柔性燈絲球泡燈的研究及應(yīng)用進(jìn)展

楊 磊

（浙江億米光電科技有限公司, 浙江 嘉興 314113）

傳統(tǒng)光源如白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)舻龋姽廪D(zhuǎn)換效率較低[1-3]。2008年，發(fā)光二極管（lightemitting diode，LED）應(yīng)運(yùn)而生。相較于傳統(tǒng)光源，LED具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐漸占據(jù)了大部分原屬于白熾燈和鹵素?zé)舻氖袌?chǎng)份額[4]。根據(jù)基板材料的不同，LED燈的燈絲可分為剛性燈絲和柔性燈絲[5]，如圖1所示。剛性燈絲一般以藍(lán)寶石、陶瓷、玻璃或金屬等剛性襯底作為基板材料，因此封裝之后的剛性燈絲一般呈直條狀，造型相對(duì)簡(jiǎn)單[6]，且封裝后燈絲功率也受到限制。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中廠商通常選擇正裝芯片、焊線工藝來搭配剛性燈絲工藝，其流程較為復(fù)雜；而且藍(lán)寶石等襯底較差的導(dǎo)熱性也影響了燈絲的散熱效果。在LED中加入柔性襯底可制備出柔性燈絲，采用倒裝芯片工藝進(jìn)行封裝，利用焊料將電極與基板直接連接，散熱效果得到顯著改善。而且柔性燈絲可彎折從而形成形狀各異的造型，可實(shí)現(xiàn)360°立體發(fā)光，其在顯示、可穿戴設(shè)備和照明等領(lǐng)域引起了極大關(guān)注[7]。本文概述了柔性燈絲球泡燈的研究及應(yīng)用進(jìn)展，介紹了柔性燈絲的制備工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及最新應(yīng)用，并展望了柔性燈絲燈的未來發(fā)展方向及前景。

圖1 剛性、柔性燈絲燈Fig. 1 Rigid, flexible filament lamps

1 柔性燈絲的制備工藝

根據(jù)芯片的安裝方式不同，可將LED燈絲的制備工藝分為正裝和倒裝芯片工藝2類。正裝芯片工藝需要使用金線將2個(gè)電極連接，金線的兩端焊點(diǎn)較易脫落且金線較易斷裂，造成產(chǎn)品的良品率較低；而且正裝芯片工藝的襯底散熱性較差，最終導(dǎo)致燈絲散熱能力差、可靠性差、使用壽命較短[8]。而倒裝芯片工藝的基板與電極直接以焊料焊接的方法連接，這不僅解決了金線斷裂的問題，散熱能力也得到較大改善。如果以透明藍(lán)寶石作為出光面和襯底，就可以大大提高燈的發(fā)光效果，可實(shí)現(xiàn)360°立體發(fā)光；同時(shí)其工藝也較為簡(jiǎn)單，很適用于柔性燈絲器件的制備[9-10]。

2019年，鄭昌冉等[11]采用倒裝芯片工藝制備了螺旋柔性 LED 燈絲，利用平面涂覆技術(shù)，保持了螺旋柔性LED 燈絲的色度、亮度的均勻一致性。同年，李文博[12]采用了高導(dǎo)熱的鋁基板來提高散熱效果，并利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在鋁基板的背部均勻涂覆了石墨烯與樹脂的混合材料，從而通過此種涂覆基板成功制備了散熱性強(qiáng)、可靠性高、光學(xué)性能優(yōu)良的柔性燈絲。傳統(tǒng)的柔性燈絲制備工藝流程主要包括擴(kuò)晶、固晶、焊線、烘烤、點(diǎn)膠、烘烤、測(cè)試等步驟（見圖2）。而億米光電改進(jìn)的新型制備工藝集成并簡(jiǎn)化了上述傳統(tǒng)工藝流程[12-13]，新工藝僅包括共晶焊接和絲網(wǎng)印刷2段工藝（見圖3），生產(chǎn)效率大大提高。簡(jiǎn)化制備工藝中基板選擇、固晶方法和燈絲結(jié)構(gòu)較為重要，下面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 傳統(tǒng)柔性燈絲制備流程圖Fig. 2 Flowchart of traditional flexible filament preparation

圖3 改進(jìn)后的2段制備工藝Fig. 3 The improved two-stage preparation process

1.1 基板

剛性燈絲多采用藍(lán)寶石、陶瓷、玻璃和金屬等基板材料，但此類材料不易塑形，因而柔性燈絲需要采用柔韌且可塑形、散熱好的材料作為基板材料[5]，不僅可以豐富LED燈絲的外觀結(jié)構(gòu)，還可以達(dá)到良好的散熱效果。

1.1.1 銅箔覆合高分子薄膜基板

作為燈絲基板，銅箔基板材料具有價(jià)格低廉、可塑性好、導(dǎo)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[14]。銅箔和高分子薄膜如柔性電路板（flexible printed circuit，F(xiàn)PC）等的復(fù)合材料，是在普通銅箔基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化的復(fù)合基板材料，具備較好的可撓性。2014年，Wang等[15]首次報(bào)道了可彎曲的無機(jī)GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED，制造過程涉及轉(zhuǎn)移金屬（電鍍銅）基板的原位減薄，使其能夠承受彎曲和扭曲。銅箔和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene glycol terephthalate，PET）的復(fù)合材料可通過濺射法[16]制造，其具有較好的耐熱性、穩(wěn)定性、柔韌性和可靠性等性能，但其工藝復(fù)雜、制造成本高。Jia等[17]采用激光法制備2層柔性覆銅基板，簡(jiǎn)化了工藝，并提高了焊接接頭的粘接強(qiáng)度。林晨等[18]采用聚酰亞胺樹脂對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，研制的銅箔覆合樹脂基板的熱穩(wěn)定性和韌性都有明顯提升。

1.1.2 鋁基板

鋁基板導(dǎo)熱性能良好，易于塑形，也適合作為柔性燈絲的基板。鋁基覆銅的印制電路板（printed circuit board，PCB）基板相較于傳統(tǒng)的陶瓷基板，機(jī)械耐力更加優(yōu)良。PCB基板主要由導(dǎo)電層、絕緣層和金屬層（鋁合金等）組成。范翠紅等[19]研究了環(huán)氧樹脂等絕緣材料對(duì)PCB的導(dǎo)熱性的影響，發(fā)現(xiàn)一定量的環(huán)氧樹脂可以增加基板的韌性，但環(huán)氧樹脂的量越少，PCB的導(dǎo)熱性能越好。

1.1.3 其他基板

白云母也符合柔性基板的標(biāo)準(zhǔn)，它是一種天然的透明晶體材料，能抵御水分、光照和高溫（具有耐溫高達(dá)600 ℃的顯著耐高溫性）。2022年，Chen等[20]在高柔性、透明的云母基板上制造了一種燭光式有機(jī)發(fā)光二極管，并且發(fā)現(xiàn)涂有透明導(dǎo)體的云母襯底具有較高的曲率。

在柔性燈絲的基板選擇方面，不僅要考慮其散熱性、可靠性和柔韌性等性能，其透明度也應(yīng)受到重視，透明度對(duì)于發(fā)光效果具有重要的影響。目前，柔性燈絲LED芯片和透明封裝基板的成本占柔性燈絲燈成本的50%左右，如能找到成本更低、性能更好的此類材料，其總成本有望降低[21]。

1.2 固晶

LED器件的固晶過程對(duì)器件整體的性能和可靠性有著顯著影響。固晶系統(tǒng)、固晶工藝、固晶流程都是固晶過程中不可忽視的環(huán)節(jié)，直接影響著固晶結(jié)果。

1.2.1 固晶系統(tǒng)

固晶機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括上下料機(jī)構(gòu)、夾具、點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)、固晶平臺(tái)、擺臂機(jī)構(gòu)、找晶平臺(tái)等，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)可視化操作。其中，擺臂機(jī)構(gòu)對(duì)固晶效率和質(zhì)量影響較大。許多研究者對(duì)固晶機(jī)的擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，陳俊恒等[22]設(shè)計(jì)了輸入整形器和音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大器，把輸入整形算法嵌入到驅(qū)動(dòng)器中，在保證固晶速度的同時(shí)有效地消除了固晶臂系統(tǒng)的殘余振動(dòng)，大大提高了固晶工藝的效率和質(zhì)量。朱曉等[23]設(shè)計(jì)了多吸嘴焊頭，可以同時(shí)進(jìn)行取晶和固晶，極大地提高了固晶速度，此焊頭適用于工業(yè)生產(chǎn)。

1.2.2 固晶工藝

固晶工藝一般包括正裝工藝和倒裝工藝，根據(jù)柔性燈絲的特點(diǎn)，其選擇倒裝工藝較為合適。芯片采用倒裝涂覆工藝焊接在基板上，相對(duì)于正裝工藝，倒裝芯片的電極通過焊料直接與基板連接，不僅工藝更加簡(jiǎn)單，散熱效果也得到了良好的提升。基板與芯片上附有熒光膠層，熒光膠層包裹著芯片不僅可以起到保護(hù)芯片的作用，還可以通過調(diào)節(jié)熒光粉的配比調(diào)節(jié)燈絲的色溫。

Chen等[24]研究了固晶工藝對(duì)LED的光學(xué)性能及熱可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)芯片偏移會(huì)影響LED的出光效率和黃藍(lán)比，并且會(huì)破壞LED的空間顏色均勻性；且芯片偏移幅度越大，受到的影響越嚴(yán)重，可靠性也越低。2020年，楊寧等[25]深入研究LED倒裝固晶工藝，分別研究了點(diǎn)漿、上錫、固晶溫度、清洗助焊劑等工藝對(duì)固晶質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)漿量越少則LED的光電效率越高，以及清洗助焊劑可顯著提升光電性能。

1.2.3 固晶流程的精準(zhǔn)控制

固晶過程由自動(dòng)化設(shè)備完成，其具體流程如圖4所示。取料后使用上料機(jī)構(gòu)將基板放在夾具上，再利用點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)將錫膏點(diǎn)放在基板的對(duì)應(yīng)位置，將點(diǎn)好錫膏的基板轉(zhuǎn)移至固晶平臺(tái)。然后在找晶平臺(tái)利用擺臂機(jī)構(gòu)的吸嘴取出晶片，將晶片放置于基板表面進(jìn)行自動(dòng)固晶。固晶后檢查固晶情況，對(duì)缺少或損壞的晶片采用單一固晶方式補(bǔ)充完整。最后，使用下料機(jī)構(gòu)下料，即完成整個(gè)固晶流程。

圖4 固晶流程Fig. 4 Solidification process

1.3 結(jié)構(gòu)封裝

圖5為柔性燈絲球泡燈的結(jié)構(gòu)示意圖。柔性燈絲球泡燈由燈頭、驅(qū)動(dòng)電源、泡殼、LED燈絲4部分組成。柔性燈絲的結(jié)構(gòu)剖析圖在LED燈絲的放大圖中展示。柔性燈絲由柔性基板、倒裝芯片和熒光膠層組成。基板可采用柔韌且可塑型銅箔覆合高分子薄膜材料，可以彎折進(jìn)而塑造多種多樣的燈絲形狀，同時(shí)還承擔(dān)了芯片的散熱作用。

圖5 柔性燈絲燈結(jié)構(gòu)Fig. 5 Flexible filament lamp construction

柔性燈絲的封裝流程，涉及擴(kuò)晶、固晶、回流焊、配膠、點(diǎn)膠、烘烤和剪切等多個(gè)過程，其中配膠和點(diǎn)膠非常重要。封裝時(shí)需要根據(jù)特定需求選擇配膠與熒光粉的不同比例；點(diǎn)膠的質(zhì)量直接影響芯片與基板的連接效果。這些因素還決定著燈絲的最終光色性能（光通量、光譜、色溫、色容差、色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等），同時(shí)影響著燈絲的壽命[26]。

1.4 散熱

柔性燈絲可以制作出各種創(chuàng)意造型，受到大眾的歡迎，但也正是因?yàn)樵煨蛦栴}，燈絲的散熱效果往往受到影響。同時(shí)，燈絲燈的散熱問題影響著LED的光效、光衰、壽命等性能參數(shù)，需要找到合適的應(yīng)對(duì)方案。不同的材質(zhì)、封裝工藝和結(jié)構(gòu)對(duì)LED芯片的散熱有顯著的影響。芯片的排布方式不同，散熱效果不盡相同，例如當(dāng)芯片排布方式為斐波那契數(shù)列或等差數(shù)列時(shí)，燈絲的散熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)等間距芯片分布的燈絲。在基板材料選擇方面，可以選擇散熱性較好的材料，比如銅、鋁、樹脂等材料，既可以滿足柔韌性的要求，又可以顯著提高散熱性能。在燈絲點(diǎn)膠流程選用導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱膠，也能進(jìn)一步改善燈絲的散熱情況。

燈絲的空間分布也影響著散熱效果。王立平[13]研究了螺旋燈絲在球泡內(nèi)部的拉伸程度對(duì)燈絲內(nèi)部的氣體壓力差的影響，結(jié)果表明拉伸后的燈絲結(jié)構(gòu)具有煙囪效應(yīng)，提升了氣體流動(dòng)循環(huán)效率，顯著降低了燈絲的結(jié)溫。

2 柔性燈絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)LED燈絲的空間排布進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使 LED燈的光強(qiáng)空間分布均勻，并且有效消除暗區(qū)，保護(hù)人眼視力，符合 LED 燈照明設(shè)計(jì)要求[27]。燈絲結(jié)構(gòu)主要包括垂直型、錐型和螺旋型，可實(shí)現(xiàn)不同的外觀及照明效果。Wang等[28]研究了3種不同燈絲排列的柔性螺旋LED燈絲燈泡的熱性能和光學(xué)性能，分析了LED燈絲燈的結(jié)溫、表面溫度、光通量和發(fā)光效率，發(fā)現(xiàn)拉伸程度較大的燈絲的照明效果和散熱效果更好。

龔三三等[29]采用透明封裝基板封裝燈絲，真正實(shí)現(xiàn)了柔性燈絲燈360°全方位發(fā)光。與傳統(tǒng)的球泡燈相比，其發(fā)光效率高、顯色指數(shù)高、良品率高、體積小、結(jié)構(gòu)輕巧、成本低。黎豐橋等[30]根據(jù)燈絲燈尺寸，設(shè)計(jì)了常規(guī)、圓錐形和交叉空間3種燈絲排布方式并建立等效的發(fā)光模型，分析燈絲結(jié)構(gòu)配光曲線和照明光斑，不斷優(yōu)化燈絲結(jié)構(gòu)，最終制得的圓錐形和交叉空間排布燈絲燈具有較均勻和高效的光空間分布，并且符合能源之星認(rèn)證光學(xué)性能指標(biāo)要求，可為更加舒適的照明應(yīng)用提供思路。億米光電設(shè)計(jì)的柔性燈絲球泡燈按照泡殼類型可分為蠟燭型、ST型、G型（見圖6）。蠟燭型的燈泡燈體型較小，可設(shè)計(jì)為彩色，多個(gè)一起使用，更加增添節(jié)日氛圍，可應(yīng)用于圣誕節(jié)等節(jié)日照明。燈絲造型可設(shè)計(jì)成垂直型、螺旋型和個(gè)性化造型等外形（見圖7）。除了泡殼形狀，燈絲造型、泡殼顏色和燈絲色溫等都可進(jìn)一步進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，達(dá)到的照明效果也會(huì)不同，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制化與多樣化。

圖6 泡殼類型Fig. 6 Types of bubble shells

圖7 燈絲結(jié)構(gòu)Fig. 7 The structure of the filament

3 柔性燈絲球泡燈的最新應(yīng)用

隨著LED的發(fā)展，人因照明已經(jīng)成為目前的主要設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一。照明光源的光譜應(yīng)盡可能接近自然光譜，提升照明質(zhì)量，滿足個(gè)性化照明環(huán)境。柔性燈絲球泡燈應(yīng)光線柔和、無頻閃、降低藍(lán)光危害，并可應(yīng)用于多種場(chǎng)景。

3.1 家用照明

柔性燈絲燈具有高效率、低溫、節(jié)能和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，可以降低光源對(duì)人體視力的影響。可以設(shè)計(jì)出頻閃、眩光、顯指等參數(shù)優(yōu)良的健康照明燈，滿足全光譜要求，使柔性燈絲燈發(fā)出的光趨于自然色彩。柔性燈絲燈還可以呵護(hù)眼睛、調(diào)節(jié)作息，深受人們喜愛，將其應(yīng)用于廚房、書房、化妝間和臥室等環(huán)境都是不錯(cuò)的選擇。

3.2 個(gè)性化情景光源

柔性燈絲燈的泡殼多樣，燈絲百變，不僅實(shí)現(xiàn)照明，還可以與藝術(shù)掛鉤，注重?zé)艄庑问降脑?shī)意化、構(gòu)圖感等，追求極致的“燈光美學(xué)”。可從配光方案、控光技術(shù)、外觀材質(zhì)和環(huán)境協(xié)調(diào)性等方面，構(gòu)思設(shè)計(jì)一系列符合“見光不見燈”“見物不見光”主流照明要求的柔性燈絲球泡燈，也可以在草地上設(shè)計(jì)鳥紋燈、蒲公英等造型，貼近大自然。也可根據(jù)場(chǎng)景進(jìn)行照明光源的個(gè)性情景化定制，將其作為投光燈、線條燈、點(diǎn)光源、瓦楞燈、地焊燈、水底燈等。

3.3 圣誕裝飾燈

柔性燈絲球泡燈既可以應(yīng)用于家用照明或個(gè)性化情景照明環(huán)境，又可以從節(jié)日氛圍出發(fā)，作為設(shè)計(jì)裝飾燈，為節(jié)日增添熱鬧、浪漫等氣氛。運(yùn)用柔性LED燈絲球泡燈作為圣誕裝飾燈，還可達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、安全的效果[31]。

3.4 景觀互動(dòng)裝置

可利用柔性燈絲燈設(shè)置夜晚公共空間景觀互動(dòng)裝置，提升人們的生活追求，增添景物亮點(diǎn)，帶來耳目一新的感覺[32]。景觀互動(dòng)裝置可以作為景色的點(diǎn)綴；可以是藝術(shù)的表達(dá)，為美術(shù)館和畫廊增光添色；可以做到光效與空間完美融合，為人們帶來沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)；還可以融合當(dāng)?shù)氐臍v史、地域，反映城市特色。

4 結(jié)語(yǔ)

柔性燈絲球泡燈由燈頭、驅(qū)動(dòng)電源、泡殼、LED燈絲等部分組成，其發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、可360°立體發(fā)光且造型美觀，可以應(yīng)用于多種照明場(chǎng)景。本文從柔性燈絲球泡燈的制備工藝、燈絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)其研究進(jìn)展。柔性燈絲球泡燈優(yōu)點(diǎn)明顯，具備廣泛的市場(chǎng)前景，同時(shí)也有一些缺點(diǎn)阻礙其應(yīng)用。一方面，其造型的復(fù)雜性往往影響其散熱性能，應(yīng)進(jìn)行分析優(yōu)化；另一方面，與普通的照明電器相比，其價(jià)格相對(duì)高昂，需要簡(jiǎn)化制備工藝、降低生產(chǎn)成本。相信隨著技術(shù)的不斷革新，這些問題都會(huì)得到解決，柔性燈絲球泡燈將受到消費(fèi)者的更廣泛歡迎。