LED灯丝设计关键技术探讨

颜重光

进入2014年，LED灯丝灯发展极为迅速，行情疯长。白炽灯厂、节能灯厂、LED灯厂、LED封装厂至LED支架模具厂等都纷纷进入LED灯丝和LED灯丝灯的生产。LED灯丝和灯丝灯的进入门槛不高，做像容易，弹药做好较为不容易，必须苦下功夫才能做好产品、创造名牌。

自从2008年12月，日本牛尾光源公司发明LED灯丝灯技术以来，LED灯丝灯技术在三四年中并没有长足进步。牛尾的灯丝每根只有三颗蓝色LED管芯；牛尾的灯丝用6根灯丝串成双N型，它的工作电压VF可达57.6V,每根灯丝的VF仅为9.6.因此，在设计灯丝球泡灯和蜡烛灯光源时的应用不慎方便，可能影响它进一步发展，因而迟滞了三四年。

中国的工程师咋设计新一代LED灯丝灯时，摒弃了LED光源灯板低电压 VF=3.2V、大电流IF=150~700mA的传统理念，大胆设计VF高电压（50~240V、IF小电流（10~60mA）的新概念.把单根LED灯丝设计VF=50~80V、IF=10~15mA。采用细长灯丝的设计理念，使LED灯丝应用在A60、A70、C35等玻璃泡光源中相似白炽灯，真正实现360°发光，而性能更胜白炽灯。

1 LED光源板设计新理念

传统的LED光源设计，大多遵循VF低电压，IF大电流的应用原则，采用多并少串的设计方法，VF电压仅3.2V到几十伏，IF电流从150mA到700mA。因此，光源板上电以后即刻发烫，从而影响LED灯珠的寿命，和灯珠发生早起光衰。为散热将LED光源和灯具成本居高不下，严重影响LED光源和灯具销售价格，使一般人很难采用。

LED光源板设计新理念是采用VF高电压（50~240V）、IF小电流（10~60mA）工作的新的设计技术采用多颗小功率的LED灯珠串联的方法，可以做成与大功率灯珠的同功率光源板，具有同样或较强的光效，而灯板工作时不发烫只发热，若采用简单的空气散热或塑包铝散热器即可有效的散发热量。

2 LED灯丝设计的关键技术

LED灯丝设计制造也有传统的“固晶技术”和新兴的“覆晶技术”两种不同的技术、不同的方法。这里以“固晶技术”为例叙述。

新一代的LED灯丝设计技术就是贯穿VF高电压、IF小电流的HVLEDs工作状态的创新理念。灯丝灯在连续工作数小时后，玻璃泡的温度在36°以下。

典型的LED灯丝设计在0.5*1.2*33mm的蓝宝石基体上，在蓝宝石的一面涂胶后，固晶无背镀的蓝光1016LED管芯26~30颗，用金线串联，使之成为VF=70~80VHVLEDs，在蓝宝石基条的两端覆盖银，便于通过金线连接头围的LED管芯，便于安装引脚，以方便LED灯丝的应用。

灯丝的关键技术有以下几个方面：

（1）LED灯丝的基条原则上洗完更是一个透明的载体，因此需要要采用由较好的刚度。基板透明的蓝宝石片、透明陶瓷片、高强度玻璃片和镂花透光铜支架片。遵循简约、经济的原则，和LED封装生产工艺的考量，LED灯丝布贴在蓝宝石基条上的管芯固晶只能在基条的同一面上，因此希望作为载体的基条是透明的，以便LED管芯能360°发光，整个灯丝能真正的实现360°发光，灯泡因此也能真正做到360°发光。

（2）只有采用无背镀的LED管芯才能真正实现灯丝的360°发光。现在常用的LED管芯为了增加其180°的发光效果，都是采用有背镀的管芯，只许一面出光，不准背面有光，LED管芯的背镀可以有效的提高单面出光率。然后，LED灯丝追求360°发光的效果，必须采用无背镀的LED管芯才能得到真正的通体发光效果。

（3）采用荧光粉的配比来调节LED灯丝的色温，黄色荧光粉加上不同剂量的红粉，可以调出2500 ~6500k不同色温的灯丝，以满足市场的不同需求。早期的LED灯丝是采用蓝光LED串联少量红光LED来调整LED灯丝的色温，由于红光LED的VF只有2V，狼黄LED的VF是3.2v，如此串联应对红光LED是非常不利的，而且容易早期衰老，且调色精准度很难控制。

（4）高温封排泡工艺决定LED灯丝的引出脚必须采用咬合技术。为了方便透明基条上固晶LED管芯与灯丝而呕吐引出端的连接，往往在透明基条两端涂覆银浆，便于打金线和连接引出脚。到点银浆由导电性极佳的导电介质--银粒子、粘结料--高性能热塑性树脂。溶剂--高沸点溶剂组成。导电银浆在使用时需要在130°C~150°C下烘干，再经380℃烧结，时间约16~20min或更多。银浆在高温下受热分解成还原成白色的银层。由于LED封装技术人员对玻璃泡的高温封排工艺不甚了解，对银浆高温烧结工艺了解不深，如只是简单的低温将LED灯丝两端的铜引脚低热压合粘在蓝宝石基条的两端的银浆上，很难保证其牢固连接。很多如此制造的LED灯丝点焊在芯柱上后，进入玻璃泡封排工艺时，因封口高温的炙烤，引脚与银浆发生虚脱，形成假焊，造成灯泡封泡后经运输震动后上电灯丝不亮，不良率可达10%~20%。因此建议引脚与基条连接处做成门字形，便于在生产时自动冲压咬合，牢固连接。

（5）灯丝阴交材料与应用连接。灯丝引脚的材料以铜镀镍为好。灯丝在灯泡中的应用时需将灯丝固定在灯泡内的玻璃芯柱支架上，玻璃芯柱支架上下都有预置的杜美丝，灯丝与杜美丝的连接采用点焊工艺，灯丝的铜引脚通过瞬间大电流与杜美丝熔接，这种牢固的熔接连接能接受玻璃封泡工艺的短时间高温。一些对玻璃泡封排工艺不了解的LED灯丝制造新手，将灯丝两端做成锡焊，这样当带灯丝的芯柱支架进入玻璃泡封口工序时，因高温焊锡将融化，灯丝会无法固定或虚脱。将灯丝两端打孔，用杜美思丝缠绕，也不是牢固连接的好方法，缠绕日久会因应力松弛而发生松动。

3 LED灯丝的剖析

蓝宝石基条。透明陶瓷基条透光性能能好，有一定的刚度，有一定的导热功能，因此事LED灯丝基条的首选材料。LED灯丝的蓝宝石基条的面积很小，因此可以用掏棒工艺取出蓝宝石衬底晶棒以后的蓝宝石晶坨的余料来切割LED灯丝需要的基条，由此可以大大降低蓝宝石基条的成本。蓝宝石晶坨余料的回溶浇注在方快模中在切割LED灯丝基条，可以提高蓝宝石材料的利用率。

玻璃基条透明度虽好，但本性易碎、怕震动。LED灯丝开发初期有人选用，近来为保证灯丝质量和牢度、导热性能改用蓝宝石和透明陶瓷基条增多。

镂花透光铜支片架与早期的开孔铜支架片不同，它的透光性更好，有一定的刚度，导热性优于蓝宝石、透明陶瓷和玻璃，不会碎，成本可能最低。但它的透光率低于蓝宝石和透明陶瓷、玻璃、灯丝背面的出光率不如透明基条高。

无背镀蓝色LED管芯的选用，与目标灯丝产品的电参数设置有关，灯丝灯需要高光效、较高显指。LED灯丝生产厂家的LED管芯大多是向上游LED管芯生产厂家采购。因此，选用性价比高的高亮度LED管芯也是生产优质灯丝的关键之一。当然LED管芯的集合面积也与发光亮度有关，目前使用较多的是1016、1032、1030、0926、0915等。LED管芯的几何尺寸单位是mil，如型号1023表示LED管芯为10mil*23mil（mil-inch：千分之一英寸）

4 LED灯丝的工作电压、电流设计

LED灯丝的工作电压。电流设计，遵循HVLEDs的高电压（VF）、小电流（IF）原则，设计为每根1w的灯丝，其工作电压VF在70/80V，工作电流IF在10~12mA；灯丝长度适宜在C35、A60的玻璃泡内空间，并可有极像白炽灯钨丝点亮的美感；在设计AC220V电压C35蜡烛泡时，可用四根灯丝二串二并。这样的灯丝经大批量生产验证，灯泡在点亮工作时不会产生高温而发烫，灯丝的有限热量经灯泡内的特种气体快速传导到灯泡玻璃表面而散发到周围空气中去。4w灯丝球泡灯连续点亮8小时后的灯泡温度应该不超过36℃。

灯丝灯要求必须无频闪，频闪易使人眼疲劳，有害人类的眼睛健康，还有可能有损儿童的视网膜。美国在IEEE ——PAR1789《LED照明闪烁的潜在健康影响》中规定了波动深度的限制。灯丝灯需过EMC，灯丝灯要去塑件，因此选择好的非隔离开关恒流驱动电源也是关键之一，阻容降压电源频闪厉害不能用。

灯丝的VF电压与工作电压的匹配设计，可提高灯泡的效率。

5 LED灯丝发展趋势展望

LED灯丝不仅仅是白光的，白哦光灯丝灯实际只是白炽灯的替代和补充；白光灯丝的发明主要是帮助传统的白炽灯厂转型，利用好他们的成熟的玻璃泡技术，和延续玻璃泡生产线，创造有新的生命力产品，白光灯丝灯可以满足世界上很多人对白炽灯的怀旧思念；白光灯丝灯主要用于民居的室内照明，因此性价比是决定市场容量的关键，LED灯丝必须趋向低价位，白光LED灯丝才会有海量市场。

灯丝灯另外一个市场就是商用灯饰灯丝灯，它不追求亮度，用于营造氛围，有光即可，可以设计生产A80、A100或方泡扁泡等。追去不同的造型的灯丝灯，LED灯丝因而会有很多长短不一的灯丝产品。有钢丝型的灯丝，还可以做软性的灯丝。因此，可以价高利多一些。商业LED灯丝灯将是一个新的发展趋势。

开发彩色灯丝用于商业灯饰灯丝灯也许将是LED灯丝开发的一个新热点。红黄绿橙蓝等的彩色灯丝可以自由发挥设计，用于商业照明，如餐厅、酒吧、橱窗、展厅等。营造多采光环境、多采光氛围，体现灯红酒绿，表现动态活跃的光色彩。彩色LED灯丝发光即可，不求亮度，价高利丰。制造技术又比白光LED灯丝简单，成本可能还低一点。

如今已经有了很多形形色色的LED灯丝产品，但是市场需要很多我们提供更多的产品，要按市场的需求来开发更多不同LED产品。

LED照明技术一直在不断发展、不断创新之中。LED产业技术人员一定要不断学习新技术、新工艺，用更好更新的材料，才能设计创新LED照明产品，满足不断发展的市场的需要，赢得更多的利润。

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