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        LED燈絲燈關鍵工藝技術研究與展望

        2020-11-29 00:42:10陳慶軍
        中國新技術新產品 2020年9期
        關鍵詞:工藝

        陳慶軍

        (科特亞照明(上海)有限公司,上海 200233)

        0 前言

        LED 燈絲燈因其高光效、節(jié)能、發(fā)光角度近360°、配光曲線較理想,在照明領域得到快速發(fā)展,但同時也暴露出了很多問題,工藝不成熟、早期失效、光衰較大、客戶投訴抱怨多成為亟需解決的問題。該文著重從材料、結構、工藝、設計方面來解決上述問題。

        目前,LED 燈絲燈存在3 個問題。1)整燈在老化時出現(xiàn)翹曲變形。原因主要有3 點。①工藝難、散熱差、易破損。②結構、性能、價格待改善。③功率小、散熱差。2)價格高。原因主要有3 點。①配套材料增加了產品的成本。②LED 燈絲成本過高。③LED 燈絲燈封裝較講究,功率散熱有局限。3)市場小、推廣難。原因主要有2 點。①價格高導致推廣難。②LED 燈絲燈缺少新賣點。

        1 LED燈絲燈的結構

        1.1 LED燈絲條光源模組

        LED 燈絲條是將LED 芯片通過正裝或倒裝技術,固晶在藍寶石或半透明陶瓷等基體上,將芯片根據需要串接起來,大約24LEDs ~32LEDs,再將熒光粉用膠水對其進行包裹(半包/全包)等構成。整個燈條光源模組長度約32 m,寬度約1.2 mm,厚度約0.6 mm,功率約1 W~1.5 W。

        1.2 驅動電源

        現(xiàn)在主流的電源主要分為隔離、非隔離以及阻容3 種。一般低端的主要使用阻容方式,中高端則采用線性非隔離和開關電流隔離方式。

        主流的C35 的蠟燭燈和A60 的球泡燈多采用串關聯(lián)方式。每根燈條Vin 約75VDC,VLED10 mA~15 mA。C35 多采用串聯(lián)(2 串)或二串二并,A60 則多采用二串三并或1.5 W 二串并聯(lián)。

        1.3 玻璃主體、燈頭部件、導熱氣體

        1.3.1 玻璃主體部分(玻殼、芯柱)

        LED 玻璃殼體主要起保護作用,構成燈泡主體,把LED 燈線組件包裹在里面,并作為載體,將玻璃泡殼、芯柱、燈頭組件(E26/E27/E14 或者塑件)等連接在一起。玻璃芯柱主要支撐起由點焊在一起的LED 燈條組件,經由封口工藝,可與玻殼熔接成一個封閉的玻璃腔體。

        1.3.2 燈頭部件

        燈頭部件一般為直接金屬燈頭或由金屬燈頭與注塑件組成。通過自動注膠機對燈頭進行注膠燈泥。燈泥主要是以燈泥粉與高純度的工業(yè)酒精配比而成,大致的比例為12 ∶1。然后通過自動裝頭機進行裝頭工藝和焊接,經過200 ℃左右的高溫,牢固地封接在一起。

        1.3.3 導熱氣體

        封好的毛泡,需要進行相應的排氣,抽真空處理,同時充入高導熱惰性氣性,如氦等混合氣體,使泡內保持在1個大氣壓左右,保證LED 燈絲條良好的工作溫度條件,保障使用壽命。

        2 LED燈絲泡工藝的關鍵控制點

        2.1 LED燈絲條的封裝工藝技術

        LED 燈絲條封裝技術是燈絲泡的核心技術。其關鍵的技術是固晶、焊線、配膠?;撞牧现饕ㄋ{寶石、陶瓷、金屬,玻璃以及石墨稀等,早期主要以藍寶石居多,適用于高端產品,金屬和玻璃主要應用于低端市場,但成品率較低。目前采用較多的是陶瓷基底,其性價比高,成品率也較高。至于石墨稀,是未來的一個發(fā)展方向。芯片封裝方式分為正裝和倒裝,目前硬燈條和軟燈條分別是采用這二種方式[2]。

        燈條金線焊接工藝,需定期檢查焊接強度,測試推拉力(5 g/30 g),進行SPC 控制,確保焊接的可靠性。定期對焊線設備進行點檢,控制在設置的參數范圍內,作好相應記錄;冷熱沖擊,-40 ℃~150 ℃,500 個循環(huán)。燈條一般為24~28 芯,芯片尺寸為714 mil~1 030 mil,功率0.9 W~1.2 W,電流一般為10 mA~15 mA[1]。

        2.2 LED燈絲條的點焊技術

        確定好點焊材料LED 燈絲條引腳、芯柱、焊接頭的焊接要求和對照表,不同材料、厚度對應不同的焊接要求;焊點厚度:0.25 mm ~0.35 mm,控制焊接電流,氣壓、電極間距,并定期檢查焊接強度,進行SPC 控制。定期對每臺點焊設備進行點檢,將其控制在設置的參數范圍內。點焊設備改造升級,使用高精度直流控制或自動點焊設備,提高可靠性。

        2.3 封口技術要求

        芯柱、泡殼材料應重點關注應力問題,避免出現(xiàn)殺頭、漏氣等不良現(xiàn)象。因而須其進行應力測試,考核其透光性能(透射率≤3%)。注意泡殼厚度均勻,上料前需清潔、烘干除潮,確保燈泡內的清潔度。

        自動封排機封口時要注意調節(jié)火頭溫度,注意預加熱,除潮以及退火工位、夾具使用的控制,確保應力控制到最小。

        2.4 半成品玻泡充氣、排氣的技術要求

        在封好玻璃泡體半成品后,需要進行充排氣工藝處理。先進行抽真空排氣,排氣抽真空維持時間在50 s~70 s,結束后再進行充氦氣,持續(xù)1 s~3 s。最后再進行排氣管封離。在封排期間注意進行降溫處理措施,保證封排符合要求,最終的充氣量達到96%以上。需要注意自動封排機開機時,需先檢查設備真空系統(tǒng),充氣量是否正確,做好點檢表,確保最終充氣量符合要求;對氦氣瓶用量進行監(jiān)控,用量不足時及時報警。增加排風降溫,加強散熱,提高充氣量。增加現(xiàn)場充氣檢漏測試,實時監(jiān)控。設備增加退火工位,調整夾具,消除多余應力。每隔4 h 對在制品抽測一次,使其符合要求,保障其可靠、穩(wěn)定。

        2.5 組裝工藝技術要求

        在產線批量生產前,首先進行首件制作,規(guī)范首件驗收制度,并對關鍵工序進行重點管控;每條線上增設樣品盒,便于查驗。采用繞絲工藝,安裝驅動電源時,控制恒溫電烙鐵的溫度在330 ℃~370 ℃,焊接時間2 s ~3 s,繞燈至少2 ~3 圈。定期對裝頭機的火頭溫度進行控制,每天進行點檢記錄,記錄溫度曲線。裝頭烘烤溫度要適中,燈泥顏色應為黃色或黃色中帶一點綠色,燈頭內腔溫度在120 ℃~150 ℃,參考上托模極限溫度控制在E14:160 ℃~180 ℃,E26/E27/B22:160 ℃~190 ℃,對焊燈頭扭力進行抽測。抽測5pcs/4 h,要求E14 ≥1.5 Nm。E26/E27/B22 ≥3 Nm。裝好燈頭產品,增加及時降溫裝置。對燈頭泥重量、配比、顏色進行控制,使其符合規(guī)格要求。裝頭機采用電加熱設備,便于對溫度進行管控,保證產品質量的一致性。

        2.6 老化線的工藝技術要求

        保證老化的時間至少2 h 和高低壓老化、沖擊測試。每天根據生產的批次和要求進行抽樣(一般會抽樣2%)老化48 h,確保產品的一致性和可靠性。及時進行巡視與篩選,建議用偏光鏡或墨鏡觀察其是否存在異常,做好詳細的老化記錄、產品維修記錄、不良品的統(tǒng)計與分析,便于進一步改善預防措施,保證在靜置72 h 后,再進行包裝。

        老化線使用在線自動檢測光通量系統(tǒng),及時篩選不達標或慢漏等異常產品(設置光通量下限值,檢測線會自動將光通量低于下限值的燈篩選出來)。

        3 發(fā)展趨勢

        未來,LED 燈絲燈在技術上將相高流明、大功率的方向發(fā)展。主要的發(fā)展趨勢有4 個。

        3.1 自動化,規(guī)模化,標準化

        這一趨勢主要有3 個特點。1)自動點焊機、組裝機、裝頭機、老化包裝機逐步成熟。2)規(guī)?;?、集中化、寡頭化趨勢明顯。全球最大的燈絲制造商木林森目前月產量在1 000~2 000 萬支,投資12.87 億在義烏新建生產基地二期、三期均在快速擴張,處于第二梯隊的陽光、佛照、OPPEL、KLITE、GMY 等也均在擴產,LEEDARSON、YANKON 也是紛紛搶灘燈絲燈市場,均搶到HomeDepot、Kingfisher、Hornbach等國際巨頭訂單,拓展其產能和業(yè)務。3)功率朝大功率、高流明的方向發(fā)展,進一步拓展到其它照明領域。

        3.2 價格下降趨勢明顯

        首先,燈絲基板目前國外主要以陶瓷為主流,玻璃基板和藍寶石為輔。

        藍寶石光效高、良品率低且價格一直堅挺。

        陶瓷基板剛度比較好,具有一定的熱傳導性,良品率高,性價比好。

        玻璃基板價格低、硬度不夠、易碎、散熱差,多用于低端市場。

        金屬基板良品率高、不透光、光效不高、易開裂、有色差,主要用于低端市場。而石墨稀工藝還處于摸索階段。

        其次,LED 封裝技術逐步成熟,倒裝工藝芯片面積小、散熱好,已在柔性燈絲燈中得到廣泛應用。

        最后,LED 燈絲燈的價格逐步接近LED A60 球泡燈的價格,同時燈絲應用范圍也向各領域拓展。

        3.3 差異化

        異形化主要包括3 個方面的內容。1)規(guī)避直絲燈專利壁壘,出現(xiàn)各種異形燈、陶瓷弧形燈、石墨稀弧形、柔性燈絲燈,新應用不斷地拓展。2)大功率傳統(tǒng)光源替換,異形燈、特殊應用場景光源的取代 。3)智能APP 應用、人工智能AI、物聯(lián)網等。

        3.4 標準之爭

        專利之爭從芯片、熒光粉、膠水到封裝等專利和標準之爭,均由國際大廠把控,國內工藝結構的主要專利歸杭州銳迪生所有,先后與SuperTrend,KLITE,YANKON 簽署了專利授權協(xié)議。與此同時,柔性軟燈絲條的專利,也是從芯片一直延伸到生產制造,大部分專利為晶元光電所有。

        從國內專利大戰(zhàn)打到國外,專利戰(zhàn)從硬燈條打到柔性燈條,可預見在未來LED 燈絲燈的專利大戰(zhàn)和標準之爭會越來越激烈。

        4 展望:智能調光、一燈多用

        隨著智能家居、人工智能AI 的興起,LED 燈絲燈造型多變,會更多地融入智慧照明中去。

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