LED燈泡的內部構造.doc

精品文檔圖1：低價LED燈泡東芝照明與夏普陸續(xù)上市了價格約為以往一半，即零售價不到4000日元的普通燈泡型LED照明（LED燈泡）。為了防止發(fā)光效率下降、壽命縮短，LED的散熱非常重要。因此，LED燈泡的下半部分為鋁合金鑄件制造的散熱器。（點擊放大）以發(fā)光二極管（LED）為光源的照明器具憑借功耗低、壽命長的特點逐漸開始在市場上滲透。其中，意欲替代白熾燈泡、燈泡型熒光燈等傳統(tǒng)燈泡的燈泡型LED照明（以下，簡稱LED燈泡）近來更是備受關注。因為按照LED壽命計算的燈泡的單位時間價格已經與傳統(tǒng)燈泡相當，所以，有望在普通家庭中加速普及。 率先推出低價LED燈泡的廠商是夏普。夏普于2009年6月11日宣布，該公司將以實際售價不到4000日元的低價格為賣點進軍LED燈泡市場。這一價格的設定非常具有沖擊力，約為當時LED燈泡市售價格的一半。在2009年3月開始銷售LED燈泡的東芝照明（Toshiba Lighting）迅速做出反應，于夏普產品發(fā)布的11天之后，即6月22日發(fā)布了與夏普同在7月15日上市的新型低價LED燈泡產品*1、*2。 燈泡的下半部為散熱部件 低價格化并不意味著LED燈泡可以拋棄功耗低、壽命長等特有的優(yōu)點。而且，產品要想立足于市場，還需要具有較高的散熱能力。 LED燈泡發(fā)出的光線中紅外線成分少。因此，與白熾燈泡、燈泡型熒光燈相比，光線照射部分升溫較慢*3。但LED自身會發(fā)熱，所以散熱對策不可缺少。一旦超過LED芯片的容許溫度，LED的發(fā)光效率就會下降，對燈泡的壽命也會產生不良影響。 從外部來看，LED燈泡的特征可以說是提高了散熱性的結果。從側面看LED燈泡，整體下側的一半以上為散熱器（圖1）。東芝照明、夏普都采用了鋁合金鑄件制造的散熱器。 比較二者的散熱器，除顏色外，形狀差異也非常明顯。在高度方面雖然夏普產品稍微多些，但散熱器溝道面積則是東芝照明的較大。東芝照明產品的溝道深度從下到上逐漸遞增，而夏普的則是上下基本等高。 散熱器的表面積越大，散熱性能越高。在外形尺寸有限的情況下，加大溝道深度是增加表面積的方法之一，但隨著溝道深度的增加，電源電路底板、樹脂殼等的內部安裝空間會隨之減少*4。 東芝照明的散熱器內部空間為圓柱形，夏普產品則為接近外形的圓錐形（圖2）。樹脂殼在保持絕緣性的同時，把電源電路底板安裝在燈泡殼體上。 圖2：LED燈泡的主要結構東芝照明LED燈泡散熱器（外殼）的圓筒側面有16片直角三角形溝道，上覆圓板。上面直接固定LED基片。電源電路底板固定在杯狀樹脂殼中，從散熱器下方插入。另一方面，夏普LED燈泡的散熱器呈有錐度的圓筒形狀，表面安裝有60片高度不到幾mm的葉片。LED基片固定在散熱器上方覆蓋的圓板狀金屬板上。電源電路底板固定在散熱器上方插入的圓錐形（但側面大部分鏤空）樹脂殼A中。（點擊放大）LED芯片是LED燈泡的最大熱源，在燈泡中是把復數個LED芯片封裝在一起，然后安裝在鋁合金制成的基片上的。這種鋁合金的LED基片被固定在散熱器的上部。夏普的產品中，LED基片與散熱器之間還夾有金屬板。 本文將結合東芝照明產品及夏普產品的LED燈泡拆解圖，詳細介紹其內部構造。（未完待續(xù)散熱器連接構造各不相同 擴散LED光線的半球狀部分被稱為“球形燈罩”。東芝照明的球形燈罩為聚碳酸酯制，利用粘合劑固定于散熱器上方的4個位置。而普通燈泡的球形燈罩一般為玻璃制造。這是因為LED光線不容易發(fā)熱，所以能夠采用樹脂。而且，采用樹脂之后，在燈泡掉落時也不易破裂，安全性由此提高。 球形燈罩下方配置的是LED基片。在東芝照明的產品中，6.9W（白色、總光通量565lm）額定功耗的產品中，LED基片上的LED封裝數量為7個（圖3）*5。 圖3：東芝照明LED燈泡的上部 LED基片背面與散熱器（外殼）上表面接觸，直接利用2顆螺絲固定。（點擊放大）東芝照明的LED基片上安裝有連接電源電路線的連接器。連接器是無需焊接的產品，估計是優(yōu)先考慮了組裝的簡易性。附帶一提的是，東芝照明的LED燈泡是在日本國內工廠組裝的。 LED基片由2顆螺絲固定，拆下基片后可以看到散熱器的上表面。這一部分利用機械加工進行了平坦化處理，只需對LED基片進行螺絲固定即可與基片背面充分貼合從而獲得導熱性能。 夏普的LED燈泡的球形燈罩為玻璃制造*6。7.5W（日光色、總光通量560lm）額定功耗產品的LED基片上配備了6個LED封裝（圖4）。電源電路底板之間的布線采用焊接方式連接。 圖4：夏普LED燈泡的上部 LED基片利用3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂有導熱油。另外，與電源電路底板的布線進行了焊接。（點擊放大）LED基片通過3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂布了導熱硅脂（Grease）。固定LED基片的不是鋁合金鑄件制造的散熱器，而是另外的金屬板。材質雖然為鋁合金，但表面看不出機械加工痕跡。用這種金屬板固定LED基片，兩者的貼合性能有可能不夠充分，所以需要使用導熱硅脂。 金屬板利用3顆螺絲（不是固定LED基片的螺絲）被固定在散熱器上。取下金屬板可以看到，散熱器內部充滿了黑色樹脂（圖5）*7。估計這些樹脂是促進導熱的填充材料，但這些樹脂與金屬板的背面并未接觸，所以推測其主要目的是向散熱器傳導電源電路底板的熱量，而不是LED封裝發(fā)出的熱量。 圖5：夏普LED燈泡的內部金屬板利用3顆螺絲固定在散熱器（外殼）上。散熱器內部充滿了填充材料，但是與金屬板背面不接觸，熱量只能通過金屬板與散熱器的接觸部分傳導。另外，二者之間配置有O環(huán)，確保了氣密性。（點擊放大）散熱器與金屬板的接觸部分呈環(huán)狀，面積并不算大。金屬板背面的接觸部分有整圈的凸緣，不僅組裝時容易定位，而且略微擴大了接觸面積。另外，金屬板的外沿裸露于燈泡的外部，成為燈泡設計上的點綴。 配置于金屬板與散熱器接觸部分周邊的O形環(huán)用途不詳。如果是為了保持氣密性，那么該環(huán)的作用應該是防止液體樹脂填充后的材料外漏，防止從外部進水。促進熱量從金屬板向散熱器傳導也是可以想象得到的目的之一。電源電路尺寸明顯不同 散熱器內部安裝了電源電路底板和樹脂殼。圖6是取下東芝照明的LED燈泡下方金屬蓋之后的情形。電源電路底板插在用1顆螺絲固定在散熱器上的樹脂殼中。 圖6：東芝照明LED燈泡的下部電源電路底板插在樹脂殼中。樹脂殼利用1顆螺絲固定在散熱器上。（點擊放大）電源電路底板為長方形酚醛紙底板，樹脂殼基本接近圓筒形（圖7）。底板與散熱器之間配置了樹脂殼，保證了二者之間的絕緣性。 圖7：東芝照明LED燈泡的樹脂殼與電源電路底板樹脂殼僅在金屬蓋一側（圖中右側）有開放部位，保證了電源電路底板與散熱器的絕緣性。電源電路底板呈長方形，通過連接器與LED底板相接。（點擊放大）圖8是夏普的LED燈泡散熱器截面。因為填充材料堅硬，從上方清除需要花費大量時間，因此直接剖開了散熱器。 圖8：夏普LED燈泡的截面散熱器內部充滿了致密的填充材料，電源電路底板和樹脂殼被完全覆蓋。（點擊放大）剖開散熱器后，隨著逐步剝離填充材料，電源電路底板和支撐該底板的樹脂殼（以下，樹脂殼A）的形狀逐漸顯現了出來（圖9）。電源電路底板形似板羽球拍，尺寸與散熱器內徑基本相同。 圖9：夏普LED燈泡的電源電路底板清除填充材料后，電源電路底板上安裝的部件呈現在眼前。電源電路底板呈“板羽球拍”形狀，延伸至最下方的樹脂殼A（安裝金屬蓋用）中。（點擊放大）夏普的電源電路底板為環(huán)氧玻璃制造，遠遠大于東芝照明的底板。這是由于底板尺寸導致散熱器溝道高度受限？還是為了在有限的空間中，為了達到成本和發(fā)熱量的最優(yōu)平衡而決定的電源電路的部件和底板尺寸？這些問題未能得到答案。但總而言之，電源電路底板產生的熱量需要傳導至散熱器。夏普表示，“為了在日后實現對E17和E11等小型燈座的支持，目前正在探討底板的小型化”。 樹脂殼A為僅保留了圓筒形上端和下端的環(huán)狀而切割下來的一側。配備電源電路部件的另一側有較大開口，便于向散熱器傳導熱量。 LED燈泡的組裝步驟推測如下。 東芝照明的工序為：在散熱器上固定樹脂殼（1處螺絲固定）；插入電源電路底板；安裝金屬蓋（包括連接布線）；固定LED基片（2處螺絲固定）；利用連接器連接布線；連接球形燈罩。 夏普的工序為：在散熱器上固定樹脂殼B；（3處螺絲固定）；在散熱器中插入樹脂殼A；在樹脂殼A中插入電源電路底板；安裝金屬蓋（包括連接布線）；注入填充材料；配置O環(huán)；固定金屬板（3處螺絲固定）；固定LED基片（3處螺絲固定）；布線焊接；連接球形燈罩。 與東芝照明以散熱器為中心，沿上下兩個方向安裝部件不同，夏普采用的是從下到上逐步安裝的方式。 夏普雖然工序較多，但是在中國的工廠制造的，所以工序雖多仍然可行。而東芝照明是在日本國內工廠組裝的，所以從成本上考慮也更需要削減部件數量和組裝工時。（未完待續(xù)，日經制造拆解組）變更散熱方式實現低成本 正如文章開頭介紹的那樣，在夏普發(fā)表的刺激下，東芝照明通過變更原有產品的設計實現了低價格化。原有產品2009年8月已經可以購買到，為了確認設計上的變更內容，拆解組對原有產品也進行了拆解*8。 外觀差異僅在于散熱器上方（與球形燈罩之間）的銀色裝飾環(huán)（圖10）。因為銀色裝飾環(huán)對提高散熱性、提高發(fā)光效率沒有任何幫助，所以新產品省略了該環(huán)。雖然散熱器的模具需要隨之修改，但考慮到幾十萬的產量，省略裝飾環(huán)更有益于降低成本。 圖10：東芝照明LED燈泡的比較新產品與原有產品相比，除外觀上的涂裝顏色從白色變?yōu)殂y色外，還省略了與散熱無關的裝飾環(huán)。（點擊放大）摘下球形燈罩看不出原有產品與新產品的差異。但去除金屬蓋后，差異則一目了然：原有產品在樹脂殼中，電源電路底板內側存在填充材料（圖11）。而新產品的樹脂殼中只插入了電源電路底板。 圖11：東芝照明LED燈泡（原有產品）的下部為了使電源電路底板的熱量高效傳導至散熱器，底板背面與散熱器之間充滿了填充材料。（點擊放大）從散熱器中拔出樹脂殼可以看到，原有產品的樹脂殼長度短于新產品（圖12）。而且，樹脂殼的側面還有新產品中沒有的開放部位。其目的是使殼中的填充材料與散熱器相接觸。圖12：東芝照明LED燈泡（原有產品）的樹脂殼與電源電路底板樹脂殼上有開放部位，可供填充材料與散熱器的內面接觸。（點擊放大）新產品為什么無需填充材料呢？關于這一點，東芝照明的回答是：原有產品使用6芯片并聯的LED封裝，而新產品改為了3芯片串聯；電源電路的輸出電流減小，發(fā)熱量也隨之降低；所以新產品無需再利用填充材料傳導電源電路底板熱量。放大觀察LED封裝的確可以看到芯片數量上的差異。節(jié)省填充材料注入工序，組裝成本也可以相應降低。 東芝還表示，電源電路底板的變更也有助于降低成本。新產品采用了酚醛紙底板，而原有產品采用的是環(huán)氧玻璃底板。按照熟悉電子電路的技術人員的說法：“底板的成本雖說與產量也有關系，但光是此項改變底板就可以從300500日元降低到約50日元”。 實際取出底板查看，原有產品確實為環(huán)氧玻璃底板。與新產品的酚醛紙底板相比，酚醛紙底板的布線僅為單面，而環(huán)氧玻璃底板為兩面，因此，原有產品的底板較小。也就是說，新產品為采用酚醛紙而擴大了底板面積，容納底板的樹脂殼也不得不增大。 這一設計變更需要修改散熱器模具，這是成本增加的因素。但東芝表示：“通過變更設計，散熱器使用的材料量會略微減少。綜合來看，重新開模仍然能降低成本”。 圖13：斯坦利電氣LED燈泡通過采用高散熱性的陶瓷，散熱器（外殼）可以縮小，除上方外，還可以照亮周圍。（點擊放大）圖14：斯坦利電氣LED燈泡的截面想像圖由于LED基片與散熱器的接觸部分無法充分傳導熱量，因此內部填充了連接二者的填充材料。（點擊放大）散熱器使用陶瓷 斯坦利電氣同樣是新步入LED燈泡市場的公司之一。在汽車照明領域業(yè)績卓著的該公司計劃從2009年9月開始量產LED燈泡*9。因為拆解時該公司的量產尚未開始，所以拆解組未能對實物進行拆解，在此對采訪中獲悉的散熱方式的改進加以介紹。 斯坦利電氣的LED燈泡的最大特點在于散熱器材料為陶瓷（圖13）。因為陶瓷向空氣的導熱率高于東芝照明和夏普采用的鋁合金，因此散熱器面積可以縮小。 不過，從成本來看，鋁合金鑄件的成本要低，許多廠商也因此放棄了陶瓷。但斯坦利電氣卻發(fā)現了縮小散熱器后帶來的巨大好處：可以實現全方位發(fā)光。 現在，采用鋁合金制散熱器的LED燈泡必須把LED設置在接近頂端的位置。因此，光線很難在金屬蓋附近沿橫向發(fā)散。無法像白熾燈泡一樣應用于金屬蓋橫向附近有反射板的照明器具、以及燈泡設置位置偏低且需要全方位發(fā)光的落地燈。而采用陶瓷散熱器后，LED的設置位置可以靠近金屬蓋，從而滿足上述用途的需求，替換白熾燈泡的難度也隨之降低。 斯坦利電氣的鋁合金制LED基片向散熱器導熱的方式也進行了改進（圖14）。LED基片由陶瓷散熱器內側的凸緣頂端支撐。由于其接觸面積較小，因此依靠接觸無法獲得充分的熱量傳導。而且，陶瓷表面向空氣的導熱率雖高，但陶瓷內部的導熱率偏低，這也會影響導熱效果。 為此，該公司向散熱器內部填充了高導熱率的硅類填充材料，使LED基片的背面也與填充材料實現了接觸。這一改進打通了LED基片經由填充材料向陶瓷散熱器高效傳導熱量的途徑。為了使填充材料與LED底板的背面緊密接觸，組裝方法也相應進行了改進。 由于生產準備過程花費了大量時間，斯坦利電氣未能如期投產。成本雖然在決定投產時已經達到了最佳平衡點，但要實現低價LED燈泡的成本還是花費了時間。（未完待續(xù)，日經制造拆解組） 更多請看明日刊出的（五）：提高LED封裝的散熱性變更散熱方式實現低成本 正如文章開頭介紹的那樣，在夏普發(fā)表的刺激下，東芝照明通過變更原有產品的設計實現了低價格化。原有產品2009年8月已經可以購買到，為了確認設計上的變更內容，拆解組對原有產品也進行了拆解*8。 外觀差異僅在于散熱器上方（與球形燈罩之間）的銀色裝飾環(huán)（圖10）。因為銀色裝飾環(huán)對提高散熱性、提高發(fā)光效率沒有任何幫助，所以新產品省略了該環(huán)。雖然散熱器的模具需要隨之修改，但考慮到幾十萬的產量，省略裝飾環(huán)更有益于降低成本。 圖10：東芝照明LED燈泡的比較新產品與原有產品相比，除外觀上的涂裝顏色從白色變?yōu)殂y色外，還省略了與散熱無關的裝飾環(huán)。（點擊放大）摘下球形燈罩看不出原有產品與新產品的差異。但去除金屬蓋后，差異則一目了然：原有產品在樹脂殼中，電源電路底板內側存在填充材料（圖11）。而新產品的樹脂殼中只插入了電源電路底板。 圖11：東芝照明LED燈泡（原有產品）的下部為了使電源電路底板的熱量高效傳導至散熱器，底板背面與散熱器之間充滿了填充材料。（點擊放大）從散熱器中拔出樹脂殼可以看到，原有產品的樹脂殼長度短于新產品（圖12）。而且，樹脂殼的側面還有新產品中沒有的開放部位。其目的是使殼中的填充材料與散熱器相接觸。圖12：東芝照明LED燈泡（原有產品）的樹脂殼與電源電路底板樹脂殼上有開放部位，可供填充材料與散熱器的內面接觸。（點擊放大）新產品為什么無需填充材料呢？關于這一點，東芝照明的回答是：原有產品使用6芯片并聯的LED封裝，而新產品改為了3芯片串聯；電源電路的輸出電流減小，發(fā)熱量也隨之降低；所以新產品無需再利用填充材料傳導電源電路底板熱量。放大觀察LED封裝的確可以看到芯片數量上的差異。節(jié)省填充材料注入工序，組裝成本也可以相應降低。 東芝還表示，電源電路底板的變更也有助于降低成本。新產品采用了酚醛紙底板，而原有產品采用的是環(huán)氧玻璃底板。按照熟悉電子電路的技術人員的說法：“底板的成本雖說與產量也有關系，但光是此項改變底板就可以從300500日元降低到約50日元”。 實際取出底板查看，原有產品確實為環(huán)氧玻璃底板。與新產品的酚醛紙底板相比，酚醛紙底板的布線僅為單面，而環(huán)氧玻璃底板為兩面，因此，原有產品的底板較小。也就是說，新產品為采用酚醛紙而擴大了底板面積，容納底板的樹脂殼也不得不增大。 這一設計變更需要修改散熱器模具，這是成本增加的因素。但東芝表示：“通過變更設計，散熱器使用的材料量會略微減少。綜合來看，重新開模仍然能降低成本”。 圖13：斯坦利電氣LED燈泡通過采用高散熱性的陶瓷，散熱器（外殼）可以縮小，除上方外，還可以照亮周圍。（點擊放大）圖14：斯坦利電氣LED燈泡的截面想像圖由于LED基片與散熱器的接觸部分無法充分傳導熱量，因此內部填充了連接二者的填充材料。（點擊放大）散熱器使用陶瓷 斯坦利電氣同樣是新步入LED燈泡市場的公司之一。在汽車照明領域業(yè)績卓著的該公司計劃從2009年9月開始量產LED燈泡*9。因為拆解時該公司的量產尚未開始，所以拆解組未能對實物進行拆解，在此對采訪中獲悉的散熱方式的改進加以介紹。 斯坦利電氣的LED燈泡的最大特點在于散熱器材料為陶瓷（圖13）。因為陶瓷向空氣的導熱率高于東芝照明和夏普采用的鋁合金，因此散熱器面積可以縮小。 不過，從成本來看，鋁合金鑄件的成本要低，許多廠商也因此放棄了陶瓷。但斯坦利電氣卻發(fā)現了縮小散熱器后帶來的巨大好處：可以實現全方位發(fā)光。 現在，采用鋁合金制散熱器的LED燈泡必須把LED設置在接近頂端的位置。因此，光線很難在金屬蓋附近沿橫向發(fā)散。無法像白熾燈泡一樣應用于金屬蓋橫向附近有反射板的照明器具、以及燈泡設置位置偏低且需要全方位發(fā)光的落地燈。而采用陶瓷散熱器后，LED的設置位置可以靠近金屬蓋，從而滿足上述用途的需求，替換白熾燈泡的難度也隨之降低。 斯坦利電氣的鋁合金制LED基片向散熱器導熱的方式也進行了改進（圖14）。LED基片由陶瓷散熱器內側的凸緣頂端支撐。由于其接觸面積較小，因此依靠接觸無法獲得充分的熱量傳導。而且，陶瓷表面向空氣的導熱率雖高，但陶瓷內部的導熱率偏低，這也會影響導熱效果。 為此，該公司向散熱器內部填充了高導熱率的硅類填充材料，使LED基片的背面也與填充材料實現了接觸。這一改進打通了LED基片經由填充材料向陶瓷散熱器高效傳導熱量的途徑。為了使填充材料與LED底板的背面緊密接觸，組裝方法也相應進行了改進。 由于生產準備過程花費了大量時間，斯坦利電氣未能如期投產。成本雖然在決定投產時已經達到了最佳平衡點，但要實現低價LED燈泡的成本還是花費了時間。（未完待續(xù)，日經制造拆解組）提高LED封裝的散熱性 上面介紹的3家公司都為提高LED基片向散熱器導熱的效率而對LED的散熱方式進行了改進。其共同點在于基片采用了鋁合金板與布線圖案之間夾有絕緣層的金屬底板。為有利于LED芯片向底板安裝部位導熱而采取的措施沒有太大差異。 今后，為了實現亮度相當于100W白熾燈泡的LED燈泡，還需要與此不同的提高散熱的對策。新型LED封裝就是對策之一。 日本鎢（Nippon Tungsten）開發(fā)出了由鍍銀的銅引線框架與陶瓷外殼組合而成的LED封裝（圖15）。該封裝將作為未安裝LED芯片的芯片底板供應廠商。 圖15：日本鎢提供的LED封裝銅板鍍銀的引線框架固定在價格較低的陶瓷外殼上。熱量主要通過引線框架向散熱器傳導。（點擊放大）過去曾經有過采用高導熱性氮化鋁材料作為LED封裝外殼的產品。LED的熱量可以借助外殼傳導至封裝底板。雖然該外殼能夠憑借導熱性和耐熱性優(yōu)于樹脂外殼的特點實現高功率LED封裝，但成本昂貴。 與之相比，日本鎢的芯片封裝底板采用銅引線框架作為導熱路徑，而非LED封裝外殼。外殼采用了導熱性差，但耐熱性優(yōu)秀的廉價陶瓷。從而使成本降低到了原有陶瓷LED封裝的一半。 這種封裝的結構雖然非常簡單，但銅的熔點低，難以與陶瓷組合。為此，該公司自行開發(fā)出了能夠以低于銅熔點的溫度燒制、與銅結合性強的陶瓷。通過改進燒制時的溫度控制和固定方法，成功開發(fā)出了電極（引線框架頂端之間）間隔小于70m的高精度芯片底板（圖16）?，F已開始樣品供應。 圖16：日本鎢的LED封裝試制品與導熱分析的結果該公司開發(fā)出了能夠以低于銅熔點的溫度燒制，且與銅接合能力較高的陶瓷。試制品可以安裝10個LED芯片，導熱性能良好，LED芯片與引線框架的溫度差約為2。在導熱分析中，越接近紅色表示溫度越高。（點擊放大）電氣化學工業(yè)的“電氣化AGSP底板”也是提高LED封裝散熱性的手段之一。該公司利用大和工業(yè)（總部：長野縣岡谷市）開發(fā)的技術，制造出了任意形狀的銅柱貫穿于任意位置的底板。如果把該底板作為LED封裝外殼的一部分使用，就可以借助銅柱與LED芯片的接觸，向散熱器傳導熱量。雖然在成本方面仍有需要解決的課題，但新型封裝的采用在今后完全有望擴大。（全文完，日經制造拆解組）【拆解】從內部構造看松下LED燈泡的與眾不同之處2009/09/16 00:00 打印 E-mail 圖1：松下發(fā)布的燈口為E17型的燈泡式LED燈。中央部分的黃色四角形物體是白色LED封裝。(點擊放大)圖2：燈泡式LED燈的截面結構。在底部形成白色和黃色雙重結構的物體是白色LED封裝。(點擊放大)燈泡式LED燈作為白熾燈和燈泡式熒光燈的替代品備受關注。2009年9月10日松下宣布將上市LED燈產品（參閱本站報道）。至此，日本國內的主要照明廠商全部聚齊。在燈泡式LED燈市場上，廠商間的激烈競爭由此開始。自從夏普2009年6月宣布向市場投放價格近原來一半的燈泡式LED燈以來，已經推出LED燈泡的東芝照明隨即降低了產品價格，與夏普形成了對抗之勢，緊接著8月NEC照明發(fā)布產品（9月24日上市），9月三菱電機歐司朗發(fā)布產品（9月21日上市）以及此次松下發(fā)布產品（10月21日上市）。 形成群雄割據的局面后，對各公司來說“實現產品差異化的關鍵是什么”這一問題就變得越來越重要。在上述廠商中，最后涉足LED燈泡市場的松下提出的實現差異化的要點是“業(yè)界第一的節(jié)能水平”（該公司）。綜合效率（包括光源和電源電路在內的整個燈泡的發(fā)光效率）方面，松下的輸入功率為4W的產品（亮度相當于40W的白熾燈）高達85.0lm/W，輸入功率為6.9W的產品（亮度相當于60W的白熾燈）高達82.6lm/W。而夏普的燈泡式LED燈的綜合效率為74.7lm/W（亮度相當于60W的白熾燈）。 松下表示，為了獲得較高的綜合效率，采取了提高封裝和燈泡之間的緊密性、降低熱阻等措施，使發(fā)光時的白色LED封裝溫度不易上升。另外，白色LED封裝還采用了考慮到散熱的設計。LED一般為元件溫度越高發(fā)光效率（光源）越低，因此散熱性的高低是決定性能的重要條件。仔細觀察白色LED封裝就會發(fā)現，與在燈泡式LED燈方面先行一步的東芝照明和夏普的產品相比，松下的封裝方法和形狀與之大不相同。 配備的白色LED封裝只有1個 夏普和東芝照明在燈泡中封裝了46個約5mm見方的白色LED模塊。而松下在每個燈泡中只配備了1個白色LED模塊。該公司采用的白色LED模塊在燈口為E17型的產品型號中是邊長為20mm左右的正方形，在燈口為E26型的產品型號中是邊長更長的正方形。作為白色LED模塊，可歸為較大的類型。白色LED模塊在散熱性出色的陶瓷底板上安裝了多個藍色LED芯片，并在其中組合使用了黃色熒光體材料。此次采用的白色LED模塊由日本豐田合成制造，模塊中的芯片個數沒有公布。 采用大型白色LED模塊的好處是，可大范圍地獲得模塊的散熱面積。這樣一來，就便于熱量從白色LED模塊向燈泡發(fā)散，可盡量抑制發(fā)光時模塊內藍色LED芯片溫度的上升，從而將發(fā)光效率保持在較高狀態(tài)。要想充分發(fā)揮這一效果，提高封裝和燈泡之間的緊密性等燈泡方面的改進必不可少。 大型白色LED模塊此前也有過。例如，西鐵城電子公布了配備2472個藍色LED芯片的產品，IDEC公布了配備27個和55個藍色LED芯片的產品。在大型LED模塊中，東芝照明曾經在演播室用聚光燈中配備了帶有1000個藍色LED芯片的75mm56mm大型白色LED模塊。大型白色LED模塊的輸入功率一般都在5W以上，甚至還有很多超過10W的產品。 不過，在燈泡式LED燈中配備大型白色LED模塊的例子很少見。因為夏普和東芝照明燈采取的使用多個輸入功率為1W級白色LED模塊的方法，“受到了照明器具廠商的青睞”（某LED廠商）。燈泡式LED燈的設計自由度得以提高，而且1W級型號的供貨量較多，因此估計價格已趨于平穩(wěn)。松下此次將出色的散熱性以及由此帶來的高發(fā)光效率放在了優(yōu)先位置。 顯色性指數略遜一籌 松下的產品獲得了較高的發(fā)光效率，而另一方面評測顯色性（照明在照射到物體時的顯色能力）的數值平均顯色指數（Ra）與大多超過74和80的其他公司產品相比略遜一籌。一般來說，在藍色LED芯片組合使用黃色熒光體的白色LED模塊中，紅色的光強度較弱，因此紅色的顯色性較低。這就造成了Ra的降低。雖然改良熒光體、增加紅色就會提高Ra，不過這樣一來發(fā)光效率就會降低。 對于這一點，松下并沒有犧牲顯色性。該公司解說員在產品發(fā)布會上表示，“雖然在Ra數值中沒有表現出來，不過我們改進了熒光體，以使人體的皮膚顏色和金槍魚的生魚片顏色等看起來比較鮮艷”。在現階段，燈泡式LED燈的綜合效率和發(fā)光效率等能源效率以及價格是各大廠商的競爭點，今后除了這些以外，顯色性的高低也將成為實現差異化的關鍵。屆時的課題將是如何宣傳沒有在顯色性數值中表現出來的效果?？梢哉f，對同時兼顧高發(fā)光效率和Ra的熒光體的需求依然很高。（松下上市新款LED燈泡，“實現業(yè)界最高的節(jié)能和輕量化”2009/09/14 00:00 松下發(fā)布的LED燈泡。照片為普通燈泡式產品(點擊放大)8款產品。左起分別是支持調光器、相當于60W白熾燈的普通燈泡式產品，不支持調光器、相當于60W白熾燈的普通燈泡式產品，相當于40W白熾燈的普通燈泡式產品以及小型燈泡式產品。上排是日光色，下排是燈泡色(點擊放大)為提高散熱性而進行的改進措施(點擊放大)松下發(fā)布了8款LED燈泡，分別為安裝在E26型燈口的普通燈泡式產品以及安裝在E17型燈口的小型燈泡式產品。預定從2009年10月21日開始上市。普通燈泡式LED燈泡包括垂直照度分別相當于40W和60W白熾燈的型號，垂直照度相當于60W白熾燈的型號中還備有支持和不支持調光器的2種產品。功耗方面，相當于40W白熾燈的產品為4W，不支持調光器、相當于60W白熾燈的產品為6.9W，支持調光器的產品為7.6W。 小型燈泡式LED燈泡的垂直照度相當于40W的白熾燈，功耗為5.5W。只有支持調光器的產品。小型燈泡式LED燈泡長72mm，最大外徑為40mm，稍大于小型氪氣（Mini Krypton）燈泡（長67mm，外徑為35mm）。上市可代替小型氪氣燈泡的LED燈泡，在業(yè)界尚屬首次。所有型號均備有燈泡色（色溫為2800K）和日光色（色溫為6700K）兩種光色。價格為開放式，無論何種型號，不支持調光器的產品均設想在4000日元左右，支持調光器的產品均設想在5000日元左右。 去掉散熱鰭片以同時兼顧高散熱和輕量化 普通燈泡式LED燈泡的綜合效率方面，相當于60W白熾燈的日光色產品為82.6lm/W，相當于40W白熾燈的日光色產品為85lm/W，“實現了業(yè)界最高的節(jié)能性能”（該公司）。為了提高發(fā)光效率，松下在散熱結構方面進行了改進。 具體措施如下。為了抑制LED封裝和燈泡之間的熱阻，除了使封裝底板和Al（鋁）燈泡緊貼在一起外，還在燈泡表面進行了耐酸鋁（Alumite）處理，從而提高了散熱性。通過進行耐酸鋁處理，放射率提高了45倍左右。 其他公司競爭產品的燈泡為了提高散熱性多設置散熱鰭片，而松下的LED燈泡卻采用平滑表面。“將燈泡放入照明器具后，就無法期望通過自然對流而產生空冷效果，因此與設置散熱鰭片相比我們選擇了耐酸鋁處理”，該公司解說員自豪地說。 不設置散熱鰭片的結構有助于減輕重量。燈泡的圓筒部通過沖壓加工而成，因此厚度薄至0.4mm，重量方面，普通燈泡式LED燈泡為100g、小型燈泡式LED燈泡為50g。與重140g左右的競爭產品相比，普通燈泡式LED燈泡輕3成左右。LED芯片由日本豐田合成生產，采用多芯片單封裝結構。芯片數量等情況沒有公布。2009年度的銷售目標為40萬個。圖1：此次的LED燈泡（點擊放大）圖2：COB結構封裝的制造步驟（實施引線鍵合時）（點擊放大）東芝照明于2009年9月30日發(fā)布的LED燈泡“8.7W普通燈泡型”相當于60W白熾燈泡，日光色產品的總光通量為810lm、發(fā)光效率達到了93lm/W。為此，該產品采用了并排安裝100余個數十mW等級小型LED的COB（Chip On Board）結構大型封裝。 此次LED燈泡開發(fā)的目標是“使總光通量與白熾燈泡相等”（東芝照明LED部LED企劃部商品企劃負責主任佐野浩）。此前的LED燈泡，即使是各公司聲稱相當于60W白熾燈泡的產品，也只意味著“燈泡正下方的亮度與60W白熾燈泡相同”，燈泡發(fā)出的總光通量較低。此次，為了使總光通量與白色燈泡相當，總光通量需要提高到810lm，相當于該公司以往產品的1.41.5倍。 為了實現這一總光通量，東芝照明此次全新采用了COB結構。該公司過去的LED燈泡是把1W等級的多個大型LED芯片分別封裝，然后嵌入LED燈泡。如果利用這種結構使總光通量達到此次的目標，那么配備的數量就需要大幅增加，需要的安裝面積有可能“填滿整個LED燈泡”（同上）。而且散熱也比較困難。所以此次的產品采用了在安裝面積和散熱性方面有利的COB結構。 該結構首先要在封裝底板，即15mm見方的底板上鋪設100余個LED芯片。此時，LED芯片的大小、數量、配置間隔需要通過熱仿真進行優(yōu)化，在此基礎上使配置的形狀整體上盡量接近正方形。然后再對鋪設的芯片進行引線鍵合，在涂布熒光體后進行封裝。從而實現COB結構。 大型平面封裝能否成為主流 除了此次的東芝照明外，在LED燈泡中配備一個大型、平面型白色LED封裝的方式在2009年9月10日松下發(fā)布的產品中也得到了采用（參閱本站報道）。此前的LED燈泡大多需要在燈中安裝46個5mm左右見方、輸入功率為1W等級的白色LED封裝，在今后，配備1個大型LED的方式有望成為主流。 大型白色LED封裝的優(yōu)勢在于能夠擴大封裝的散熱面積。白色LED封裝的熱量容易傳導至外殼，盡可能抑制點亮時封裝內藍色LED芯片的溫度上升，從而使發(fā)光效率保持在較高的狀態(tài)。與之相比，在LED照明方面，安裝多個1W等級白色LED封裝的方式因設計自由度高而受到照明器具廠商的偏愛。因為在設計各種形狀的LED照明時，小型LED封裝的設計限制較少。 一位LED業(yè)內人士表示，使用多個1W等級封裝帶來的設計自由度優(yōu)勢對于LED燈泡并不適用。安裝LED燈泡的金屬口已確定為與現有光源相同，而且，即使LED燈泡的形狀有所改變，也仍然“接近白熾燈泡”。也就是說，LED照明器具的設計自由度并不高。 喪失設計自由度后，大型白色LED封裝在能量效率上對于LED照明便表現出了優(yōu)勢。除前面提到的散熱優(yōu)勢外，有看法認為，因為光損耗小，所以LED燈泡更適合使用大型白色LED封裝。因為大型白色LED封裝接近面光源，LED照明常見的“眩光”較少。一般來說，LED照明需要安裝擴散光線的外殼以抑制眩光。但對于眩光的抑制會造成光損耗。LED業(yè)內人士表示，大型白色LED封裝的眩光少，因此可以使用光透射率較高的外殼，這能夠增加LED本身向燈泡外發(fā)散出的光通量，從而提高燈泡整體的發(fā)光效率。德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）發(fā)布了該公司白色LED“OSLON”的新系列產品“OSLON Black Series”。該產品采用了金屬引線架結構的黑色封裝，實現了如下特點：與印刷底板的熱膨脹率保持一致、提高ESD（靜電放電）特性、無需外加提高發(fā)光效率的反射部材。 新系列通過金屬引線架，實現了大溫差情況下約5萬小時的連續(xù)工作可靠性以及6.5K/W的低熱阻。另一特點是與其他OSLON系列具有管腳兼容性。芯片為1mm2，光束在驅動電流350mA為115lm（色溫度為6500K）、1A時為250lm。光束角度為90度，支持包含燈泡色的各種顏色。德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）開發(fā)出了輸入100mA電流時光通量最大為27lm，亮度提高15的白色LED（英文發(fā)布資料）。為該公司“Advanced Power TOPLED Plus”的新產品。發(fā)光效率最大為90lm/W。主要用于狹小空間內突出角落及輪廓或墻面均等照射的設計照明及店鋪照明。 并且，該產品尺寸小，視野角卻達140度，在視野角范圍內可實現光的均等照射。因此，組合使用多個這種LED，可在有限空間內實現單色光或混色光的均等照射。歐司朗表示，要實現令直線、曲線及平面均等照射時，與采用數個大型LED相比，并列多個此類小尺寸大視野角的LED效果會更佳。 最大輸入功率為0.5W。采用了由引線框架（Lead Frame）高效散熱的結構，因此幾乎不需要特殊的散熱措施。 此次還推出了色溫度27006500K的LED，可將燈泡色轉德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）開發(fā)了集成透鏡的道路照明用白色LED“Golden Dragon Oval Plus”（英文發(fā)布資料1）。通過在封裝內集成透鏡，簡化了配備于照明器具時的光學設計。此外，該款LED還具可抑制向上的雜散光、呈橢圓形狀高效照射以及可將LED照明污染控制在最小限度的優(yōu)點。 視野角方面，垂直方向為80度，水平方向為120度。此次還準備了多款色溫度不同的白色LED，可用于多種用途。比如，色溫度為27004500K的暖白色LED由于可營造出明亮的氛圍，主要面向設置在公共場所等的照明。發(fā)光效率在色溫度為6500K時為標準90lm/W，在5000K時為80lm/W，在4500K時為65lm/W。透鏡材料采用了壽命較長的硅材料。 此外，還開發(fā)出了安裝面積控制在3mm3mm，輸出功率為1W的白色LED“Oslon SSL”（英文發(fā)布資料2）。主要用于聚光燈及臺燈。 “Oslon SSL”體積雖小，但發(fā)光效率卻達到了標準100lm/W。通過采用歐司朗自主開發(fā)的技術，即使輸入大電流，轉換效率也較高。色溫度為5700K及6500K的LED在輸入350mA電流時的光通量為標準110lm，最大為130lm。色溫度為3000K的產品在輸入350mA電流時，發(fā)光效率為標準75lm/W，光通量為85lm。暖白色LED在輸入700mA電流時，光通量為155lm。視野角為80度，熱電阻為7K/W。圖4：采用Remote Phosphor Technology的LED照明模塊。照片中間的多個長方形小物件為藍色LED。使用黃色擴散板可將藍色光變成白色光。（點擊放大）圖5：左側是以采用Remote Phosphor Technology的LED筒燈照射的效果，右側是以大型白色LED組件并排而成的LED筒燈照射的效果。左側的蝴蝶模型影子較為清晰，而右側的影子輪廓比較模糊。這是由于右側照射的光不均勻而造成的。（點擊放大）飛利