印刷反光層位置對(duì)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荆楹?519075)

1 引言

LED (Light-Emitting-Diode)，發(fā)光二極管，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。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，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。但將這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)后，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片時(shí)，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

LED初時(shí)多用作為指示燈、顯示發(fā)光二極管板等，隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，節(jié)能省電已成為當(dāng)今的趨勢(shì)。LED產(chǎn)業(yè)是近年來(lái)最受矚目的產(chǎn)業(yè)之一。LED產(chǎn)業(yè)始于20世紀(jì)70年代，90年代以來(lái)在全球范圍內(nèi)迅速崛起并高速發(fā)展。美國(guó)、日本、歐盟、中國(guó)臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，紛紛把LED作為“照亮未來(lái)的技術(shù)”，陸續(xù)啟動(dòng)固態(tài)照明計(jì)劃，欲搶先一步占領(lǐng)這一戰(zhàn)略技術(shù)制高點(diǎn)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2006年，我國(guó)LED的產(chǎn)值為140億元，2008年應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)到540億元，到2010年國(guó)內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的規(guī)模約超過(guò)1000億元，展現(xiàn)出了廣闊的開(kāi)發(fā)前景。而隨著功率型白光LED制造技術(shù)的不斷完善，其發(fā)光效率、亮度和功率都有了大幅度地提高。LED產(chǎn)品具有節(jié)能、省電、高效率、反應(yīng)時(shí)間快、壽命周期長(zhǎng)，且不含汞、環(huán)保作用好等優(yōu)點(diǎn)。

隨著社會(huì)的發(fā)展，日常生活中的照明能耗問(wèn)題日益突出。因此，具有顯著節(jié)能優(yōu)勢(shì)的LED燈具越來(lái)越受人們的青睞。LED光源廣泛應(yīng)用在各種室內(nèi)外照明中，尤其是智能網(wǎng)絡(luò)控制的路燈系統(tǒng)，各地政府都在大力推廣LED照明路燈系統(tǒng)，LED路燈的節(jié)能減排工作成效顯著。

隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步和國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，LED也逐漸從商業(yè)照明擴(kuò)展到家用照明，其中，家庭、學(xué)校、辦公場(chǎng)所的LED管燈照明的市場(chǎng)容量逐漸釋放，其需求已初見(jiàn)增長(zhǎng)的勢(shì)頭。因此，LED管燈，包括替換日光燈T5、T8管燈及支架燈，越來(lái)越受到廣大廠家的追捧。然而，由于LED發(fā)光芯片屬于點(diǎn)光源，LED發(fā)光受其發(fā)光角限制，目前LED的發(fā)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(shí)現(xiàn)廣角度照明。

2 LED管燈的介紹

近幾年來(lái)，LED管燈有逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)熒光燈管作為照明燈具的趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)熒光管燈的發(fā)光角度為360°發(fā)光，由于LED光源具有指向性發(fā)光的特點(diǎn)，直管型LED燈的發(fā)光角度一般只有120°左右，這樣會(huì)在側(cè)面及后面形成一定暗區(qū)，一定程度上會(huì)影響整體燈光效果及環(huán)境美觀度。因此，很多企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)更加均勻和完全替代的效果，將研發(fā)的重點(diǎn)放在了擴(kuò)大發(fā)光角度上。目前，已經(jīng)有企業(yè)表示，其直管型LED燈的發(fā)光角度可以做到360°的全角度發(fā)光。不過(guò)也有專家表示，所謂的全角度發(fā)光，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并不是所有的光都達(dá)到360°才叫全角度發(fā)光，而是有一定比例的光的出射角度超過(guò)320°就可以了。

3 廣角度LED管燈及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了推動(dòng)LED管燈的長(zhǎng)足進(jìn)步，廣角度發(fā)光的LED管燈成為廣大LED芯片和照明器具的生產(chǎn)廠商的研究課題。目前，據(jù)報(bào)道的廣角度發(fā)光主要是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：

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

(2)通過(guò)全透光管材料實(shí)現(xiàn)更大的出光角度，比如上光照明通過(guò)全PC管技術(shù)，透光率高達(dá)85%以上，不僅實(shí)現(xiàn)了更均勻的出光效果，也使得發(fā)光角度增大，燈管的表面發(fā)光角度達(dá)到300°。而上舜照明的T8燈管采用全玻璃材質(zhì)，擴(kuò)大出光角度，再加上獨(dú)特的設(shè)計(jì)可以達(dá)到360°的出光角度。

本文撇開(kāi)LED芯片設(shè)計(jì)，單獨(dú)就廣角度LED管燈的照明器具展開(kāi)研究。筆者認(rèn)為從管燈的照明結(jié)構(gòu)而言，其實(shí)用結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求：

(1)突破基板的單面發(fā)光限制

傳統(tǒng)的LED管燈之所以不能實(shí)現(xiàn)廣角度發(fā)光，除其芯片及封裝帶來(lái)的本身固有發(fā)光角的影響外，對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)廣角度發(fā)光的根本限制。

(2)反射式倒置，避免眩光

LED屬于發(fā)光強(qiáng)度超強(qiáng)的光源，一般LED燈具采用磨砂的燈罩進(jìn)行防眩光處理，但這樣必然會(huì)造成相當(dāng)?shù)墓鈸p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(shí)對(duì)燈管成本節(jié)約大有好處。因此，必須采用倒置式芯片結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)上部的全反射進(jìn)行光線投射。

因此，我們可以通過(guò)在透光材料，比如玻璃或PC、PE等塑料中。絲網(wǎng)印刷形成LED光源所需要的電路，其LED光源的主發(fā)光面向上，再通過(guò)設(shè)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(lái)，再投射下去，就能同時(shí)滿足上面的兩個(gè)條件。圖1為廣角度LED管燈的一種結(jié)構(gòu)模型。

由圖1可知，廣角度發(fā)光燈管為透光性材料，其分為3個(gè)印刷體，半圓截面的為印刷體1，半圓截面和弧面對(duì)應(yīng)圓周角100°之間圓臺(tái)為印刷體2，剩下的為印刷體3。為了能廣角度發(fā)光，必須采取絲網(wǎng)印刷方式形成電路，以避免電路基板的遮光。為了能進(jìn)一步降低目前價(jià)格已經(jīng)相對(duì)市場(chǎng)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(duì)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(yán)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(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)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(gè)在2印刷體上的配合面B，平面B可以用來(lái)印刷反光粉，以形成對(duì)A上的LED芯片發(fā)出的光進(jìn)行反射。為了深入研究各種印刷平面對(duì)廣角度LED管燈的照明效果的影響，我們?cè)诨∶鎸?duì)應(yīng)圓周角為100°處進(jìn)行了分層結(jié)構(gòu)，為了更清楚其分層結(jié)構(gòu)，圖2給出了其分立結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可知，這樣燈管分為三部分，一共4個(gè)面，除了在1印刷體A面上進(jìn)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(duì)應(yīng)凸起位置騰出空間，在2印刷體的B面上對(duì)應(yīng)LED燈珠封裝凸起的地方上，設(shè)置有對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的印刷面為B-D。

表1 分層印刷工藝試驗(yàn)方案

反光粉筆者選用的是折射率為2.2±0.1的濟(jì)南格瑞特新材料有限公司生產(chǎn)的高折射率Nd2.2玻璃反光粉，配置得到絲網(wǎng)印刷所用的反光粉漿料，其粒徑為10～50um?？紤]到B面印刷時(shí)，由于與A面封接LED燈珠后對(duì)應(yīng)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(kāi)關(guān)用低溫固化導(dǎo)電銀漿的研究及應(yīng)用》和黃富春[2]等人的研究《低溫固化銀漿導(dǎo)電性能的研究》表明，固化溫度對(duì)銀漿導(dǎo)電率的影響，導(dǎo)電銀漿以聚氨酯為樹(shù)脂粘結(jié)相，固化溫度高，其導(dǎo)電率下降明顯。銀粉量對(duì)電阻率影響很大，隨著銀含量的增加，導(dǎo)電銀漿的電阻率迅速減小，銀粉含量增加對(duì)提高銀漿導(dǎo)電性能有利。但當(dāng)銀粉含量進(jìn)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(shù)脂粘結(jié)相所占比例過(guò)小，導(dǎo)致不能完全包裹銀粉，容易產(chǎn)生銀粉的二次團(tuán)聚。同時(shí)，漿料流平性、硬度、附著力等機(jī)械性能也較差，無(wú)實(shí)用價(jià)值。因此，銀粉含量控制在60%左右比較合適。結(jié)合甘衛(wèi)平[3]的研究結(jié)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(dǎo)電介質(zhì)，添加低熔點(diǎn)玻璃粉(主成分為 PbO、SiO2、Al2O3)，兩者粉末添加質(zhì)量比為7.5：2.5；以松油醇為溶劑，添加無(wú)水乙醇和氫化蓖麻油作為表面活性劑，粉料與三種有機(jī)溶液的質(zhì)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L(zhǎng)ED燈珠兩兩并聯(lián)后再兩兩串聯(lián)，最后為三組進(jìn)行并聯(lián)的電路形式，絲網(wǎng)印刷圖案如圖3所示。圖3中的小方框?yàn)長(zhǎng)ED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(shí)驗(yàn)中我們選擇統(tǒng)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(wǎng)圖案

4.4 分層印刷工藝研究

印刷好的銀漿電路需經(jīng)過(guò)150℃的熱處理，形成導(dǎo)電線路，之后在其上封接LED燈珠。印刷好的反光粉面需過(guò)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(duì)應(yīng)1-2進(jìn)行A-B面貼合，2-3進(jìn)行C-D面貼合。用硅膠進(jìn)行粘合，經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)管燈架上，相同條件下進(jìn)行通電照明發(fā)光，測(cè)試其配光效果。表2給出了本文的主要工藝參數(shù)。

表2 廣角度LED管燈的工藝控制參數(shù)

5 結(jié)果分析

根據(jù)所測(cè)得的配光數(shù)據(jù)，可以得到如圖4所示的三組配光曲線對(duì)比圖。

從圖4的配光曲線可以清晰的看出，在B進(jìn)行反光粉印刷的方案1對(duì)應(yīng)的配光曲線中，發(fā)光角度明顯比另外兩種方案的小。因?yàn)樵诎雸A的位置上，LED燈珠發(fā)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(lái)，其肯定不能實(shí)現(xiàn)廣角度發(fā)光照明效果。同時(shí)，從方案1的配光曲線分析得知，其在80～100°的范圍內(nèi)有明顯的光照峰值，其是因?yàn)锳-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(jī)制，導(dǎo)致了如圖4所示的中心為88°方向上的兩個(gè)明顯的光照峰。進(jìn)一步分析得知，方案1曲線的光照面較其他兩種方案小。

對(duì)比在C或D面上進(jìn)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(duì)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(yōu)，其LED燈管能實(shí)現(xiàn)330°的廣角度發(fā)光照明。同時(shí)，其光照效果較為均勻、無(wú)眩光。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廣角度發(fā)光照明的LED管燈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，得到了分層印刷管燈的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型為半圓截面上印刷LED發(fā)光銀漿線路，分三種方案進(jìn)行反光粉印刷，并進(jìn)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(jìn)行了配光曲線測(cè)試。分析得知，在弧面對(duì)應(yīng)圓周角100°的印刷體2上的C面進(jìn)行反光粉印刷，其效果最佳，能實(shí)現(xiàn)330°的廣角度發(fā)光；印刷體3上的D面進(jìn)行反光粉印刷，其效果相當(dāng)，能實(shí)現(xiàn)320°的廣角度發(fā)光，這兩種方案的LED管燈光照均勻、無(wú)眩光、光效高。

本文只是揭示了一種廣角度發(fā)光照明的LED管燈的結(jié)構(gòu)形式，為其光照實(shí)際效果的可行性奠定了基礎(chǔ)，為各種后續(xù)研究和類似結(jié)構(gòu)燈具的發(fā)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(kāi)關(guān)用低溫固化導(dǎo)電銀漿的研究及應(yīng)用[J].涂料工業(yè),2012,42(5)：68-71.

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

[3]甘衛(wèi)平,劉妍.低溫?zé)Y(jié)型銀漿料對(duì)半導(dǎo)體芯片貼裝性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2008,18(3)：476-482.

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