結構

圖2 柔性LED燈絲結構剖析圖

柔性LED燈絲包括藍光倒裝芯片、柔性基板、熒光封裝材料、粘結材料等部分。如圖2所示為柔性LED燈絲結構剖析圖。基板是LED燈絲支撐載體，可將LED芯片產生的熱量傳導至外界[14]，是LED熱傳導的關鍵部件，基板材料的熱導率、穩定性、透光性及熱膨脹系數等將決定基板的導熱性能[16]。器件封裝是制作的必要環節，使用與器件匹配的粘結材料和轉換效率高的熒光體材料對器件進行封裝，可確保芯片的工作環境不受外界環境影響，有利于提高器件的散熱性、透光率、光輸出率等方面性能，使發光器件的性能與壽命得到更好的提升。

基板以覆銅箔聚酞亞胺薄膜為材料，該材料具有透明、電學性能優良等優點，其穩定的化學性質很好的保證了電路的各項性能，極佳的裝配可靠性使電路設計更方便。

倒裝藍光芯片光學性能好、工藝簡單[17]。采用無金線倒裝LED芯片避免了燈絲在彎曲時金線斷裂造成LED燈絲的損壞，可提高柔性燈絲可靠性，有效降低生產成本。柔性印制電路板的柔軟特性極大提高了LED燈絲的可塑性，可將LED燈絲塑造成各式各樣滿足于市場需求的創意造型。

柔性燈絲發光主要是通過芯片發出的藍光激發封裝在芯片周圍的黃色熒光材料產生白光，同時熒光封裝材料可有效防止芯片發出的有害藍光溢出。熒光體材料常用熒光粉，但熒光粉顆粒較大，易沉降在芯片上方導致發光不均勻、降低LED發光效率、阻礙散熱等問題[18-20]，影響LED性能，阻礙了LED的發展。針對上述問題，行業專家和學者將熒光粉混合制備成熒光薄膜后再封裝在芯片上方，解決了傳統熒光粉點膠法中存在的問題[21]。使用單一熒光粉的LED顯色性不高且色溫唯一，通過調節黃粉與紅粉的配比可調節LED的顯指和色溫。

3 柔性LED燈絲的封裝工藝

目前，LED燈絲在散熱、發光效率等眾多方面均存在不足之處，改善LED柔性燈絲的封裝工藝是解決與提高LED燈的發光效率、壽命、散熱等各方面性能的重要研究方向。柔性燈絲工藝主要通過倒裝藍光芯片發光激發包圍在芯片周圍熒光粉產生白光，柔性燈絲工藝流程如圖3所示。

圖3 柔性LED燈絲工藝流程

3.1 固晶

廠家提供的芯片通常是密集整齊排列在藍膜上，芯片間距非常小，不能直接用于固晶，在固晶前需進行擴晶處理，使芯片間距足夠大以便將芯片取出進行固晶封裝。選取刻蝕好電路的柔性基板，在基板指定位置放置錫膏，作為裝倒裝芯片的焊接點，通過固晶機將倒裝芯片固定在焊接點上，將固晶完成的燈絲放入260 ℃的烤箱，進行短時間烘烤將錫膏固化，使其性能穩定。也有部分工藝在基板上預涂一層熒光粉，其作用是提高藍光的利用率和減少藍光從基板溢出，但同時也增加了生產工藝過程，延長了生產周期。

3.2 封裝

固化好的半成品需要在芯片上覆蓋熒光粉，熒光粉對LED光品質影響極大，通常選用黃色熒光粉進行封裝，也可采用黃粉和紅粉混合封裝以調節LED的色溫和顯指。將硅膠和熒光粉按照一定的配比混合，將混合液放置在脫泡機內使混合液攪拌均勻，除去混合液內部的氣泡，然后按量置入針筒中用于涂敷，將涂敷好熒光粉的燈條放入烤箱中烘干即可得到柔性LED燈絲。

4 柔性LED燈絲的散熱技術

影響LED散熱是由于芯片功率密度過大及散熱材料導熱性能不足，導致熱量無法及時散出，進而使芯片的溫度上升[22]，解決LED散熱問題關鍵在于如何提升LED芯片的散熱[23]。目前業內專家和學者主要從器件光電轉換效率及散熱結構兩個方面進行優化與改進[24]。

4.1 芯片結構

結溫是由P-N結產生的，如何增大結溫的散熱效率是解決LED散熱性能的核心問題，采用導熱效果極佳的襯底原料可增大LED芯片散熱效率，通過導熱材料將芯片產生的熱量不斷向外導出，散熱效果提升明顯[25]。燈絲主要使用正裝芯片進行封裝，其工藝成熟，成本低，適用于剛性燈絲。正裝芯片結構如圖4(a)所示。而柔性燈絲則采用無金線的倒裝芯片進行封裝，其成本較高，但可大幅度提升燈絲的韌性和可靠性，如圖4(b)所示。

圖4 芯片結構圖

正裝芯片通過金線將P-N結與支架正負極實現電器連接[26]，但由于正裝LED芯片使用金線連接以及從具有吸光作用的電流層出光造成發光效率低、電流擁擠及藍寶石襯底材料導熱性差造成的散熱性差等問題[27]，且含金線的正裝芯片無法匹配柔軟彎曲的特殊要求僅適用于直條燈絲，極大的阻礙了LED燈絲的健康發展。倒裝芯片解決了正裝芯片取光率低及散熱不足的痛點。

倒裝芯片以藍寶石為襯底材料，相較傳統的正裝結構，倒裝芯片的電器連接面朝下，發光面主要通過透明的襯底藍寶石出光，有利于光線的取出，再加上藍寶石優異的穩定性和高性價比而被廣泛應用，以藍寶石作為出光面的倒裝結構，大大提高了LED的性能[28]。一方面，倒裝芯片的有源面朝下[29]，芯片產生的熱量通過焊點向下導熱而不經過襯底材料，不僅不會遮擋芯片的發光，還極大的增加了散熱效率；另一方面，以透明藍寶石作為出光面改善了LED的光學性能，因芯片向上發光，電流擴散層厚度不會對光的取出造成影響，可以通過增加電流擴散層的厚度以增加電流密度，此外基板也會將光源反射至藍寶石，進一步提高了LED的出光率。將無金線的倒裝芯片應用于柔性燈絲中，可避免燈絲在彎曲時造成的金線斷裂問題，提高柔性燈絲的可靠性。

4.2 封裝材料

LED的封裝材料必須采用導高熱率、穩定性能及環保材料來提高LED的散熱效率。基板、粘貼、密封等封裝材料對LED散熱的影響都不容忽視，封裝材料的導熱能力將決定LED的散熱性能及器件的壽命。

4.2.1 基板材料

芯片產生的熱量主要是通過LED散熱基板將內部產生的熱量傳到外部的散熱裝置，如果芯片產生的熱量不及時導出而聚集在芯片中，將會降低LED發光效率和壽命[30]。基板的散熱能力是導熱的關鍵，基板的散熱能力是LED器件性能與可靠性的核心影響因子[31]。故在選擇基板材料是必須選擇具有性能穩定、導熱效率高、絕緣性能極佳的材料，除此之外還需考慮材料的平整性、強度以及材料的熱膨脹系數[32]，目前常見性能優良的基板有金屬基板、陶瓷基板、玻璃基板、石英基板、藍寶石基板等，根據實驗數據表明[15]，散熱性能由好到差分別是：藍寶石、透明陶瓷、玻璃，因此用藍寶石作為基體材料是最好的選擇。無論選擇何種基板材料，都必須確保芯片工作溫度不超出芯片正常工作的極限溫度以保護LED不受損壞。LED燈絲采用透明的藍寶石作為基板，可有助光線透過基板向外傳播，實現全角度出光[33]。

4.2.2 粘接材料

粘接材料是連接芯片與基板的粘結劑，為芯片提供了散熱通道，既可以固定芯片，又可減少材料之間的接觸熱阻，可以很好的將LED芯片中部的熱量導出。李學夔等[34]實驗結果表明，LED溫度場的分布受到粘接材料熱導系數和厚度的影響，選擇導熱系數大的粘接材料更有利于熱量的散出。同時，需要控制粘接材料的厚度，厚度越薄粘接材料的散熱效果越好。

4.2.3 密封材料

密封材料主要對LED芯片起到密封和保護芯片的作用，避免外界因素影響芯片的正常工作。密封材料決定了LED的光分布、光效、傳熱等性能，目前制備白光的密封材料主要應用黃色熒光粉進行封裝。常用藍色LED芯片發出的藍光激發黃色熒光粉得到白光，在激發轉化的過程中部分光能會轉化成熱能，這部分熱能與藍光芯片產生的熱量使熒光粉在工作時處于高溫狀態，導致LED光衰較快，過高的溫度會使熒光粉出現波長紅移、熒光粉量子效率降低等問題。芯片與黃色熒光粉之間會產生相互熱作用，熒光粉層的熱量無法傳導至外界而被堆積，導致熒光粉層溫度上升，進一步導致結溫上升，影響LED器件的散熱[35]。需選擇散熱性能良好的熒光粉，同時還要考慮熒光粉顆粒和硅膠的特性。

全封閉封裝與半封閉封裝LED燈絲性能的研究表明[36]，雖然半封閉封裝燈絲的涂膠量比全封閉封裝燈絲涂膠量更少，但半封閉封裝燈絲不能將膠水完全涂敷覆蓋在陶瓷基板上，進而導致部分藍光溢出，降低產品的良率。實驗表明，在相同的條件下半封閉燈絲的溫度比全封閉燈絲高50 ℃左右，這證明全封閉LED燈絲的散熱能力比半封裝LED燈絲更好，實驗也得到全封閉封裝LED燈絲光通量大于半封閉封裝LED燈絲的結果。因此，為了提高LED燈絲各方面性能，采用全封閉封裝方式是最優的封裝方案。

4.3 封裝工藝

4.3.1 不同厚度基板工藝

基板厚度與器件芯片最高溫度呈負線性相關[14]，控制基板材料厚度是改善LED器件散熱性能的一種方案。基板材料越厚，LED器件內部通道熱阻越小，LED芯片的最高溫度越低，但基板材料的厚度不宜太厚，基板材料太厚易導致LED器件的藍光溢出，對器件的光學性能不利。因此，基板材料應選擇適當的厚度，避免不必要的問題，使LED的各方面性能最大化。相關實驗表明，基板材料厚度為0.2 mm較合適[16]，但更精確的厚度仍需更精確的測量與探索。

4.3.2 不同厚度的固晶工藝

固晶材料的種類較多，根據導電(熱)性能可分為導電膠和絕緣膠[37]。粘接材料是LED散熱的主要影響因子，不同的粘接材料對LED散熱性能存在顯著差異[38]。實驗表明[39]，在室溫條件下，銀膠與絕緣膠的導熱能力平分秋色，但在高溫環境中，2種材料的性能差異明顯。高溫環境中，絕緣膠導熱能力差，熱量不能順利傳出，而銀膠散熱效果優于絕緣膠，在高溫環境中銀膠的優勢更明顯。改變絕緣導熱膠的相關仿真實驗[40]表明，LED器件的最高溫度與固晶層厚度有關且呈負相關，雖然厚度越厚越好，但厚度不宜超過LED芯片厚度，否則固晶膠容易覆蓋LED芯片進而嚴重影響LED器件性能。

散熱問題一直制約LED向大功率發展，LED的熱量來源于結溫，而固定與保護發光芯片的封裝材料、基板材料、封裝工藝等都會影響LED的散熱性能。為了進一步提升LED柔性燈絲的光均勻度和散熱性能，本課題組[41]提出了一種從工藝、結構上優化柔性燈絲性能的立體螺旋結構柔性LED燈絲。采用倒裝芯片封裝，減少工藝流程，降低了生產成本；采用平面涂敷技術，使熒光粉均勻涂敷在柔性燈絲上，提高了發光均勻度和亮度；使用散熱較好的合成材料，且在填充氦氣，促進球泡內的氣體流動以降低結溫，提高散熱能力；當螺旋柔性燈絲的拉伸高度為2 cm時，燈具的光學性能和熱學性能最佳。

5 柔性LED燈絲的應用與展望

近年來各國相繼出臺了關于白熾燈停止生產與銷售的相關政策，LED柔性燈絲燈在新一代安全LED照明光源中嶄露頭角，成為半導體照明中的佼佼者。國際市場對LED燈絲燈的認可使得LED燈絲燈得到了快速的發展，市場需求熱度的快速升溫，LED燈絲燈具發展前景十分可觀。燈絲燈的大量生產與普及，逐漸受到消費者認可和喜愛，LED燈絲得應用進入快速發展期。

柔性LED燈絲燈的樣式繁多，根據玻璃泡的形狀可大致分為A、C、T、G、ST等類型，如圖5所示。本課題組按照燈絲的形狀將柔性燈絲制作成螺旋型、T型、心型、字母型等[42]，如圖6所示。由于柔性燈絲的可塑造性給予設計者提供了廣闊的設計空間，根據不同的需求，將不同的燈絲形狀配合不同的玻璃泡會有意想不到的效果。除了經典的類型，燈絲燈如雨后春筍不斷被開發出來，出現了許多形狀各異的創意燈具，豐富了LED燈絲燈的產品種類和市場，如圖7所示。

LED燈絲的亮度適中，部分功率過大導致亮度過高的燈具，則采用金色或其它顏色的玻璃泡以降低燈絲的亮度，以便LED燈絲燈可以直接使用，此外燈絲燈也可以配合其它燈具使用，如組裝的水晶吊燈、壁燈等[43]。LED燈絲燈憑借其復古的外表和獨特照明效果的優勢，進入商用復古照明市場備受青睞[44]，常應用于客廳、餐廳、酒吧、酒店、臥室、書房、咖啡廳等各類高、低端場所。隨著柔性燈絲燈的技術難題不斷被攻克，在不久的將來，LED燈絲燈將不斷塑造出更多新穎的新產品。

圖5 各種型號柔性LED燈絲燈

圖6 創意形狀柔性LED燈絲燈

圖7 新型創意柔性燈絲燈

6 結 語

本文主要概述了柔性LED燈絲的發展，包括：柔性LED燈絲的結構、封裝工藝、散熱技術及其應用。LED散熱問題是制約柔性LED燈絲向高功率、高性能和長壽命方向發展的致命影響因素[45]，LED的封裝技術是決定LED光電性能、壽命等參數的重要指標。封裝技術工藝的改進、封裝材料的優化、散熱方式的改良，是解決柔性LED燈絲散熱問題的關鍵。隨著科學進步的發展，不久的將來這些問題將會得到更好的解決，柔性LED燈絲將會得到更廣泛的應用。