王 江， 石明明， 鄒 軍， 李文博， 湯 雄， 李 超

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201418; 2.浙江億米光電科技有限公司，浙江 嘉興 314113;3.上海亮威照明科技股份有限公司，上海 200127; 4.杭州士蘭明芯科技有限公司，杭州 310018)

傳統(tǒng)的白熾燈燈絲多為金屬鎢絲、銥或其他合金，通電時產(chǎn)生各種顏色的可見光，但其能耗過大不適應(yīng)綠色環(huán)保的要求，基于LED技術(shù)開發(fā)具有與鎢絲同樣效果的LED燈絲并應(yīng)用于新型LED球泡燈(即LED燈絲燈)，LED燈絲燈既具有傳統(tǒng)白熾燈的外觀，又具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率[1]。傳統(tǒng)球泡燈采用金屬支架封裝，最大發(fā)光角為180°，而LED燈絲采用透明材料封裝，具有360°全角度發(fā)光，與白熾燈十分接近的外形、配光曲線[2-3]、性能穩(wěn)定、壽命遠(yuǎn)超過白熾燈的壽命，因此LED燈絲燈取代白熾燈是照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可阻擋的趨勢。

LED燈絲系列產(chǎn)品因基板材料不同而分為剛性燈絲和柔性燈絲[4]。剛性燈絲采用藍(lán)寶石、透明陶瓷、熒光晶體、玻璃、銅等具有硬度的脆性材料作為基板，一般選擇尺寸較小的正裝芯片作為光源，如1016、0915、0815等[5]，常被設(shè)計成直條或弧形燈絲。柔性燈絲則采用具有柔軟可塑的銅箔覆合高分子薄膜、覆銅箔薄鋁基材料或陶瓷鋁基材料等[6]作為基板，同時也需采用聚酰亞胺柔性印制電路以提高燈絲的柔軟度[7]，含有金線的正裝芯片在彎曲時容易斷裂造成燈絲損壞，因而芯片必須使用無金線“覆晶(flip chip)技術(shù)”(也稱作“倒裝”)以確保燈絲在塑性時燈珠不受損壞[8]。剛性燈絲使用的材料價格較低，制備工藝成熟但過程復(fù)雜，常被設(shè)計成直條或弧形燈絲而柔性燈絲可設(shè)計塑造成各種標(biāo)新立異的形狀，不僅滿足了照明的需求而且還增加了燈具的藝術(shù)效果，同時采用覆晶技術(shù)使工藝更簡單。

隨著市場需求量的增長，剛性LED燈絲已不能夠滿足人們的需求，為了滿足市場需求，以柔性電路板和高壓LED技術(shù)制成的LED燈絲得到了高度重視，相較傳統(tǒng)的白熾燈不僅可以呈現(xiàn)出多角度發(fā)光的特點，還可以讓燈具更具層次感，使LED燈發(fā)光更均勻，拓展性更強(qiáng)[9]。

本文對柔性燈絲發(fā)展進(jìn)行了概述，詳細(xì)介紹了柔性燈絲的結(jié)構(gòu)、封裝工藝、散熱技術(shù)及其應(yīng)用，展望柔性燈絲的發(fā)展前景。

1 柔性LED燈絲的發(fā)展概述

2008年，一家名為牛尾光源的日本企業(yè)最先推出了一種發(fā)光亮度、效率及外形近似于白熾燈的LED燈絲燈，其外形與普通燈類似，但工藝更為先進(jìn)[10]。2012年LED燈絲燈引入中國，逐漸進(jìn)入人們的視野，由于其具有與白熾燈同樣的功能且性能更好，在市場的推動下，轉(zhuǎn)型研發(fā)LED燈絲燈成為傳統(tǒng)照明企業(yè)的革新之路[6]。新型的LED燈絲燈綠色照明以其獨有的特色，迅速充斥傳統(tǒng)照明市場，LED燈絲燈替代傳統(tǒng)照明工具是照明產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢。隨著基板材料的發(fā)展，LED燈絲燈經(jīng)歷了從透明陶瓷、玻璃、藍(lán)寶石到高分子材料的四代發(fā)展[1, 11]，下面根據(jù)基板材料的變化對LED燈絲的發(fā)展進(jìn)行概述。

1.1 透明陶瓷基板

透明陶瓷基板具有高光效、高導(dǎo)熱、高耐溫性等特點[12]，能夠很好的將LED燈絲產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，同時光可透過透明基板實現(xiàn)360°全角度。透明復(fù)合陶瓷有利于提高LED芯片工作的性能，擁有良好的發(fā)展前景。

1.2 玻璃基板

玻璃基板具有極佳的透光性能，基板表面經(jīng)過鏡面處理之后反射率較高，使光易透過，具有360°全方位透光的優(yōu)良特性，很好的解決了吸光問題，提高了光效[13]。但玻璃的導(dǎo)熱性差且脆性大，許多廠家不斷的攻克玻璃導(dǎo)熱性和脆性等問題，玻璃基板在LED燈絲的應(yīng)用有望在將來能取代藍(lán)寶石基板[14]。

1.3 藍(lán)寶石基板

研究實驗結(jié)果表明，不同的基板材料光衰程度存在差異[15]，其中藍(lán)寶石材料無光衰且光通量相對穩(wěn)定，而玻璃、陶瓷等基板材料光通量均有不同程度的減小。藍(lán)寶石基板具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和透光性，雖然藍(lán)寶石的價格昂貴，但其優(yōu)越性能使其成為目前主流的LED燈絲封裝基板。

1.4 高分子材料基板

剛性燈絲采用透明陶瓷、玻璃、藍(lán)寶石等材料作為基板[5]，材料硬度較高且脆性大，因而不適用于柔性燈絲。目前，柔性燈絲選用銅箔覆合高分子薄膜作為基板，銅箔覆合高分子材料不僅具有良好的導(dǎo)熱性能，還具有極佳的柔軟性，賦予了燈絲更大的可塑空間。柔性LED燈絲如圖1所示。

圖1 柔性LED燈絲

2 柔性LED燈絲的結(jié)構(gòu)

圖2 柔性LED燈絲結(jié)構(gòu)剖析圖

柔性LED燈絲包括藍(lán)光倒裝芯片、柔性基板、熒光封裝材料、粘結(jié)材料等部分。如圖2所示為柔性LED燈絲結(jié)構(gòu)剖析圖。基板是LED燈絲支撐載體，可將LED芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至外界[14]，是LED熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵部件，基板材料的熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性、透光性及熱膨脹系數(shù)等將決定基板的導(dǎo)熱性能[16]。器件封裝是制作的必要環(huán)節(jié)，使用與器件匹配的粘結(jié)材料和轉(zhuǎn)換效率高的熒光體材料對器件進(jìn)行封裝，可確保芯片的工作環(huán)境不受外界環(huán)境影響，有利于提高器件的散熱性、透光率、光輸出率等方面性能，使發(fā)光器件的性能與壽命得到更好的提升。

基板以覆銅箔聚酞亞胺薄膜為材料，該材料具有透明、電學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)很好的保證了電路的各項性能，極佳的裝配可靠性使電路設(shè)計更方便。

倒裝藍(lán)光芯片光學(xué)性能好、工藝簡單[17]。采用無金線倒裝LED芯片避免了燈絲在彎曲時金線斷裂造成LED燈絲的損壞，可提高柔性燈絲可靠性，有效降低生產(chǎn)成本。柔性印制電路板的柔軟特性極大提高了LED燈絲的可塑性，可將LED燈絲塑造成各式各樣滿足于市場需求的創(chuàng)意造型。

柔性燈絲發(fā)光主要是通過芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)封裝在芯片周圍的黃色熒光材料產(chǎn)生白光，同時熒光封裝材料可有效防止芯片發(fā)出的有害藍(lán)光溢出。熒光體材料常用熒光粉，但熒光粉顆粒較大，易沉降在芯片上方導(dǎo)致發(fā)光不均勻、降低LED發(fā)光效率、阻礙散熱等問題[18-20]，影響LED性能，阻礙了LED的發(fā)展。針對上述問題，行業(yè)專家和學(xué)者將熒光粉混合制備成熒光薄膜后再封裝在芯片上方，解決了傳統(tǒng)熒光粉點膠法中存在的問題[21]。使用單一熒光粉的LED顯色性不高且色溫唯一，通過調(diào)節(jié)黃粉與紅粉的配比可調(diào)節(jié)LED的顯指和色溫。

3 柔性LED燈絲的封裝工藝

目前，LED燈絲在散熱、發(fā)光效率等眾多方面均存在不足之處，改善LED柔性燈絲的封裝工藝是解決與提高LED燈的發(fā)光效率、壽命、散熱等各方面性能的重要研究方向。柔性燈絲工藝主要通過倒裝藍(lán)光芯片發(fā)光激發(fā)包圍在芯片周圍熒光粉產(chǎn)生白光，柔性燈絲工藝流程如圖3所示。

圖3 柔性LED燈絲工藝流程

3.1 固晶

廠家提供的芯片通常是密集整齊排列在藍(lán)膜上，芯片間距非常小，不能直接用于固晶，在固晶前需進(jìn)行擴(kuò)晶處理，使芯片間距足夠大以便將芯片取出進(jìn)行固晶封裝。選取刻蝕好電路的柔性基板，在基板指定位置放置錫膏，作為裝倒裝芯片的焊接點，通過固晶機(jī)將倒裝芯片固定在焊接點上，將固晶完成的燈絲放入260 ℃的烤箱，進(jìn)行短時間烘烤將錫膏固化，使其性能穩(wěn)定。也有部分工藝在基板上預(yù)涂一層熒光粉，其作用是提高藍(lán)光的利用率和減少藍(lán)光從基板溢出，但同時也增加了生產(chǎn)工藝過程，延長了生產(chǎn)周期。

3.2 封裝

固化好的半成品需要在芯片上覆蓋熒光粉，熒光粉對LED光品質(zhì)影響極大，通常選用黃色熒光粉進(jìn)行封裝，也可采用黃粉和紅粉混合封裝以調(diào)節(jié)LED的色溫和顯指。將硅膠和熒光粉按照一定的配比混合，將混合液放置在脫泡機(jī)內(nèi)使混合液攪拌均勻，除去混合液內(nèi)部的氣泡，然后按量置入針筒中用于涂敷，將涂敷好熒光粉的燈條放入烤箱中烘干即可得到柔性LED燈絲。

4 柔性LED燈絲的散熱技術(shù)

影響LED散熱是由于芯片功率密度過大及散熱材料導(dǎo)熱性能不足，導(dǎo)致熱量無法及時散出，進(jìn)而使芯片的溫度上升[22]，解決LED散熱問題關(guān)鍵在于如何提升LED芯片的散熱[23]。目前業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者主要從器件光電轉(zhuǎn)換效率及散熱結(jié)構(gòu)兩個方面進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)[24]。

4.1 芯片結(jié)構(gòu)

結(jié)溫是由P-N結(jié)產(chǎn)生的，如何增大結(jié)溫的散熱效率是解決LED散熱性能的核心問題，采用導(dǎo)熱效果極佳的襯底原料可增大LED芯片散熱效率，通過導(dǎo)熱材料將芯片產(chǎn)生的熱量不斷向外導(dǎo)出，散熱效果提升明顯[25]。燈絲主要使用正裝芯片進(jìn)行封裝，其工藝成熟，成本低，適用于剛性燈絲。正裝芯片結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。而柔性燈絲則采用無金線的倒裝芯片進(jìn)行封裝，其成本較高，但可大幅度提升燈絲的韌性和可靠性，如圖4(b)所示。

圖4 芯片結(jié)構(gòu)圖

正裝芯片通過金線將P-N結(jié)與支架正負(fù)極實現(xiàn)電器連接[26]，但由于正裝LED芯片使用金線連接以及從具有吸光作用的電流層出光造成發(fā)光效率低、電流擁擠及藍(lán)寶石襯底材料導(dǎo)熱性差造成的散熱性差等問題[27]，且含金線的正裝芯片無法匹配柔軟彎曲的特殊要求僅適用于直條燈絲，極大的阻礙了LED燈絲的健康發(fā)展。倒裝芯片解決了正裝芯片取光率低及散熱不足的痛點。

倒裝芯片以藍(lán)寶石為襯底材料，相較傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，倒裝芯片的電器連接面朝下，發(fā)光面主要通過透明的襯底藍(lán)寶石出光，有利于光線的取出，再加上藍(lán)寶石優(yōu)異的穩(wěn)定性和高性價比而被廣泛應(yīng)用，以藍(lán)寶石作為出光面的倒裝結(jié)構(gòu)，大大提高了LED的性能[28]。一方面，倒裝芯片的有源面朝下[29]，芯片產(chǎn)生的熱量通過焊點向下導(dǎo)熱而不經(jīng)過襯底材料，不僅不會遮擋芯片的發(fā)光，還極大的增加了散熱效率；另一方面，以透明藍(lán)寶石作為出光面改善了LED的光學(xué)性能，因芯片向上發(fā)光，電流擴(kuò)散層厚度不會對光的取出造成影響，可以通過增加電流擴(kuò)散層的厚度以增加電流密度，此外基板也會將光源反射至藍(lán)寶石，進(jìn)一步提高了LED的出光率。將無金線的倒裝芯片應(yīng)用于柔性燈絲中，可避免燈絲在彎曲時造成的金線斷裂問題，提高柔性燈絲的可靠性。

4.2 封裝材料

LED的封裝材料必須采用導(dǎo)高熱率、穩(wěn)定性能及環(huán)保材料來提高LED的散熱效率?；?、粘貼、密封等封裝材料對LED散熱的影響都不容忽視，封裝材料的導(dǎo)熱能力將決定LED的散熱性能及器件的壽命。

4.2.1 基板材料

芯片產(chǎn)生的熱量主要是通過LED散熱基板將內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳到外部的散熱裝置，如果芯片產(chǎn)生的熱量不及時導(dǎo)出而聚集在芯片中，將會降低LED發(fā)光效率和壽命[30]。基板的散熱能力是導(dǎo)熱的關(guān)鍵，基板的散熱能力是LED器件性能與可靠性的核心影響因子[31]。故在選擇基板材料是必須選擇具有性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱效率高、絕緣性能極佳的材料，除此之外還需考慮材料的平整性、強(qiáng)度以及材料的熱膨脹系數(shù)[32]，目前常見性能優(yōu)良的基板有金屬基板、陶瓷基板、玻璃基板、石英基板、藍(lán)寶石基板等，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明[15]，散熱性能由好到差分別是：藍(lán)寶石、透明陶瓷、玻璃，因此用藍(lán)寶石作為基體材料是最好的選擇。無論選擇何種基板材料，都必須確保芯片工作溫度不超出芯片正常工作的極限溫度以保護(hù)LED不受損壞。LED燈絲采用透明的藍(lán)寶石作為基板，可有助光線透過基板向外傳播，實現(xiàn)全角度出光[33]。

4.2.2 粘接材料

粘接材料是連接芯片與基板的粘結(jié)劑，為芯片提供了散熱通道，既可以固定芯片，又可減少材料之間的接觸熱阻，可以很好的將LED芯片中部的熱量導(dǎo)出。李學(xué)夔等[34]實驗結(jié)果表明，LED溫度場的分布受到粘接材料熱導(dǎo)系數(shù)和厚度的影響，選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的粘接材料更有利于熱量的散出。同時，需要控制粘接材料的厚度，厚度越薄粘接材料的散熱效果越好。

4.2.3 密封材料

密封材料主要對LED芯片起到密封和保護(hù)芯片的作用，避免外界因素影響芯片的正常工作。密封材料決定了LED的光分布、光效、傳熱等性能，目前制備白光的密封材料主要應(yīng)用黃色熒光粉進(jìn)行封裝。常用藍(lán)色LED芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉得到白光，在激發(fā)轉(zhuǎn)化的過程中部分光能會轉(zhuǎn)化成熱能，這部分熱能與藍(lán)光芯片產(chǎn)生的熱量使熒光粉在工作時處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致LED光衰較快，過高的溫度會使熒光粉出現(xiàn)波長紅移、熒光粉量子效率降低等問題。芯片與黃色熒光粉之間會產(chǎn)生相互熱作用，熒光粉層的熱量無法傳導(dǎo)至外界而被堆積，導(dǎo)致熒光粉層溫度上升，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)溫上升，影響LED器件的散熱[35]。需選擇散熱性能良好的熒光粉，同時還要考慮熒光粉顆粒和硅膠的特性。

全封閉封裝與半封閉封裝LED燈絲性能的研究表明[36]，雖然半封閉封裝燈絲的涂膠量比全封閉封裝燈絲涂膠量更少，但半封閉封裝燈絲不能將膠水完全涂敷覆蓋在陶瓷基板上，進(jìn)而導(dǎo)致部分藍(lán)光溢出，降低產(chǎn)品的良率。實驗表明，在相同的條件下半封閉燈絲的溫度比全封閉燈絲高50 ℃左右，這證明全封閉LED燈絲的散熱能力比半封裝LED燈絲更好，實驗也得到全封閉封裝LED燈絲光通量大于半封閉封裝LED燈絲的結(jié)果。因此，為了提高LED燈絲各方面性能，采用全封閉封裝方式是最優(yōu)的封裝方案。

4.3 封裝工藝

4.3.1 不同厚度基板工藝

基板厚度與器件芯片最高溫度呈負(fù)線性相關(guān)[14]，控制基板材料厚度是改善LED器件散熱性能的一種方案?；宀牧显胶?，LED器件內(nèi)部通道熱阻越小，LED芯片的最高溫度越低，但基板材料的厚度不宜太厚，基板材料太厚易導(dǎo)致LED器件的藍(lán)光溢出，對器件的光學(xué)性能不利。因此，基板材料應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?，避免不必要的問題，使LED的各方面性能最大化。相關(guān)實驗表明，基板材料厚度為0.2 mm較合適[16]，但更精確的厚度仍需更精確的測量與探索。

4.3.2 不同厚度的固晶工藝

固晶材料的種類較多，根據(jù)導(dǎo)電(熱)性能可分為導(dǎo)電膠和絕緣膠[37]。粘接材料是LED散熱的主要影響因子，不同的粘接材料對LED散熱性能存在顯著差異[38]。實驗表明[39]，在室溫條件下，銀膠與絕緣膠的導(dǎo)熱能力平分秋色，但在高溫環(huán)境中，2種材料的性能差異明顯。高溫環(huán)境中，絕緣膠導(dǎo)熱能力差，熱量不能順利傳出，而銀膠散熱效果優(yōu)于絕緣膠，在高溫環(huán)境中銀膠的優(yōu)勢更明顯。改變絕緣導(dǎo)熱膠的相關(guān)仿真實驗[40]表明，LED器件的最高溫度與固晶層厚度有關(guān)且呈負(fù)相關(guān)，雖然厚度越厚越好，但厚度不宜超過LED芯片厚度，否則固晶膠容易覆蓋LED芯片進(jìn)而嚴(yán)重影響LED器件性能。

散熱問題一直制約LED向大功率發(fā)展，LED的熱量來源于結(jié)溫，而固定與保護(hù)發(fā)光芯片的封裝材料、基板材料、封裝工藝等都會影響LED的散熱性能。為了進(jìn)一步提升LED柔性燈絲的光均勻度和散熱性能，本課題組[41]提出了一種從工藝、結(jié)構(gòu)上優(yōu)化柔性燈絲性能的立體螺旋結(jié)構(gòu)柔性LED燈絲。采用倒裝芯片封裝，減少工藝流程，降低了生產(chǎn)成本；采用平面涂敷技術(shù)，使熒光粉均勻涂敷在柔性燈絲上，提高了發(fā)光均勻度和亮度；使用散熱較好的合成材料，且在填充氦氣，促進(jìn)球泡內(nèi)的氣體流動以降低結(jié)溫，提高散熱能力；當(dāng)螺旋柔性燈絲的拉伸高度為2 cm時，燈具的光學(xué)性能和熱學(xué)性能最佳。

5 柔性LED燈絲的應(yīng)用與展望

近年來各國相繼出臺了關(guān)于白熾燈停止生產(chǎn)與銷售的相關(guān)政策，LED柔性燈絲燈在新一代安全LED照明光源中嶄露頭角，成為半導(dǎo)體照明中的佼佼者。國際市場對LED燈絲燈的認(rèn)可使得LED燈絲燈得到了快速的發(fā)展，市場需求熱度的快速升溫，LED燈絲燈具發(fā)展前景十分可觀。燈絲燈的大量生產(chǎn)與普及，逐漸受到消費者認(rèn)可和喜愛，LED燈絲得應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展期。

柔性LED燈絲燈的樣式繁多，根據(jù)玻璃泡的形狀可大致分為A、C、T、G、ST等類型，如圖5所示。本課題組按照燈絲的形狀將柔性燈絲制作成螺旋型、T型、心型、字母型等[42]，如圖6所示。由于柔性燈絲的可塑造性給予設(shè)計者提供了廣闊的設(shè)計空間，根據(jù)不同的需求，將不同的燈絲形狀配合不同的玻璃泡會有意想不到的效果。除了經(jīng)典的類型，燈絲燈如雨后春筍不斷被開發(fā)出來，出現(xiàn)了許多形狀各異的創(chuàng)意燈具，豐富了LED燈絲燈的產(chǎn)品種類和市場，如圖7所示。

LED燈絲的亮度適中，部分功率過大導(dǎo)致亮度過高的燈具，則采用金色或其它顏色的玻璃泡以降低燈絲的亮度，以便LED燈絲燈可以直接使用，此外燈絲燈也可以配合其它燈具使用，如組裝的水晶吊燈、壁燈等[43]。LED燈絲燈憑借其復(fù)古的外表和獨特照明效果的優(yōu)勢，進(jìn)入商用復(fù)古照明市場備受青睞[44]，常應(yīng)用于客廳、餐廳、酒吧、酒店、臥室、書房、咖啡廳等各類高、低端場所。隨著柔性燈絲燈的技術(shù)難題不斷被攻克，在不久的將來，LED燈絲燈將不斷塑造出更多新穎的新產(chǎn)品。

圖5 各種型號柔性LED燈絲燈

圖6 創(chuàng)意形狀柔性LED燈絲燈

圖7 新型創(chuàng)意柔性燈絲燈

6 結(jié) 語

本文主要概述了柔性LED燈絲的發(fā)展，包括：柔性LED燈絲的結(jié)構(gòu)、封裝工藝、散熱技術(shù)及其應(yīng)用。LED散熱問題是制約柔性LED燈絲向高功率、高性能和長壽命方向發(fā)展的致命影響因素[45]，LED的封裝技術(shù)是決定LED光電性能、壽命等參數(shù)的重要指標(biāo)。封裝技術(shù)工藝的改進(jìn)、封裝材料的優(yōu)化、散熱方式的改良，是解決柔性LED燈絲散熱問題的關(guān)鍵。隨著科學(xué)進(jìn)步的發(fā)展，不久的將來這些問題將會得到更好的解決，柔性LED燈絲將會得到更廣泛的應(yīng)用。