LED散热技术（下） .pdf

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1、LED散热技术 （下） 目录 1、比热容 2、LED热学指标 3、LED光衰的原因 4、LED热学参数测试研究 5、大功率LED的热管理 6、贴片LED封装 7、LED二次光学设计 8、大功率LED热量分析与设计 9、大功率LED的散热设计 10、大功率LED封装的散热设计 11、大功率LED照明器的热设计 12、大功率固态照明热处理技术进展 13、大功率固态照明热阻处理技术 14、改善大功率LED的散热技术 15、关于高功率LED封装的高效散热技术 16、纳米导热胶 17、适应大功率LED的高效导热基板 18、LED铝基板的结构和特点 19、LED道路照明光源的配光和散热 20、LED路灯散

2、热注意事项 21、LED散热技术-倒装焊技术 22、 LED散热技术-热管散热器 23、 LED散热技术-散热器的设计与安装 24、大功率LED导电导热银浆及其封装技术趋势 25、新型LED灯泡内部结构揭秘 26、液态沈浸散热技术（LITMS） 29、 LED散热技术总结 一、散热片与比热容 比热容 即比热，是单位质量物质的热容量。 什么叫比热容 单位质量的某种物质温度升高1吸收的热量叫做这种物 质的比热容，简称：比热，用字母“c”表示。 单位 比热是一个复合单位，是由质量、温度、热量的单位组合 而成的。在国际单位制中，比热的单位是焦耳/（千克摄 氏度）读作 焦每千克摄氏度。 （常用的单位还有

3、卡/（克）、千卡/（千 克）等）在国际单位制中，能量、功、 热量的单位统一用焦耳，因此比热容的单 位应为J/（kgK）。 比热表 (1)比热值的数值后面都用10的3次方来表示 (2)水的比热较大，金属的比热更小一些 (3)c铝c铁c钢c铅 (c铝90)无法顺利地溢出介面，而 在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并 通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收， 并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。 D、显然，LED元件的热散失能力是决定结温高 低的又一个关键条件。散热能力强时，结温下 降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧 胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难 通过透明环氧向上散

4、发到环境中去，大部分热量 通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层， PCB与热 沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接 影响元件的热散失效率。一个普通型的LED，从 PN结区到环境温度的总热阻在300到 600 w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元 件，其总热阻约为15到30 W。巨大的热阻差 异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条 件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功 率可大到瓦级甚至更高。 3、降低LED结温的途径有哪些？的途径有哪些？ A、减少LED本身的热阻； B、良好的二次散热机构； C、减少LED与二次散热机构安装介面之间 的热阻； D、控制额定输入功率; E、降

5、低环境温度 LED的输入功率是元件热效应的唯一 来源，能量的一部分变成了辐射光能，其 余部分最终均变成了热，从而抬升了元件 的温度。显然，减小LED温升效应的主要方 法，一是设法提高元件的电光转换效率 （又称外量子效率），使尽可能多的输入 功率转变成光能，另一个重要的途径是设 法提高元件的热散失能力，使结温产生的 热，通过各种途径散发到周围环境中去。 三、LED光衰的原因 LED产品的光衰就是光在传输中的讯号 减弱，而现阶段全球LED大厂们做出的LED 产品光衰程度都不同，大功率LED同样存在 光衰，这和温度有直接的关係，主要是由 芯片、萤光粉和封装技术决定的。目前， 市场上的白光LED其光衰

6、可能是向民用照明 进军的首要问题之一。 针对LED的光衰主要有以下二大因素： 一、LED产品本身品质问题： 1、采用的LED芯片体质不好，亮度衰减较 快。 2、生产工艺存在缺陷，LED芯片散热不能 良好的从PIN脚导出，导致LED芯片温度过 高使芯片衰减加剧。 二、使用条件问题： 1、LED为恒流驱动，有部分LED采用电压驱 动原因使LED衰减过来。 2、驱动电流大于额定驱动条件。 其实导致LED产品光衰的原因很多，最关键 的还是热的问题，尽管很多厂商在次级产品不特 别注重散热的问题，但这些次级LED产品长期使 用下，光衰程度会比有注重散热的LED产品要 高。LED芯片本身的热阻、银胶的影响、

7、基板的 散热效果，以及胶体和金线方面也都与光衰有关 系。 四、四、LED热学参数测试研究热学参数测试研究 引言引言 LED器件的热学性能会直接影响到器件 发光效率、强度、光谱特性、工作稳定性 和使用寿命。因此对 器件的热学性能会直接影响到器件 发光效率、强度、光谱特性、工作稳定性 和使用寿命。因此对LED器件的热学参数 进行分析研究，采用标准化的方法进行测 量，满足检测中心和企业需要 器件的热学参数 进行分析研究，采用标准化的方法进行测 量，满足检测中心和企业需要;同时为满足 仲裁测试、数据报告等组建公共测试平台 同时为满足 仲裁测试、数据报告等组建公共测试平台, 开发商业化的测量设备，这些都

8、是半导体 照明工程中的一项关键性工作。 开发商业化的测量设备，这些都是半导体 照明工程中的一项关键性工作。 热阻基本概念热阻基本概念 LED热学设计的目的在于预 言 热学设计的目的在于预 言LED芯片的结温，所谓结 温是指 芯片的结温，所谓结 温是指LED芯片芯片PN结的温 度。 热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率 之比 结的温 度。 热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率 之比 Thermal Resisitance 对流:是固体表面同流体间的主要传热方式 ,流体同固体表 面接触温度升高 ,高温流体同低温的互相混合扩散最后将 固体表面的热传给流体 . 辐射:无需借助任何媒介

9、,是发热体直接向周围空间释放热 量。 散热器通常是一块带有很多叶片的热的良异体 ,在实际应 用中 ,散热器通过和器件、 芯片表面的紧密接触使器件、 芯片的热量传导到散热器 ,它的充分扩展的表面使热的辐 射大大增加 ,同时流通的空气也能带走更多的热量。 1. 2 热阻 在使用散热器的情况下 ,散热器与周围空气之 间的热释放的 “阻力”称为热阻 ,散热器与空气之间 “热流” 由散热器流向空气时由于热阻的存在 ,在散 热器和空气之间就产生了一定的温差 ,就像电流流 过电阻会产生电压降一样。同样 ,散热器与器件、 芯片表面之间也会存在一定的热阻。选择散热器 时 ,除了机械尺寸的考虑之外 ,最重要的参数

10、就是 散热器的热阻。热阻越小 ,散热器的散热能力越强 , 器件的工作温度就容易降低。在每一个实际应用 中 ,都有一个具体的热阻抗目标值 ,只有满足这一 目标值才能在恶劣的外部条件下保持连接部位的临 界温度。通常情况下 ,散热器必须保持的临界温度 就是器件的外壳温度。 1. 3 功耗 电子产品工作时需要能源由于器件不理 想 ,许多电能变成热能 ,从而使器件的温度 升高。如果不能有效地散热 ,其温度就会继 续上升 ,最终导致热致失效。散热的任务就 是提供有效地散热通道(即热路) 。最重要的 热流是功耗的热量。 2 用热分析软件实现散热器的优化设计 空冷散热器看起来似乎比较简单 ,但为了达到最佳散

11、热性能 ,选用时要对功率损耗、 空气流速、 散热器宽度、 长度和高度、散热器厚度和间距、 空气导流片尺寸以及 环境条件等多个变量进行综合考虑 ,其复杂性可见一般。 为达到最佳实际效果 ,在具体应用中散热器应根据不同的 工作环境而作出相应的设计。在一个柜体或体积确定的空 间内进行散热器性能设计 ,计算流体力学分析软件(CFD) 是比较好的软件工具。利用已有的 CAD软件建立模型 ,用 CFD获取该空间内所有元件的几何数据进行计算并确定流 经散热器的空气实际方向和流速。用 CFD 分析空间内的 每个单位体积 ,并根据质量、 能量和动量守恒方程计算结 果。对散热器的每一面都进行分析 ,以确定自由面积

12、的比 率 ,这一比率表征允许空气流动的总体积。 热分析软件能够十分有效地分析散热器 的散热性能 ,但如果在器件布局完成之后才 考虑散热器的设计 ,则散热器的位置很可能 与其他元件冲突 ,因为剩余的空间常常不能 满足散热的要求 ,甚至出现更坏的情况 ,即 系统内的空气受到其他元件的阻碍而不能 流进散热器 ,这样就不能充分发挥其优势。 所以应在设计初期使用 ,给实际者带来最大 的设计灵活性 ,从而达到省事、 省钱和避免 设计失误的目的。 用CFD软件进行参数优化设计的过程 中应注意以下因素对散热性能的影响: 1)散热片的数目 随着散热片数目的的增加 ,静压会下 降。若散热片数目过多 ,则空气流速降

13、低 , 导致散热效率降低。另外 ,若空气不导向散 热器 ,则实际上会从散热器旁边流过 ,从而 使散热器周围留下空气死角。在散热器各 表面宽度给定的情况下 ,体积阻抗与散热片 的数目有关。垂直挤压成型的散热器不能 允许空气流向一致 ,因为这种类型的散热器 体积阻抗为零 ,而横切型散热器允许空气流 向所有方向。 2)散热器总高度 散热器总高度是散热片高度加底板厚 度 ,在散热器高度一定的情况下 ,若底板厚 度增加则散热片的高度就要降低。底板厚 度的功能是将热量从散热器散发出去 ,厚度 值由热源的位置和散热片在散热器的位置 确定。通常 ,热源的大小比较散热器小得多 , 只是一个点状而已。热量可以在两

14、个接触 面之间稳定地传输 ,但当热量沿着散热器进 一步传输时 ,则会遇到 “传输阻抗” ,该阻抗 影响总的热量传输效率。 3)热源的位置散热器与周围环境间的热阻 随着发热源尺寸的增加而减小直到热源的 尽寸拉近散热器安装面的60 %为止。将发 热元件集中布置 ,可大大减少散热器的截面 积。由于传播阻抗比较小 ,故底板厚度也可 减小 ,于是在有限的空间内可使散热器得以 优化布置。 3、选择正确的散热器安装方法 减小热阻是降低器件温度最有效的方法 , 所以将散热器固定于发热器件上时 ,最重要 的是要减小器件和散热器之间的热阻 ,使其 界面之间的热传递效率最大。也应考虑其 他的要求 ,如介电特性、 电

15、导性、 附着强 度和再次安装的可能性等。 1)机械紧固件法 这是散热器的传统安装方法 ,采用铆 钉、 夹持件和螺纹紧固件等。由于结合部 件表面不是绝对的平整 ,接触面之间总会留 有一定的空隙 ,这种空隙是热绝缘体 ,严重 影响热传递效率。因此在安装时 ,应尽量保 证接触面平整光滑 ,以增加接触面积 ,扭紧 全部螺栓以增加接触压力 ,用足够多的连接 件 ,以保证接触均匀。 2)导热润滑剂法 此方法主要指在结合部件表面之间使 用非固化传导介质如硅树脂润滑剂 ,这种润 滑剂将填充配合部件表面之间的空隙 ,与机 械紧固件法相比 ,具有更好的热传递。由于 机械紧固件不能使部件表面粘合,所以可将 导热润滑

16、剂与机械紧固件一起使用。若需 要电绝缘,则可以使用云母垫片。非固化化 合物的缺点包括吸附灰尘、 污染和难易控 制使用量等。 3)可压缩垫片和垫料法 垫片、 垫料由硅树脂、 复合材料和其 他材料制成 ,可承受足够大的夹持力 ,并可 避免机械紧固件在使用过程中的松驰。采 用这种方法时 ,需要有足够数量的不同形状 和尺寸的预加工垫料。 4)导热粘合剂法 使用导热粘合剂如加填料的环氧树脂和丙烯酸 脂可有效地在结合部件之间提供附着力和导热界 面。这些粘合剂中的树脂都是有机物 ,是热的不良 导体 ,为了增加导热性在其中填充了纯金属和金属 氧化物氧化物。这种粘合剂可消除因机械紧固件 引起的应力 ,也不再需要

17、采购大量预加工垫片和垫 料 ,还可避免非固化化合物方法的污染问题。当 然 ,粘合剂也有一些缺点 ,包括填料混合问题、 需 要固化时间以及保存时间有限等。需要注意的一 点是 ,应使粘合剂的厚度尽量薄。 在选择散热器的安装方法时 ,下列参数 要认真考虑: 1)电气参数 根据实际应用的工作环境决定使用导电 粘合剂还是电气绝缘粘合剂。使用电气绝 缘粘合剂时 ,重要的因素有介电常数、 耗散 因子和绝缘强度。该种粘合剂必须在高温 和潮湿的环境中保持良好的绝缘性能;对于 导电粘合剂的情况 ,导电率的时间稳定性非 常重要 ,导电率会受到可氧化稳定金属填充 物的影响 ,如银。通常使用氧化铝和氮化硼 来获得电气缘

18、绿性能。 2)力学参数 粘合剂中聚脂的不同化学基会影响其 物理特性 ,如硬度、 韧性、 强度、 工作温 度范围和热膨胀系数等。环氧树脂可提供 高硬度、 高强度和抗高温性能;而硅树脂、 聚氨脂、 硫聚合物和其它人造橡胶可提供 韧性。粘合剂中加入填充物可以降低热膨 胀系数 ,使其于基底材料的热膨胀系数相匹 配。粘合剂的强度和延伸特性由所选填充 物决定。 3)粘合强度 粘合剂既可具有可控制的粘合强度以适 合重复利用 ,也可有高粘合强度以适合永久 安装。粘合强度主要指切应力强度、 抗张 强度、 切削强度、 扭曲强度或劈裂强度。 对于可修复强度而言 ,重要的是选择正确的 聚脂和填充物。不同物质的粘着效果

19、取决 于所使用的聚脂:环氧树脂由于其对大多数 物质的良好粘着性而被用于增加硬度;为了 增加弹性 ,首选硫聚合物和聚氨脂 ,聚氨脂 对塑料和玻璃的粘着好 ,但对金属的粘着不 好;而硅树脂在不使用底漆时粘合力有限。 4)导热率 发热部件和散热器之间界面的热传输效率取 决于空气残留、 填充物类型和粘合成的厚度等参 数。接合部件表面由厚厚的粘合剂或凝胶垫料时 , 由于潮湿会发生空气残留 ,如果使用粘合剂 ,在粘 合剂的混合过程中也会有空气残留于其中 ,可采用 除气方法如离心分离机以排除残留空气。如果想 在装配过程中避免这个问题 ,可将粘合剂滴在粘合 表面的中央 ,这样 ,将粘合部件合拢时 ,粘合剂就会

20、 呈放射状被挤出 ,将空气排出粘合层。用金属和金 属氧化物作填充物增加聚脂的导热率 ,当填充物所 占比例增加时 ,导热率随聚合物内金属颗粒之间的 距离减小而成比例增加。 4结束语 以上从设计和安装方法两个方面对散 热器选用时的一些经验和准则进行了探讨 和总结 ,这些经验和准则在笔者的具体实 践工作中已得到了运用 ,并取得了良好的 效果。实践证明 ,在整个电子系统选择散 热方案过程中只要采取以上步聚 ,加之细 致周详的考虑 ,就可获得较好的效果。 二十五、大功率LED导热导电银胶 及其封装技术和趋势 大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直 接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近 年来的研究热

21、点，特别是大功率白光LED封 装更是研究热点中的热点。 LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以 提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结 温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光 效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交 流/直流转变，以及电源控制等。 LED封装方法、材料、结构和工艺的选择 主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应 用和成本等因素决定。经过40多年的发 展，LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型 LED(Power LED)等发展阶段。随着芯片功 率的增大，特别是固态照明技术发展的需 求，对LED封装的光学、热学、电学和机械 结构等

22、提出了新的、更高的要求。为了有 效地降低封装热阻，提高出光效率，必须 采用全新的技术思路来进行封装设计。 （一） 大功率高导热LED导电银胶 Uninwell-6886系列导电银胶是IED生产封装中 不可或缺的一种胶水，其对导电银胶的要求是导 电、导热性能要好，剪切强度要大，并且粘结力 要强。 UNINWELL作为世界高端电子胶粘剂的领导 品牌，公司以“您身边的高端电子粘结防护专家” 为服务宗旨。Uninwell导电银胶、导电银浆、贴 片红胶、底部填充胶、TUFFY胶、LCM密封胶、 UV胶、异方性导电胶ACP、太阳能电池导电浆料 等系列电子胶粘剂具有最高的产品性价比，公司 在全球拥有一百多家

23、世界五百强客户。最近， UNINWELL 与上海常祥实业强强联合，共同开发 中国高端电子胶粘剂市场。 UNINWELL导电银胶具有导电性好、剪切 力强、流变性也很好、并且吸潮性低。特 别适合大功率高亮度LED的封装。 公司的专门开发的BQ-6886系列导电银 胶，特别适合大功率高亮度LED用，导热系 数为：25.8 剪切强度为：14.7，为行业之 最。 （二）大功率LED封装关键技术 大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工 艺等方面，这些因素彼此既相互独立，又相互影 响。其中，光是LED封装的目的，热是关键， 电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具 体体现。从工艺兼容性及降低生产成本

24、而言， LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设 计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯 片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构 进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成 本，有时甚至不可能。 具体而言，大功率LED封装的关键技术包括： （一）低热阻封装工艺 对于现有的LED光效水平而言，由于输入 电能的80左右转变成为热量，且LED芯 片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须 解决的关键问题。主要包括芯片布置、封 装材料选择（基板材料、热界面材料）与 工艺、热沉设计等。 LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结 构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是 吸收芯片产生的热量，

25、并传导到热沉上，实现与 外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金 属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC） 和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用 CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上， 降低了封装热阻，提高了发光功率和效率； Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金 属基板，并开发了相应的LED封装技术。该技术 首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应 的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在 一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护 电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简 单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提 高了散热性能

26、，为大功率LED阵列封装提出了解 决方案。 在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外 发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内 部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由 于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大 于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很 多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表 面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封 胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效 减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此 外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护， 应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其 透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好， 易于喷涂。 为提高LED封

27、装的可靠性，还要求灌封胶具 有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目 前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅 胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定 性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优 于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛 应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶 折射率可有效减少折射率物理屏障带来的 光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能 受环境温度影响较大。随着温度升高，硅 胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率 降低，从而影响LED光效和光强分布。 二十六、新型二十六、新型LED灯泡内部构造揭秘灯泡内部构造揭秘 （一）：灯泡的下半部为散热部件（一）：灯泡的下半部为散热部件 图1：低价LED灯泡东芝

28、照明与夏普陆续上 市了价格约为以往一半，即零售价不到 4000日元的普通灯泡型LED照明（LED灯 泡）。为了防止发光效率下降、寿命缩 短，LED的散热非常重要。因此，LED灯泡 的下半部分为铝合金铸件制造的散热器。 以发光二极管（LED）为光源的照明器 具凭借功耗低、寿命长的特点逐渐开始在 市场上渗透。其中，意欲替代白炽灯泡、 灯泡型荧光灯等传统灯泡的灯泡型LED照明 （以下，简称LED灯泡）近来更是备受关 注。因为按照LED寿命计算的灯泡的单位时 间价格已经与传统灯泡相当，所以，有望 在普通家庭中加速普及。 率先推出低价LED灯泡的厂商是夏 普。夏普于2009年6月11日宣布，该公司将 以

29、实际售价不到4000日元的低价格为卖点 进军LED灯泡市场。这一价格的设定非常具 有冲击力，约为当时LED灯泡市售价格的一 半。在2009年3月开始销售LED灯泡的东芝 照明（Toshiba Lighting）迅速做出反应， 于夏普产品发布的11天之后，即6月22日发 布了与夏普同在7月15日上市的新型低价 LED灯泡产品*1、*2。 灯泡的下半部为散热部件灯泡的下半部为散热部件 低价格化并不意味着LED灯泡可以抛弃 功耗低、寿命长等特有的优点。而且，产 品要想立足于市场，还需要具有较高的散 热能力。 LED灯泡发出的光线中红外线成分少。 因此，与白炽灯泡、灯泡型荧光灯相比， 光线照射部分升温

30、较慢*3。但LED自身会发 热，所以散热对策不可缺少。一旦超过LED 芯片的容许温度，LED的发光效率就会下 降，对灯泡的寿命也会产生不良影响。 从外部来看，LED灯泡的特征可以说是 提高了散热性的结果。从侧面看LED灯泡， 整体下侧的一半以上为散热器（图1）。东 芝照明、夏普都采用了铝合金铸件制造的 散热器。 比较二者的散热器，除颜色外，形状 差异也非常明显。在高度方面虽然夏普产 品稍微多些，但散热器沟道面积则是东芝 照明的较大。东芝照明产品的沟道深度从 下到上逐渐递增，而夏普的则是上下基本 等高。 散热器的表面积越大，散热性能越高。 在外形尺寸有限的情况下，加大沟道深度 是增加表面积的方法

31、之一，但随着沟道深 度的增加，电源电路底板、树脂壳等的内 部安装空间会随之减少*4。 东芝照明的散热器内部空间为圆柱 形，夏普产品则为接近外形的圆锥形（图 2）。树脂壳在保持绝缘性的同时，把电源 电路底板安装在灯泡壳体上。 图2：LED灯泡的主要结构东芝照明LED灯 泡散热器（外壳）的圆筒侧面有16片直角 三角形沟道，上覆圆板。上面直接固定LED 基片。电源电路底板固定在杯状树脂壳 中，从散热器下方插入。另一方面，夏普 LED灯泡的散热器呈有锥度的圆筒形状，表 面安装有60片高度不到几mm的叶片。LED 基片固定在散热器上方覆盖的圆板状金属 板上。电源电路底板固定在散热器上方插 入的圆锥形（但

32、侧面大部分镂空）树脂壳A 中。 LED芯片是LED灯泡的最大热源，在灯 泡中是把复数个LED芯片封装在一起，然后 安装在铝合金制成的基片上的。这种铝合 金的LED基片被固定在散热器的上部。夏普 的产品中，LED基片与散热器之间还夹有金 属板。 本文将结合东芝照明产品及夏普产品 的LED灯泡拆解图，详细介绍其内部构造。 散热器连接构造各不相同散热器连接构造各不相同 *1：夏普最初预定的上市时间为2009年7月 15日。但该公司于7月9日发布了因“预定超 出预计”而延期上市的决定。支持调光器、 配备调光/调色功能的LED灯泡将于同年9月 1日，其他LED灯泡将于同年8月1日上市。 *2：灯泡巨头松

33、下虽然在2009年3月举办的 “Lighting Fair 2009”展会上参考展出了灯泡 型LED，但截至2009年8月上旬，该公司“还 没有投产的具体计划”。 *3：LED灯泡光线中紫外线区域的成分也比 较少，因此还具有不吸引紫外线敏感昆虫 的优点。 *4：增加表面积需要加大叶片高度，或者缩 小叶片间隔（增加片数）。东芝照明在确 定叶片的间隔和高度时参考了散热器周围 的空气流动（对流）。 散热器连接构造各不相同散热器连接构造各不相同 扩散LED光线的半球状部分被称为“球形灯罩”。 东芝照明的球形灯罩为聚碳酸酯制，利用粘合剂固 定于散热器上方的4个位置。而普通灯泡的球形灯 罩一般为玻璃制造。

34、这是因为LED光线不容易发 热，所以能够采用树脂。而且，采用树脂之后，在 灯泡掉落时也不易破裂，安全性由此提高。 球形灯罩下方配置的是LED基片。在东芝照明 的产品中，6.9W（白色、总光通量565lm）额定 功耗的产品中，LED基片上的LED封装数量为7个 （图3）*5。 图3：东芝照明LED灯泡的上部 LED基片背面与散热器（外壳）上表面接 触，直接利用2颗螺丝固定 东芝照明的LED基片上安装有连接电源电路线 的连接器。连接器是无需焊接的产品，估计是优 先考虑了组装的简易性。附带一提的是，东芝照 明的LED灯泡是在日本国内工厂组装的。 LED基片由2颗螺丝固定，拆下基片后可以看 到散热器的

35、上表面。这一部分利用机械加工进行 了平坦化处理，只需对LED基片进行螺丝固定即 可与基片背面充分贴合从而获得导热性能。 夏普的LED灯泡的球形灯罩为玻璃制造*6。 7.5W（日光色、总光通量560lm）额定功耗产品 的LED基片上配备了6个LED封装（图4）。电源 电路底板之间的布线采用焊接方式连接。 图4：夏普LED灯 泡的上部 LED基 片利用3颗螺丝固 定在金属板上， 二者之间涂有导 热油。另外，与 电源电路底板的 布线进行了焊接 LED基片通过3颗螺丝固定在金属板上，二者 之间涂布了导热硅脂（Grease）。固定LED基片 的不是铝合金铸件制造的散热器，而是另外的金属 板。材质虽然为铝

36、合金，但表面看不出机械加工痕 迹。用这种金属板固定LED基片，两者的贴合性能 有可能不够充分，所以需要使用导热硅脂。 金属板利用3颗螺丝（不是固定LED基片的螺 丝）被固定在散热器上。取下金属板可以看到，散 热器内部充满了黑色树脂（图5）*7。估计这些树 脂是促进导热的填充材料，但这些树脂与金属板的 背面并未接触，所以推测其主要目的是向散热器传 导电源电路底板的热量，而不是LED封装发出的热 量。 图5：夏普LED灯泡的内部金属板利用3颗螺 丝固定在散热器（外壳）上。散热器内部 充满了填充材料，但是与金属板背面不接 触，热量只能通过金属板与散热器的接触 部分传导。另外，二者之间配置有O环，确

37、保了气密性。 散热器与金属板的接触部分呈环状，面 积并不算大。金属板背面的接触部分有整圈 的凸缘，不仅组装时容易定位，而且略微扩 大了接触面积。另外，金属板的外沿裸露于 灯泡的外部，成为灯泡设计上的点缀。 配置于金属板与散热器接触部分周边的 O形环用途不详。如果是为了保持气密性， 那么该环的作用应该是防止液体树脂填充后 的材料外漏，防止从外部进水。促进热量从 金属板向散热器传导也是可以想象得到的目 的之一。 *5：东芝照明4.1W型（白色、总光通量 340lm）LED灯泡配备4个LED封装。 *6：玻璃内面涂有散光涂料，该涂料能够使 方向性较强的LED光线转变为均匀的面发 光。 *7：夏普LE

38、D灯泡方面，拆解产品（额定功 耗为7.5W的产品）重158g、4.1W产品重 118g。由此可以推测，采用部件和内部结 构可能存在差异。 （三）：电源电路尺寸明显不同（三）：电源电路尺寸明显不同 散热器内部安装了电源电路底板和树脂 壳。图6是取下东芝照明的LED灯泡下方金 属盖之后的情形。电源电路底板插在用1颗 螺丝固定在散热器上的树脂壳中。 图6：东芝照明LED灯泡的下部电源电路底板插在树 脂壳中。树脂壳利用1颗螺丝固定在散热器上。 电源电路底板为长方形酚醛纸底板，树 脂壳基本接近圆筒形（图7）。底板与散热 器之间配置了树脂壳，保证了二者之间的 绝缘性。 图7：东芝 照明LED 灯泡的树 脂

39、壳与电 源电路底 板树脂壳 仅在金属 盖一侧 （图中右 侧）有开 放部位， 保证了电 源电路底 板与散热 器的绝缘 性。电源 电路底板 呈长方 形，通过 连接器与 LED底板 相接。 图8是夏普的LED灯泡散热器截面。因为 填充材料坚硬，从上方清除需要花费大量 时间，因此直接剖开了散热器。 图8：夏普LED灯泡的截面散热器内部充满了致密的填充材 料，电源电路底板和树脂壳被完全覆盖。 剖开散热器后，随着逐步剥离填充材 料，电源电路底板和支撑该底板的树脂壳 （以下，树脂壳A）的形状逐渐显现了出来 （图9）。电源电路底板形似板羽球拍，尺 寸与散热器内径基本相同。 图9：夏普LED灯泡的电源电路底板清

40、除填充材料后，电源电路 底板上安装的部件呈现在眼前。电源电路底板呈“板羽球拍”形 状，延伸至最下方的树脂壳A（安装金属盖用）中。 夏普的电源电路底板为环氧玻璃制造， 远远大于东芝照明的底板。这是由于底板尺 寸导致散热器沟道高度受限？还是为了在有 限的空间中，为了达到成本和发热量的最优 平衡而决定的电源电路的部件和底板尺寸？ 这些问题未能得到答案。但总而言之，电源 电路底板产生的热量需要传导至散热器。夏 普表示，“为了在日后实现对E17和E11等小 型灯座的支持，目前正在探讨底板的小型 化”。 树脂壳A为仅保留了圆筒形上端和下端的 环状而切割下来的一侧。配备电源电路部 件的另一侧有较大开口，便于

41、向散热器传 导热量。 LED灯泡的组装步骤推测如下。 东芝照明的工序为：在散热器上固 定树脂壳（1处螺丝固定）；插入电源电 路底板；安装金属盖（包括连接布 线）；固定LED基片（2处螺丝固定）； 利用连接器连接布线；连接球形灯 罩。 夏普的工序为：在散热器上固定树脂壳 B；（3处螺丝固定）；在散热器中插入 树脂壳A；在树脂壳A中插入电源电路底 板；安装金属盖（包括连接布线）； 注入填充材料；配置O环；固定金属板 （3处螺丝固定）；固定LED基片（3处 螺丝固定）；布线焊接；连接球形灯 罩。 与东芝照明以散热器为中心，沿上下两 个方向安装部件不同，夏普采用的是从下 到上逐步安装的方式。 夏普虽然

42、工序较多，但是在中国的工厂 制造的，所以工序虽多仍然可行。而东芝 照明是在日本国内工厂组装的，所以从成 本上考虑也更需要削减部件数量和组装工 时。 （四）：变更散热方式实现低成本（四）：变更散热方式实现低成本 正如文章开头介绍的那样，在夏普发表的刺激 下，东芝照明通过变更原有产品的设计实现了低 价格化。原有产品2009年8月已经可以购买到， 为了确认设计上的变更内容，拆解组对原有产品 也进行了拆解*8。 外观差异仅在于散热器上方（与球形灯罩之 间）的银色装饰环（图10）。因为银色装饰环对 提高散热性、提高发光效率没有任何帮助，所以 新产品省略了该环。虽然散热器的模具需要随之 修改，但考虑到几十

43、万的产量，省略装饰环更有 益于降低成本。 图10：东芝照明LED灯泡的比较新产品与原有产品相比，除外观上 的涂装颜色从白色变为银色外，还省略了与散热无关的装饰环。 摘下球形灯罩看不出原有产品与新产品 的差异。但去除金属盖后，差异则一目了 然：原有产品在树脂壳中，电源电路底板 内侧存在填充材料（图11）。而新产品的 树脂壳中只插入了电源电路底板。 图11：东芝照明LED灯泡（原有产品）的下部为了 使电源电路底板的热量高效传导至散热器，底板 背面与散热器之间充满了填充材料。 从散热器中拔出树脂壳可以看到，原有 产品的树脂壳长度短于新产品（图12）。 而且，树脂壳的侧面还有新产品中没有的 开放部位。

44、其目的是使壳中的填充材料与 散热器相接触。 图12：东芝照明LED灯泡（原有产品）的树脂壳与电源电 路底板树脂壳上有开放部位，可供填充材料与散热器的内 面接触。 新产品为什么无需填充材料呢？关于这一点， 东芝照明的回答是：原有产品使用6芯片并联的 LED封装，而新产品改为了3芯片串联；电源电 路的输出电流减小，发热量也随之降低；所以新 产品无需再利用填充材料传导电源电路底板热 量。放大观察LED封装的确可以看到芯片数量上 的差异。节省填充材料注入工序，组装成本也可 以相应降低。 东芝还表示，电源电路底板的变更也有助于 降低成本。新产品采用了酚醛纸底板，而原有产 品采用的是环氧玻璃底板。按照熟悉

45、电子电路的 技术人员的说法：“底板的成本虽说与产量也有关 系，但光是此项改变底板就可以从300500日元 降低到约50日元”。 实际取出底板查看，原有产品确实为环 氧玻璃底板。与新产品的酚醛纸底板相比， 酚醛纸底板的布线仅为单面，而环氧玻璃底 板为两面，因此，原有产品的底板较小。也 就是说，新产品为采用酚醛纸而扩大了底板 面积，容纳底板的树脂壳也不得不增大。 这一设计变更需要修改散热器模具，这 是成本增加的因素。但东芝表示：“通过变 更设计，散热器使用的材料量会略微减少。 综合来看，重新开模仍然能降低成本”。 散热器使用陶瓷散热器使用陶瓷 斯坦利电气同样是新步入LED灯泡市场 的公司之一。在汽

46、车照明领域业绩卓著的该 公司计划从2009年9月开始量产LED灯泡 *9。因为拆解时该公司的量产尚未开始，所 以拆解组未能对实物进行拆解，在此对采访 中获悉的散热方式的改进加以介绍。 斯坦利电气的LED灯泡的最大特点在于 散热器材料为陶瓷（图13）。因为陶瓷向 空气的导热率高于东芝照明和夏普采用的铝 合金，因此散热器面积可以缩小。 不过，从成本来看，铝合金铸件的成本 要低，许多厂商也因此放弃了陶瓷。但斯坦 利电气却发现了缩小散热器后带来的巨大好 处：可以实现全方位发光。 现在，采用铝合金制散热器的LED灯泡 必须把LED设置在接近顶端的位置。因此， 光线很难在金属盖附近沿横向发散。无法像 白炽

47、灯泡一样应用于金属盖横向附近有反射 板的照明器具、以及灯泡设置位置偏低且需 要全方位发光的落地灯。而采用陶瓷散热器 后，LED的设置位置可以靠近金属盖，从而 满足上述用途的需求，替换白炽灯泡的难度 也随之降低。 斯坦利电气的铝合金制LED基片向散热 器导热的方式也进行了改进（图14）。 LED基片由陶瓷散热器内侧的凸缘顶端支 撑。由于其接触面积较小，因此依靠接触 无法获得充分的热量传导。而且，陶瓷表 面向空气的导热率虽高，但陶瓷内部的导 热率偏低，这也会影响导热效果。 图13：斯坦 利电气 LED灯泡 通过采用 高散热性 的陶瓷， 散热器 （外壳） 可以缩 小，除上 方外，还 可以照亮 周围。 图14：斯坦 利电气 LED灯泡 的截面想 象图由于 LED基片 与散热器 的 接触部分 无法充分 传导热 量，因此 内部填充 了连接二 者的填充 材料 为此，该公司向散热器内部填充了高导 热率的硅类填充材料，使LED基片的背面也 与填充材料实现了接触。这一改进打通了 LED基片经由填充材料向陶瓷散热器高效传 导热量的途径。为了使填充材料与LED底板 的背面紧密接触，组装方法也相应进行了改 进。 由于生产准备过程花费了大量时间，斯 坦利电气未能如期投产。成本虽然在决定投 产时已经达到了最佳平衡点，但要实现低价 LED灯泡的成本还是花费了时间。