LED支架結構優化設計

蘇佳興，賀蕾

（陜西科技大學經濟與管理學院，陜西西安，710021）

0 引言

LED有“第四代照明光源”、“綠色光源”之稱，具有節能、環保、壽命長、體積小等優良特點，廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明、戶外照明和汽車照明等領域，目前，LED在主要的發光元器件上基本都有應用。

中國目前LED市場需求量為428億只，且每年以30%的速度增長[1]，要滿足LED產品的巨大市場需求，提升LED產品的生產效率和產能至關重要。從21世紀初LED引入國內始，中國LED迎來快速發展的20多年，生產技術不斷進步，隨著國內LED產業的不斷成熟，LED各環節生產成本變得透明化，LED市場競爭逐步轉向價格與市場規模競爭。LED企業間的價格競爭不斷壓縮利潤空間，通過不斷提升產品的市場份額，有效降低成本成為LED市場的核心競爭力。LED的有效成本主要包括金屬基材、工程塑膠等，LED主要包括芯片、支架、封裝膠水等部分，LED支架作為LED的重要組成部分，其生產企業同樣需要降本增效來面對激烈的市場競爭。對于LED支架生產企業，降本增效的手段包括提高支架生產線的生產效率和提高LED支架的生產良率。

其中LED支架占到LED成本的25%～40%不等，改進LED支架結構，對于有效降低成本提升良率產能具有重要作用。

1 LED支架生產的工藝

LED支架是一種工程塑料和金屬的機械結合件。目前國內企業生產LED支架的工序分為：沖壓、注塑、切折。其中沖壓和切折是對金屬的沖切，注塑是將熔融的PPA/PCT(工程塑料)或者環氧樹脂與金屬結合的工藝過程（如圖1）。在一個LED支架生產周期內，沖壓和切折工序的時間相對較短，注塑的時間較長。目前用在手機、筆記本的SIDE VIEW和面板燈的TOP系列，由于顆粒小成型困難，注塑工序時間一般在20秒左右。相比于其他工序時間，注塑工序時間有一定的壓縮空間。

圖1 LED支架生產工藝

為了提高LED支架的生產效率，LED支架生產行業內提出采用通過調節注塑機的注塑參數（提高注塑模具的溫度、減少保壓時間等）來縮短注塑工序生產周期，進而有效的提升產品的生產產能的方法。雖然該方案能夠達到縮短注塑工序生產周期的效果，但是同時會帶來其他的問題，常見的問題有充填不足和金屬功能區剝離，導致LED支架產品良率下降。該方案在一定程度上能夠提高產能（如表1），但由于縮短了冷卻固話時間，膠體剝離會更加嚴重，所以本方案需要著重膠體剝離方面的改善。

表1 注塑節點表

2 LED支架剝離問題分析

通過縮短注塑工序生產周期而出現膠體剝離問題的LED支架產品，用X-RAY進行探照分析，能夠清楚的看到金屬與膠體結合存在的間隙，金屬和膠體出現剝離現象（如圖3所示）。正常情況下，LED支架作為金屬和膠體的組合結構件，其在生產過程中，溶融的膠體和金屬在模具中經過高壓保壓、冷卻后應該是緊密結合的。針對上述功能區剝離問題，本文從以下兩個方面進行分析。

圖2 LED支架剖面圖

圖3 LED支架金屬功能區剝離示意圖

2.1 注塑工序中快速開模“負壓”作用

LED支架中的注塑工序是指在常溫下膠體顆粒在注塑機中融化，經過噴射嘴注射進模具，包裹在模具中的金屬支架周圍，在經過模具保壓、冷卻后，通過模具的脫模機構的作用下使產品脫離模具的過程。整個注塑工序周期為20秒左右。采用縮短注塑工序生產周期的方案，由于縮短周期，使模具冷卻固化的時間減少。冷卻固化時間的減少會導致模具開模時膠料的溫度過高。膠料溫度還沒有達到二次結晶溫度，因此膠料還沒有完全固化，膠料較軟，單顆LED支架產品還處于不穩定狀態。

此時支架產品模具開模，模具動模在機臺滑塊的帶動下會快速打開，膠料的溫度比較高，還沒有完全固化，如圖2中所示，LED支架作為一種“碗杯式”結構，快速的開模會使產品“碗杯”產生負壓，金屬支架未能被未冷卻的膠體固定而被帶起，導致金屬支架和膠體出現剝離效應，進而使金屬支架和膠體之間存在間隙。

2.2 切折工序中模具外力作用

LED支架產品經過注塑工序后在空氣中冷卻一段時間后，立刻進入切折工序。切折工序是利用模具將膠體固定，并對金屬支架進行切斷和折彎的過程。經過切折工序將前制程的工藝補充結構切除、成型，LED支架才成為最終的成品。

切折工序是處理LED支架中金屬工藝補充結構，是將0.1～0.15mm厚的薄銅片經過模具的作用成型為具有三維結構的過程。切折工序過程中，利用模具將前面注塑在金屬上的膠體固定（模具定位），然后讓模具中活動的工件將金屬沖切、預彎、折彎。在這個過程中模具活動的工件對金屬沖切、預彎、折彎，使金屬受到外力作用，使金屬和膠體產生相對運動。也會導致金屬和膠體產生剝離效應，進而使金屬支架和膠體之間存在間隙。

通過對注塑工序和切折工序的分析，可以發現，縮短注塑工序生產周期的方案中，在注塑工序過程前期，金屬和膠體可以完好的結合。但后續工序過程中的負壓及沖切等導致LED支架的金屬和膠體產生剝離。進一步分析，這種剝離產生的本質是LED支架的金屬和膠體物理結合過程中出現外力的作用，導致金屬和膠體分離。

3 改進方案

為了解決這種由于生產工藝無法消除的因素而導致的支架金屬和膠體的剝離，本文提出三種方案，優化LED支架金屬部分的設計，抵消支架在后續工序中出現的這種外力作用，進而改善支架金屬和膠體的剝離現象。

方案一：增加阻止金屬板翹起的臺階結構。如圖2所示。支架設計改進之前，支架隔離帶處金屬與膠體平齊。在現有設計方案的基礎上采用增加阻止金屬板翹起的臺階，利用隔離帶膠體將金屬壓住，即在支架設計改進方案中，在支架隔離帶處金屬增加一個臺階，如圖4、圖5所示。使得支架部分金屬藏于膠體之下，即膠體“壓”這金屬部分結構。在出現前文所述的“外力”作用時，通過膠體與金屬之間的張拉作用抵消由于后續工序過程中的負壓及沖切等產生的“外力”。從而改善LED支架的金屬和膠體物理結合過程出現的剝離現象。

圖4 方案一剖面圖

圖5 方案一俯視圖

本方案中，改善金屬和塑料膠體剝離的效果與金屬“臺階”在金屬部分的位置有關，“臺階”的位置宜設置在金屬部分的尖端。在支架金屬部分上的“臺階”的面積越大，阻止金屬板翹起的附加作用力越大。“臺階”的位置及面積需要根據實際的支架產品進行設計驗證。

方案二：減少金屬板翹起的外力。如圖6、圖7所示。在支架設計改進方案中，在支架的金屬板中增加不同大小的孔洞，可以根據需要設計成圓形、腰形、橢圓等形狀。通過在支架金屬部分中增加孔洞，使得熔融的膠體進入空洞中，增加金屬與膠體的結合面積，使得膠體與金屬相互“糾纏”，由于膠體與金屬相互“糾纏”，增大了“抓”金屬的的作用力，抵消由于后續工序過程中的負壓及沖切等產生的“外力”。從而改善LED支架的金屬部分和塑料膠體物理結合過程中出現的剝離現象。另一方面，由于增加孔洞，減弱了金屬板面的剛性。同時上下面的塑料膠體能夠結合的更緊密，把金屬部分卡緊。在切折過程中，雖然金屬部分受到外力，但相較于原始方案，能夠改善發生金屬分布邊緣翹起導致的剝離。

圖6 方案二剖面圖

圖7 方案二俯視圖

在本方案中，孔洞的位置一般宜設置在“碗杯式”結構內部。孔洞的個數及位置需要根據實際的支架產品進行設計驗證。

方案三：將上述兩種方法結合使用,既在金屬功能區部分增設“臺階”結構，又在支架金屬功能區部分中加入空洞。雖然能夠結合兩種方案的優勢，取得更好的效果。但是對支架金屬部分的加工工藝要求更高。需要綜合考慮提高生產效率帶來的收益與增加的成本。

3.1 改進方案對比和應用分類

通過對上述三種方案對比可以得出以下結果（表2）。方案一和方案二的效果相當，但是二者在實際應用的場景各不相同，小尺寸背光由于有產品規格很小，細條形狀，無法在基材上打孔所以一般可用方案一，照明領域產品比較方正可選擇方案二或者方案三。

但是對于追求高可靠性、高信耐性的車載產品推薦使用方案三。

表2 對比分析表

4 結論

LED產業的發展越來越快，使用領域不斷拓展。高產能、高良率意味著企業的效益，是企業可持續發展的基礎，提高產能尤為重要。本文針對支架加工過程中，為了提高產能而縮短注塑工序周期，導致的支架金屬與注塑膠體剝離的現象進行詳細分析。同時根據LED支架的構造，采用增大阻止金屬翹起的外力及減少金屬翹起的“外力”兩種理念提出三種不同的LED支架結構改進方案，使得縮短注塑工序周期得以實現。

本文提出的在三種方案，對LED支架產品外觀沒有改變，不降低產品信耐性。保證了縮短注塑工序周期支架加工方案的實施。縮短了產品的周期，提高了生產設備的稼動率、保證產品的良率，進而提升產品的產能。