貼片式 LED 的發展趨勢及其應用特性研究

鄭繼雨 王偉

(1.河北聯合大學，唐山 063000;2.浙江陽光照明電器集團股份有限公司光源技術中心，上虞 312300)

1 前言

LED照明技術正處于一個迅速發展的階段，發光效率不斷改善，約每兩年單個LED封裝器件輸出的光通量將翻一番［1］，從 20世紀 80年代開始在LED生產中逐漸推廣使用表面貼裝器件，20世紀90年代這種技術得到了進一步強化，最初的貼片式LED作為低功率器件主要用于指示設備和移動電話鍵盤的照明，后來開發出的大功率貼片式LED用于汽車面板照明、剎車燈，并延伸到普通的照明設備上［2］。由于貼片式 LED產品比其他 LED產品在上游芯片端，擁有很大的亮度提升和成本下降空間，在下游應用端也擁有更大的市場需求，特別是在LED照明方面其應用潛力更大，因此它具有極大的市場發展潛力。

2 貼片式LED的市場狀況

從全球角度看，中國臺灣封裝產量占據世界60%的份額，主要企業有億光、光寶、光磊、佰鴻、宏齊等，產業上中下游分工明確，產業鏈供銷穩定，特別是封裝制造轉至大陸后生產成本較具競爭優勢，預計未來5～10年內，珠三角、長三角、福建等地區會成為世界LED封裝中心。

從大陸市場來看，國內貼片式LED市場在幾年前幾乎完全被美國、日本、韓國及臺灣地區的供應商所占領。盡管目前國外廠商仍然占據大部分的市場份額，但是自從2000年佛山市國星光電科技有限公司的貼片式LED產品投產以來，中國本土供應商便飛速成長?，F在，該行業已經有20至30家供應商，多數企業集中在廣東的深圳、東莞、廣州和佛山，少數企業分布在江蘇、浙江和福建。業內領先企業包括佛山的國星光電、廣東鴻利光電、深圳瑞豐光電、江蘇的穩潤光電和佳光電子 (表1)。

表1 臺灣和大陸主要貼片式LED企業產能對比

從產能上來看，臺灣、大陸企業的差距很大，以2009年產能報告來計算，臺灣產能相當于大陸的7倍左右，大陸今后還有很大的發展空間。

3 貼片式LED的封裝特點

貼片式LED的封裝工藝是先把熒光粉和環氧樹脂配置好，做成一個模子，然后把配好熒光粉的環氧樹脂做成一個膠餅，并將膠餅貼在芯片上，周圍再灌滿環氧樹脂，從而制成 SMD封裝的LED。例如，如圖1所示?，F在市場上比較常見的外形尺寸為50(mm) ×50(mm)的貼片式LED內部封裝有三個LED芯片，外延出六個引腳，將其焊接到PCB電路板表面上，由于是直接用導熱膠貼在散熱板表面，從而使散熱性得到了很大改善，使得可靠性大大提高，光衰也變小。對于高功率LED主要采用高導熱金屬陶瓷復合基板，它的主要特點有:

(1)高熱傳導低熱阻;

(2)熱膨脹系數匹配 (TCE:6.2);

(3)抗紫外線;

(4)耐腐蝕和黃化;

(5)符合ROHS標準;

(6)耐高溫。

圖1 5050型貼片式LED

LED封裝的熱阻對于LED芯片的壽命具有決定性的影響，特別是對大電流驅動的LED芯片，LED封裝產品的成本和散熱性能取決于封裝支架的結構，而封裝支架正向體積小、厚度薄、散熱好的方向發展，在單個貼片LED中封裝更多的LED芯片必須考慮散熱問題，而采用高導熱金屬陶瓷復合基板的大功率貼片式LED最重要的優勢就是超低熱阻，Vishay公司在2010年1月推出的新款表面貼裝白光LED，采用PLCC-4封裝，優化的引線框使熱阻低至300K/W，功率耗散高達200mW，從而使器件能夠使用高達50mA的驅動電流，使亮度達到Vishay采用PLCC-2封裝的高亮度SMD LED的兩倍［3］。超低熱阻大功率LED貼片式封裝由于其小而薄，更適于空間小的應用，這一特點給很多應用帶來極大便利。與其他的LED貼片式封裝相比較，當它維持相同的結溫時，則降低了對散熱部件的要求，當采用相同的散熱部件時，則降低了結溫，延長了LED封裝的壽命。

4 貼片LED與直插LED的比較

貼片LED是貼于線路板表面的，適合SMT加工，可回流焊，貼片式LED很好的解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，相對于其他封裝器件，它有著抗振能力強、焊點缺陷率低、高頻特性好等優點，它在更小的面積上封裝了更多的LED芯片，采用更輕的PCB和反射層材料，顯示反射層需要填充的環氧樹脂更少，通過去除較重的碳鋼材料引腳，縮小尺寸，可輕易地將產品重量減輕一半，體積和重量只有傳統插裝元件的1/10左右，采用貼片式封裝后，電子產品體積縮小40%～60%，重量減輕了60%～80%，最終使應用更趨完美。

直插式LED的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型腔內注入液態環氧樹脂，然后插入壓焊好的LED支架，放入烘箱中讓環氧樹脂固化后，將LED從模腔中脫離出即成型。由于制造工藝相對簡單、成本低，有著較高的市場占有率。

5 LED節能燈驅動技術

LED現已廣泛應用與照明產品，在設計LED驅動電路時，要了解LED的電流和電壓特性。LED主要驅動方式有電阻限流電路、開關電源驅動電路和電阻電容降壓驅動電路［4］。

電阻限流電路原理是將LED和一個電阻串聯入電路，通過改變電阻的阻值來調節整個線路的電流，這種驅動方式成本低、電路簡單，但此電路功率基本消耗在電阻上，因此效率很低，同時電流會受到輸出電壓變化的影響，從而影響到LED的性能。

開關電源驅動電路是由電路來控制開關管而進行高速的道通和截止。是將直流電轉化成高頻交流電來給變換器進行變壓，使其產生所需要的一組或多組電壓!轉化為高頻交流電的原理是高頻交流在變壓器電路中的效率要比市電50Hz或60Hz高，而且具有很好的穩流性能，功率轉換效率一般都超過90%，現階段它的不足之處是體積較大，但其正朝著體積更小、重量更輕、效率更高的方向發展，未來發展趨勢將逐步邁向芯片級。

阻容降壓驅動電路是以電容降壓、限流來實現的，這種驅動電路由于體積小、成本低、電流相對恒定等優點被廣泛應用，現在市場上的很多產品都采用阻容降壓驅動電路，但是這種驅動LED的電路存在極大的缺陷，由于電路中主要以電容降壓，造成電路的功率因數很低，只有將LED采用串聯方式并大幅增加LED的數目才能提高整個電路的效率。

圖2為貼片式LED的阻容式驅動電路原理圖，該燈使用220V電源供電，交流電經電容C1降壓后經全橋整流再通過C2濾波后經過限流電阻R3給串聯的7顆貼片LED提供恒流電源．貼片LED的額定電流為30mA，但在制作節能燈的時候要考慮很多方面的因素對貼片LED的影響，包括光衰和發熱的問題，LED的溫度對光衰和壽命影響很大，如果散熱不好很容易產生光衰，因為LED的特性是溫度升高電流就會增大，所以一般在做大功率照明時散熱的問題是最重要的，將影響到LED的穩定性，小功率一般都采取自散熱方式，所以在電路設計時電流選取到20mA。圖中 R1是電容C1的卸放電阻，它的作用是當正弦波在最大峰值時刻被切斷，電容的殘存電荷因無法釋放會長久存在，在維修時如果人體接觸到C1的金屬部分，有觸電危險，而電阻R1能夠將殘存的電荷泄放掉，從而保證人機安全。R3是限流電阻防止電壓升高和溫度升高LED的電流增大，C2是用來防止開燈時的沖擊電流對LED的損害，開燈的瞬間因為C1的存在會有一個很大的充電電流，該電流流過LED將會對LED產生損傷，加入電容C2，開燈的充電電流能夠完全被C2吸收起到了開燈防沖擊保護。電容C1的耐壓要求必須大于輸入電源電壓的峰值，在市電電路中，可以選擇耐壓為400V以上的滌綸電容或紙介質電容。

圖2 貼片式LED阻容式驅動電路原理圖

應用相同的阻容降壓驅動電路，我們做了兩種LED節能燈的對比實驗，表2是實驗測試光電色參數結果:

表2 直插式與貼片式LED節能燈的光電色參數對比

如表2，1號燈是60只 LED的節能燈，此種LED是直插式的，額定電流為20mA，接入電路后的電流為18mA。2號燈是10只貼片式LED節能燈，所用的是市面上常用的5050芯片，單顆LED中封裝有三個LED芯片。兩種燈都采用了阻容降壓的驅動方式，2號燈的功率因數只有0.372，原因就在于串聯的LED過少，以LED節能燈來說，當交流電通過電容時，電流會受到電容量的限制，當電荷布滿電容時，電流就停止了;這時電容就像一個絕緣體，我們去量電壓時就是交流電的峰值電壓，當電流恢復時電壓值就會下降，因為電表是采平均值，所以在電容兩端測出的電壓和市電差不多。其實電容在這里是起了交聯和限流的作用，所測得的電壓是虛的。電容本身消耗功率極小，只有電容內阻和通過電流的乘積。當小功率LED燈珠串聯數增加時，功率因數就相對提高，串聯的燈珠超過80顆左右的時候，就可以達到比普通熒光管節能燈還高的功率因數。所以小功率LED燈泡如果用所謂的阻容降壓整流驅動，就要足夠多的芯片或燈珠串聯才能真正節能。

6 結束語

伴隨著世界經濟的快速發展，能源短缺早已成為當今亟待解決的全球性問題，而照明消耗約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電是節約能源的重要途徑。LED節能燈作為傳統白熾燈的替代品，正在加速替代傳統光源，隨著LED封裝技術的逐漸成熟，貼片式LED的發展將成為LED光源的新亮點。其較低的功率需求、較好的驅動特性、較小的重量和體積、較快的響應速度、較高的抗震能力、較長的使用壽命、綠色環保以及不斷快速提高的發光效率等，比傳統光源有著更多的優勢，由于市場的需求和科學技術的發展，貼片式LED的光效的不斷提高，散熱問題和光學性能的改進，表面貼裝化的加速發展，都將成為LED研究的主流方向。

［1］Roland Haitz，Fred Kish，Jeff Tsao，Jeff Nelson．The Case for a NationalResearch Program on Semiconductor Lighting．Page 5.(1999)．

［2］周志敏．LED驅動電路設計與應用 ［M］．人民郵電出版社，2006．

［3］Vishay．Vishay's New Power SMD White LED ［EB/OL］．Vishay Inter-technology，Inc．2010．

［4］劉菁菁等．LED照明光源的封裝與應用 ［R］．華東師范大學．2009．

［5］鐘斌．LED焊接工藝探析 ［J］．現代顯示，2007(72):61．