以發(fā)光二極管(LED)為光源的照明器具憑借功耗低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)逐漸開(kāi)始在市場(chǎng)上滲透。率先推出低價(jià)LED燈泡的廠商是夏普。夏普以實(shí)際售價(jià)不到4000日元的低價(jià)格為賣點(diǎn)進(jìn)軍LED燈泡市場(chǎng)。這一價(jià)格的設(shè)定非常具有沖擊力，約為當(dāng)時(shí)LED燈泡市售價(jià)格的一半。東芝照明(Toshiba Lighting)迅速做出反應(yīng)，于夏普產(chǎn)品發(fā)布的11天之后，發(fā)布了與夏普的新型低價(jià)LED燈泡產(chǎn)品*1、*2。
圖1：低價(jià)LED燈泡
東芝照明與夏普陸續(xù)上市了價(jià)格約為以往一半，即零售價(jià)不到4000日元的普通燈泡型LED照明(LED燈泡)。為了防止發(fā)光效率下降、壽命縮短，LED的散熱非常重要。因此，LED燈泡的下半部分為鋁合金鑄件制造的散熱器
燈泡的下半部為散熱部件
低價(jià)格化并不意味著LED燈泡可以拋棄功耗低、壽命長(zhǎng)等特有的優(yōu)點(diǎn)。而且，產(chǎn)品要想立足于市場(chǎng)，還需要具有較高的散熱能力。
LED燈泡發(fā)出的光線中紅外線成分少。因此，與白熾燈泡、燈泡型熒光燈相比，光線照射部分升溫較慢*3。但LED自身會(huì)發(fā)熱，所以散熱對(duì)策不可缺少。一旦超過(guò)LED芯片的容許溫度，LED的發(fā)光效率就會(huì)下降，對(duì)燈泡的壽命也會(huì)產(chǎn)生不良影響。
從外部來(lái)看，LED燈泡的特征可以說(shuō)是提高了散熱性的結(jié)果。從側(cè)面看LED燈泡，整體下側(cè)的一半以上為散熱器(圖1)。東芝照明、夏普都采用了鋁合金鑄件制造的散熱器。
比較二者的散熱器，除顏色外，形狀差異也非常明顯。在高度方面雖然夏普產(chǎn)品稍微多些，但散熱器溝道面積則是東芝照明的較大。東芝照明產(chǎn)品的溝道深度從下到上逐漸遞增，而夏普的則是上下基本等高。
散熱器的表面積越大，散熱性能越高。在外形尺寸有限的情況下，加大溝道深度是增加表面積的方法之一，但隨著溝道深度的增加，電源電路底板、樹(shù)脂殼等的內(nèi)部安裝空間會(huì)隨之減少*4。
東芝照明的散熱器內(nèi)部空間為圓柱形，夏普產(chǎn)品則為接近外形的圓錐形(圖2)。樹(shù)脂殼在保持絕緣性的同時(shí)，把電源電路底板安裝在燈泡殼體上。
圖2：LED燈泡的主要結(jié)構(gòu)
東芝照明LED燈泡散熱器(外殼)的圓筒側(cè)面有16片直角三角形溝道，上覆圓板。上面直接固定LED基片。電源電路底板固定在杯狀樹(shù)脂殼中，從散熱器下方插入。另一方面，夏普LED燈泡的散熱器呈有錐度的圓筒形狀，表面安裝有60片高度不到幾mm的葉片。LED基片固定在散熱器上方覆蓋的圓板狀金屬板上。電源電路底板固定在散熱器上方插入的圓錐形(但側(cè)面大部分鏤空)樹(shù)脂殼A中。(點(diǎn)擊放大)
LED芯片是LED燈泡的最大熱源，在燈泡中是把復(fù)數(shù)個(gè)LED芯片封裝在一起，然后安裝在鋁合金制成的基片上的。這種鋁合金的LED基片被固定在散熱器的上部。夏普的產(chǎn)品中，LED基片與散熱器之間還夾有金屬板。
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本文將結(jié)合東芝照明產(chǎn)品及夏普產(chǎn)品的LED燈泡拆解圖，詳細(xì)介紹其內(nèi)部構(gòu)造。
散熱器連接構(gòu)造各不相同
擴(kuò)散LED光線的半球狀部分被稱為“球形燈罩”。東芝照明的球形燈罩為聚碳酸酯制，利用粘合劑固定于散熱器上方的4個(gè)位置。而普通燈泡的球形燈罩一般為玻璃制造。這是因?yàn)長(zhǎng)ED光線不容易發(fā)熱，所以能夠采用樹(shù)脂。而且，采用樹(shù)脂之后，在燈泡掉落時(shí)也不易破裂，安全性由此提高。
球形燈罩下方配置的是LED基片。在東芝照明的產(chǎn)品中，6.9W(白色、總光通量565lm)額定功耗的產(chǎn)品中，LED基片上的LED封裝數(shù)量為7個(gè)(圖3)*5。
圖3：東芝照明LED燈泡的上部
LED基片背面與散熱器(外殼)上表面接觸，直接利用2顆螺絲固定。
東芝照明的LED基片上安裝有連接電源電路線的連接器。連接器是無(wú)需焊接的產(chǎn)品，估計(jì)是優(yōu)先考慮了組裝的簡(jiǎn)易性。附帶一提的是，東芝照明的LED燈泡是在日本國(guó)內(nèi)工廠組裝的。
LED基片由2顆螺絲固定，拆下基片后可以看到散熱器的上表面。這一部分利用機(jī)械加工進(jìn)行了平坦化處理，只需對(duì)LED基片進(jìn)行螺絲固定即可與基片背面充分貼合從而獲得導(dǎo)熱性能。
夏普的LED燈泡的球形燈罩為玻璃制造*6。7.5W(日光色、總光通量560lm)額定功耗產(chǎn)品的LED基片上配備了6個(gè)LED封裝(圖4)。電源電路底板之間的布線采用焊接方式連接。
圖4：夏普LED燈泡的上部
LED基片利用3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂有導(dǎo)熱油。另外，與電源電路底板的布線進(jìn)行了焊接。
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LED基片通過(guò)3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂布了導(dǎo)熱硅脂(Grease)。固定LED基片的不是鋁合金鑄件制造的散熱器，而是另外的金屬板。材質(zhì)雖然為鋁合金，但表面看不出機(jī)械加工痕跡。用這種金屬板固定LED基片，兩者的貼合性能有可能不夠充分，所以需要使用導(dǎo)熱硅脂。
金屬板利用3顆螺絲(不是固定LED基片的螺絲)被固定在散熱器上。取下金屬板可以看到，散熱器內(nèi)部充滿了黑色樹(shù)脂(圖5)*7。估計(jì)這些樹(shù)脂是促進(jìn)導(dǎo)熱的填充材料，但這些樹(shù)脂與金屬板的背面并未接觸，所以推測(cè)其主要目的是向散熱器傳導(dǎo)電源電路底板的熱量，而不是LED封裝發(fā)出的熱量。
圖5：夏普LED燈泡的內(nèi)部
金屬板利用3顆螺絲固定在散熱器(外殼)上。散熱器內(nèi)部充滿了填充材料，但是與金屬板背面不接觸，熱量只能通過(guò)金屬板與散熱器的接觸部分傳導(dǎo)。另外，二者之間配置有O環(huán)，確保了氣密性。
散熱器與金屬板的接觸部分呈環(huán)狀，面積并不算大。金屬板背面的接觸部分有整圈的凸緣，不僅組裝時(shí)容易定位，而且略微擴(kuò)大了接觸面積。另外，金屬板的外沿裸露于燈泡的外部，成為燈泡設(shè)計(jì)上的點(diǎn)綴。
配置于金屬板與散熱器接觸部分周邊的O形環(huán)用途不詳。如果是為了保持氣密性，那么該環(huán)的作用應(yīng)該是防止液體樹(shù)脂填充后的材料外漏，防止從外部進(jìn)水。促進(jìn)熱量從金屬板向散熱器傳導(dǎo)也是可以想象得到的目的之一。
電源電路尺寸明顯不同
散熱器內(nèi)部安裝了電源電路底板和樹(shù)脂殼。圖6是取下東芝照明的LED燈泡下方金屬蓋之后的情形。電源電路底板插在用1顆螺絲固定在散熱器上的樹(shù)脂殼中。
圖6：東芝照明LED燈泡的下部
電源電路底板插在樹(shù)脂殼中。樹(shù)脂殼利用1顆螺絲固定在散熱器上。
電源電路底板為長(zhǎng)方形酚醛紙底板，樹(shù)脂殼基本接近圓筒形(圖7)。底板與散熱器之間配置了樹(shù)脂殼，保證了二者之間的絕緣性。
圖7：東芝照明LED燈泡的樹(shù)脂殼與電源電路底板
樹(shù)脂殼僅在金屬蓋一側(cè)(圖中右側(cè))有開(kāi)放部位，保證了電源電路底板與散熱器的絕緣性。電源電路底板呈長(zhǎng)方形，通過(guò)連接器與LED底板相接。
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圖8是夏普的LED燈泡散熱器截面。因?yàn)樘畛洳牧蠄?jiān)硬，從上方清除需要花費(fèi)大量時(shí)間，因此直接剖開(kāi)了散熱器。
圖8：夏普LED燈泡的截面散熱器內(nèi)部充滿了致密的填充材料，電源電路底板和樹(shù)脂殼被完全覆蓋。
剖開(kāi)散熱器后，隨著逐步剝離填充材料，電源電路底板和支撐該底板的樹(shù)脂殼(以下，樹(shù)脂殼A)的形狀逐漸顯現(xiàn)了出來(lái)(圖9)。電源電路底板形似板羽球拍，尺寸與散熱器內(nèi)徑基本相同。
圖9：夏普LED燈泡的電源電路底板清除填充材料后，電源電路底板上安裝的部件呈現(xiàn)在眼前。電源電路底板呈“板羽球拍”形狀，延伸至最下方的樹(shù)脂殼A(安裝金屬蓋用)中。
夏普的電源電路底板為環(huán)氧玻璃制造，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于東芝照明的底板。這是由于底板尺寸導(dǎo)致散熱器溝道高度受限？還是為了在有限的空間中，為了達(dá)到成本和發(fā)熱量的最優(yōu)平衡而決定的電源電路的部件和底板尺寸？這些問(wèn)題未能得到答案。但總而言之，電源電路底板產(chǎn)生的熱量需要傳導(dǎo)至散熱器。夏普表示，“為了在日后實(shí)現(xiàn)對(duì)E17和E11等小型燈座的支持，目前正在探討底板的小型化”。
樹(shù)脂殼A為僅保留了圓筒形上端和下端的環(huán)狀而切割下來(lái)的一側(cè)。配備電源電路部件的另一側(cè)有較大開(kāi)口，便于向散熱器傳導(dǎo)熱量。
LED燈泡的組裝步驟推測(cè)如下：
東芝照明的工序?yàn)椋?br />
①在散熱器上固定樹(shù)脂殼(1處螺絲固定)；
②插入電源電路底板；
③安裝金屬蓋(包括連接布線)；
④固定LED基片(2處螺絲固定)；
⑤利用連接器連接布線；
⑥連接球形燈罩。
夏普的工序?yàn)椋?br />
①在散熱器上固定樹(shù)脂殼B；(3處螺絲固定)；
②在散熱器中插入樹(shù)脂殼A；
③在樹(shù)脂殼A中插入電源電路底板；
④安裝金屬蓋(包括連接布線)；
⑤注入填充材料；
⑥配置O環(huán)；
⑦固定金屬板(3處螺絲固定)；
⑧固定LED基片(3處螺絲固定)；
⑨布線焊接；
⑩連接球形燈罩。
與東芝照明以散熱器為中心，沿上下兩個(gè)方向安裝部件不同，夏普采用的是從下到上逐步安裝的方式。
夏普雖然工序較多，但是在中國(guó)的工廠制造的，所以工序雖多仍然可行。而東芝照明是在日本國(guó)內(nèi)工廠組裝的，所以從成本上考慮也更需要削減部件數(shù)量和組裝工時(shí)。
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變更散熱方式實(shí)現(xiàn)低成本
正如文章開(kāi)頭介紹的那樣，在夏普發(fā)表的刺激下，東芝照明通過(guò)變更原有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低價(jià)格化。原有產(chǎn)品2009年8月已經(jīng)可以購(gòu)買到，為了確認(rèn)設(shè)計(jì)上的變更內(nèi)容，拆解組對(duì)原有產(chǎn)品也進(jìn)行了拆解*8。
外觀差異僅在于散熱器上方(與球形燈罩之間)的銀色裝飾環(huán)(圖10)。因?yàn)殂y色裝飾環(huán)對(duì)提高散熱性、提高發(fā)光效率沒(méi)有任何幫助，所以新產(chǎn)品省略了該環(huán)。雖然散熱器的模具需要隨之修改，但考慮到幾十萬(wàn)的產(chǎn)量，省略裝飾環(huán)更有益于降低成本。
外觀差異僅在于散熱器上方(與球形燈罩之間)的銀色裝飾環(huán)(圖10)。因?yàn)殂y色裝飾環(huán)對(duì)提高散熱性、提高發(fā)光效率沒(méi)有任何幫助，所以新產(chǎn)品省略了該環(huán)。雖然散熱器的模具需要隨之修改，但考慮到幾十萬(wàn)的產(chǎn)量，省略裝飾環(huán)更有益于降低成本。
圖11：東芝照明LED燈泡(原有產(chǎn)品)的下部為了使電源電路底板的熱量高效傳導(dǎo)至散熱器，底板背面與散熱器之間充滿了填充材料。
從散熱器中拔出樹(shù)脂殼可以看到，原有產(chǎn)品的樹(shù)脂殼長(zhǎng)度短于新產(chǎn)品(圖12)。而且，樹(shù)脂殼的側(cè)面還有新產(chǎn)品中沒(méi)有的開(kāi)放部位。其目的是使殼中的填充材料與散熱器相接觸。
圖12：東芝照明LED燈泡(原有產(chǎn)品)的樹(shù)脂殼與電源電路底板樹(shù)脂殼上有開(kāi)放部位，可供填充材料與散熱器的內(nèi)面接觸。
新產(chǎn)品為什么無(wú)需填充材料呢？關(guān)于這一點(diǎn)，東芝照明的回答是：①原有產(chǎn)品使用6芯片并聯(lián)的LED封裝，而新產(chǎn)品改為了3芯片串聯(lián)；②電源電路的輸出電流減小，發(fā)熱量也隨之降低；所以新產(chǎn)品無(wú)需再利用填充材料傳導(dǎo)電源電路底板熱量。放大觀察LED封裝的確可以看到芯片數(shù)量上的差異。節(jié)省填充材料注入工序，組裝成本也可以相應(yīng)降低。
東芝還表示，電源電路底板的變更也有助于降低成本。新產(chǎn)品采用了酚醛紙底板，而原有產(chǎn)品采用的是環(huán)氧玻璃底板。按照熟悉電子電路的技術(shù)人員的說(shuō)法：“底板的成本雖說(shuō)與產(chǎn)量也有關(guān)系，但光是此項(xiàng)改變底板就可以從300～500日元降低到約50日元”。
實(shí)際取出底板查看，原有產(chǎn)品確實(shí)為環(huán)氧玻璃底板。與新產(chǎn)品的酚醛紙底板相比，酚醛紙底板的布線僅為單面，而環(huán)氧玻璃底板為兩面，因此，原有產(chǎn)品的底板較小。也就是說(shuō)，新產(chǎn)品為采用酚醛紙而擴(kuò)大了底板面積，容納底板的樹(shù)脂殼也不得不增大。
這一設(shè)計(jì)變更需要修改散熱器模具，這是成本增加的因素。但東芝表示：“通過(guò)變更設(shè)計(jì)，散熱器使用的材料量會(huì)略微減少。綜合來(lái)看，重新開(kāi)模仍然能降低成本”。
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散熱器使用陶瓷
斯坦利電氣同樣是新步入LED燈泡市場(chǎng)的公司之一。在汽車照明領(lǐng)域業(yè)績(jī)卓著的該公司計(jì)劃從2009年9月開(kāi)始量產(chǎn)LED燈泡*9。因?yàn)椴鸾鈺r(shí)該公司的量產(chǎn)尚未開(kāi)始，所以拆解組未能對(duì)實(shí)物進(jìn)行拆解，在此對(duì)采訪中獲悉的散熱方式的改進(jìn)加以介紹。
圖13：斯坦利電氣LED燈泡
斯坦利電氣LED燈泡通過(guò)采用高散熱性的陶瓷，散熱器(外殼)可以縮小，除上方外，還可以照亮周圍。
斯坦利電氣的LED燈泡的最大特點(diǎn)在于散熱器材料為陶瓷(圖13)。因?yàn)樘沾上蚩諝獾膶?dǎo)熱率高于東芝照明和夏普采用的鋁合金，因此散熱器面積可以縮小。
不過(guò)，從成本來(lái)看，鋁合金鑄件的成本要低，許多廠商也因此放棄了陶瓷。但斯坦利電氣卻發(fā)現(xiàn)了縮小散熱器后帶來(lái)的巨大好處：可以實(shí)現(xiàn)全方位發(fā)光。
圖14：斯坦利電氣LED燈泡的截面想像圖
由于LED基片與散熱器的接觸部分無(wú)法充分傳導(dǎo)熱量，因此內(nèi)部填充了連接二者的填充材料。
現(xiàn)在，采用鋁合金制散熱器的LED燈泡必須把LED設(shè)置在接近頂端的位置。因此，光線很難在金屬蓋附近沿橫向發(fā)散。無(wú)法像白熾燈泡一樣應(yīng)用于金屬蓋橫向附近有反射板的照明器具、以及燈泡設(shè)置位置偏低且需要全方位發(fā)光的落地?zé)?。而采用陶瓷散熱器后，LED的設(shè)置位置可以靠近金屬蓋，從而滿足上述用途的需求，替換白熾燈泡的難度也隨之降低。
斯坦利電氣的鋁合金制LED基片向散熱器導(dǎo)熱的方式也進(jìn)行了改進(jìn)(圖14)。LED基片由陶瓷散熱器內(nèi)側(cè)的凸緣頂端支撐。由于其接觸面積較小，因此依靠接觸無(wú)法獲得充分的熱量傳導(dǎo)。而且，陶瓷表面向空氣的導(dǎo)熱率雖高，但陶瓷內(nèi)部的導(dǎo)熱率偏低，這也會(huì)影響導(dǎo)熱效果。
為此，該公司向散熱器內(nèi)部填充了高導(dǎo)熱率的硅類填充材料，使LED基片的背面也與填充材料實(shí)現(xiàn)了接觸。這一改進(jìn)打通了LED基片經(jīng)由填充材料向陶瓷散熱器高效傳導(dǎo)熱量的途徑。為了使填充材料與LED底板的背面緊密接觸，組裝方法也相應(yīng)進(jìn)行了改進(jìn)。
由于生產(chǎn)準(zhǔn)備過(guò)程花費(fèi)了大量時(shí)間，斯坦利電氣未能如期投產(chǎn)。成本雖然在決定投產(chǎn)時(shí)已經(jīng)達(dá)到了最佳平衡點(diǎn)，但要實(shí)現(xiàn)低價(jià)LED燈泡的成本還是花費(fèi)了時(shí)間。
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提高LED封裝的散熱性
上面介紹的3家公司都為提高LED基片向散熱器導(dǎo)熱的效率而對(duì)LED的散熱方式進(jìn)行了改進(jìn)。其共同點(diǎn)在于基片采用了鋁合金板與布線圖案之間夾有絕緣層的金屬底板。為有利于LED芯片向底板安裝部位導(dǎo)熱而采取的措施沒(méi)有太大差異。
今后，為了實(shí)現(xiàn)亮度相當(dāng)于100W白熾燈泡的LED燈泡，還需要與此不同的提高散熱的對(duì)策。新型LED封裝就是對(duì)策之一。
日本鎢(Nippon Tungsten)開(kāi)發(fā)出了由鍍銀的銅引線框架與陶瓷外殼組合而成的LED封裝(圖15)。該封裝將作為未安裝LED芯片的芯片底板供應(yīng)廠商。
圖15：由鍍銀的銅引線框架與陶瓷外殼組合而成的LED封裝
日本鎢提供的LED封裝銅板鍍銀的引線框架固定在價(jià)格較低的陶瓷外殼上。熱量主要通過(guò)引線框架向散熱器傳導(dǎo)。
過(guò)去曾經(jīng)有過(guò)采用高導(dǎo)熱性氮化鋁材料作為L(zhǎng)ED封裝外殼的產(chǎn)品。LED的熱量可以借助外殼傳導(dǎo)至封裝底板。雖然該外殼能夠憑借導(dǎo)熱性和耐熱性優(yōu)于樹(shù)脂外殼的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高功率LED封裝，但成本昂貴。
與之相比，日本鎢的芯片封裝底板采用銅引線框架作為導(dǎo)熱路徑，而非LED封裝外殼。外殼采用了導(dǎo)熱性差，但耐熱性優(yōu)秀的廉價(jià)陶瓷。從而使成本降低到了原有陶瓷LED封裝的一半。
這種封裝的結(jié)構(gòu)雖然非常簡(jiǎn)單，但銅的熔點(diǎn)低，難以與陶瓷組合。為此，該公司自行開(kāi)發(fā)出了能夠以低于銅熔點(diǎn)的溫度燒制、與銅結(jié)合性強(qiáng)的陶瓷。通過(guò)改進(jìn)燒制時(shí)的溫度控制和固定方法，成功開(kāi)發(fā)出了電極(引線框架頂端之間)間隔小于70μm的高精度芯片底板(圖16)。現(xiàn)已開(kāi)始樣品供應(yīng)。
圖16：日本鎢的LED封裝試制品與導(dǎo)熱分析的結(jié)果
該公司開(kāi)發(fā)出了能夠以低于銅熔點(diǎn)的溫度燒制，且與銅接合能力較高的陶瓷。試制品可以安裝10個(gè)LED芯片，導(dǎo)熱性能良好，LED芯片與引線框架的溫度差約為2℃。在導(dǎo)熱分析中，越接近紅色表示溫度越高。
電氣化學(xué)工業(yè)的“電氣化AGSP底板”也是提高LED封裝散熱性的手段之一。該公司利用大和工業(yè)(總部：長(zhǎng)野縣岡谷市)開(kāi)發(fā)的技術(shù)，制造出了任意形狀的銅柱貫穿于任意位置的底板。如果把該底板作為L(zhǎng)ED封裝外殼的一部分使用，就可以借助銅柱與LED芯片的接觸，向散熱器傳導(dǎo)熱量。雖然在成本方面仍有需要解決的課題，但新型封裝的采用在今后完全有望擴(kuò)大。
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