LED节能照明装置内部构造详解

    目前业界把注意力集中在替代性能源的研发，或是把节省能源当作是重要的目标。但在“创造更多”能源的同时，如何“用少一点”也是一大挑战。照明能耗在数据中心的整体能耗中所占的比例虽然不高，人们往往容易忽视，日积月累也是一笔不小的数字。随着节能灯泡和LED灯技术的日趋成熟，于是人们有了更多的选择，数据中心的照明节能也越来越多的被重视。与普通照明相比，LED照明如何进行实现低功耗，让我们一探究竟。

    一、LED及其原理简介

    LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。主要应用于各种室内、户外显示屏，汽车内部的仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等。

    LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

    发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生pn结结构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向pn结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量。

    二、LED灯泡的下半部为散热部件

    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，更新数据中心现有的普通照明灯具并不难实现。

    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，光线照射部分升温较慢。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）。例如某些品牌都采用了铝合金铸件制造的散热器，以A、B两家厂商的LED灯泡散热器为例进行比较。

图 1 A、B两家厂商的LED灯泡散热器比较

    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B产品稍微多些，但散热器沟道面积则是A产品的较大。A产品的沟道深度从下到上逐渐递增，而B产品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。

    A产品的散热器内部空间为圆柱形，B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 A、B散热器内部空间比较

    图2：LED灯泡的主要结构A产品的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，B产品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（但侧面大部分镂空）树脂壳A中。

    LED芯片是LED灯泡的热源，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。B产品中，LED基片与散热器之间还夹有金属板。

    三、散热器连接构造不同

    扩散LED光线的半球状部分被称为“球形灯罩”。A产品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。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B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）。

图 3 LED基片上的LED封装数量

    图3：A产品照明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。

    A产品的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。

    LED基片由2颗螺丝固定，拆下基片后可以看到散热器的上表面。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。

    B产品的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 基片利用3颗螺丝固定在金属板上

    图4：B产品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。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）。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 散热器内部充满了黑色树脂

    图5：B产品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。

    四、电路尺寸不同

    散热器内部安装了电源电路底板和树脂壳。图6是取下A产品的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 电源电路底板的作用

    图6：A产品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 在金属盖一侧（图中右侧）有开放部位

    图7：A产品LED灯泡的树脂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B产品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 LED灯泡散热器截面

    图8：B产品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 电路底板清除填充材料后

    图9：B产品LED灯泡的电源电路底板清除填充材料后，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，延伸至下方的树脂壳A（安装金属盖用）中B产品的电源电路底板为环氧玻璃制造，远远大于A产品的底板。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。

    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，便于向散热器传导热量。

    LED灯泡的组装步骤推测如下。

    A产品的工序为：①在散热器上固定树脂壳（1处螺丝固定）；②插入电源电路底板；③安装金属盖（包括连接布线）；④固定LED基片（2处螺丝固定）；⑤利用连接器连接布线；⑥连接球形灯罩。

    B产品的工序为：①在散热器上固定树脂壳B；（3处螺丝固定）；②在散热器中插入树脂壳A；③在树脂壳A中插入电源电路底板；④安装金属盖（包括连接布线）；⑤注入填充材料；⑥配置O环；⑦固定金属板（3处螺丝固定）；⑧固定LED基片（3处螺丝固定）；⑨布线焊接；⑩连接球形灯罩。

    与A照明产品以散热器为中心，沿上下两个方向安装部件不同，B照明产品采用的是从下到上逐步安装的方式。

    五、改善散热方式降低成本

    在市场的刺激下的刺激下，LED照明通过变更原有产品的设计实现了低价格化。让我们再来看一下A厂商的新型产品与原产品的差别。

    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，但考虑到几十万的产量，省略装饰环更有益于降低成本。

图 10 省略了装饰环

    图10：A照明产品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 充满填充材料

    图11：A照明产品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。其目的是使壳中的填充材料与散热器相接触。

图 12 树脂壳上有开放部位

    图12：A照明产品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，厂商的答案是：①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；②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。

    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25~40元下降4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LED厂商表示：“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”。

图 13 高散热性的陶瓷使散热器外壳缩小

    图13：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 填充材料

    图14：LED灯泡的截面想像图由于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

    六、陶瓷是散热材料

    LED灯泡的特点在于散热器材料为陶瓷，因为陶瓷向空气的导热率高于铝合金，因此散热面积可以缩小。

    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。但该公司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。

    该公司的铝合金制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。

    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。成本虽然在决定投产时已经达到了平衡点，但要实现低价LED灯泡的成本还是花费了时间。由于生产准备过程花费了大量时间，该公司未能如期投产。

    七、增强封装的散热性

    上面介绍的3家公司都为提高LED基片向散热器导热的效率而对LED的散热方式进行了改进。其共同点在于基片采用了铝合金板与布线图案之间夹有绝缘层的金属底板。为有利于LED芯片向底板安装部位导热而采取的措施没有太大差异。

    今后，为了实现亮度相当于100W白炽灯泡的LED灯泡，还需要与此不同的提高散热的对策。新型LED封装就是对策之一。

    LED封装是指发光芯片的封装，与集成电路封装有较大不同，不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光。所以，LED封装对封装材料有特殊要求。

    LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。

    针对需求，市场上也出现了由镀银的铜引线框架与陶瓷外壳组合而成的LED封装（图15）。该封装将作为未安装LED芯片的芯片底板供应厂商。

图 15 LED封装

    图15：LED封装铜板镀银的引线框架固定在价格较低的陶瓷外壳上。热量主要通过引线框架向散热器传导。

    过去曾经有过采用高导热性氮化铝材料作为LED封装外壳的产品。LED的热量可以借助外壳传导至封装底板。虽然该外壳能够凭借导热性和耐热性优于树脂外壳的特点实现高功率LED封装，但成本昂贵。

    与之相比，采用铜引线框架作为导热路径的芯片封装地板，外壳采用了导热性差，但耐热性的廉价陶瓷。从而使成本降低到了原有陶瓷LED封装的一半。

    这种封装的结构虽然非常简单，但铜的熔点低，难以与陶瓷组合。为此，该公司自行开发出了能够以低于铜熔点的温度烧制、与铜结合性强的陶瓷。通过改进烧制时的温度控制和固定方法，成功开发出了电极（引线框架顶端之间）间隔小于70μm的高芯片底板（图16）。

图 16 高芯片底板

    图16：LED封装试制品与导热分析的结果，公司开发出了能够以低于铜熔点的温度烧制，且与铜接合能力较高的陶瓷。试制品可以安装10个LED芯片，导热性能良好，LED芯片与引线框架的温度差约为2℃。在导热分析中，越接近红色表示温度越高。

    电气化学工业的“电气化AGSP底板”也是提高LED封装散热性的手段之一。现已开发制造出了任意形状的铜柱贯穿于任意位置的底板。如果把该底板作为LED封装外壳的一部分使用，就可以借助铜柱与LED芯片的接触，向散热器传导热量。虽然在成本方面仍有需要解决的课题，但新型封装的采用在今后完全有望扩大。

    八、发展前景

    作为目前受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪有发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。

    LED照明在北京奥运会开幕式盛典上的惊艳亮相，美轮美奂、气势磅礴，给全世界留下震撼的印象，也让国人对LED有了全新的认识。中国半导体照明行业是很幸运的，在产业起飞的时候就可以遇到难得的奥运契机。对于这场奥运饕餮大宴，LED行业无疑是其中的一大受益者，LED在奥运场馆、景观照明、室内外全彩显示屏、指示等方面的出色表现，增强了社会各界对半导体照明未来发展的信心，有认为，中国LED照明产业将在2010年前后迎来新的发展高峰。