《基于SMDLED封裝的LED面板燈設(shè)計》技術(shù)研究報告

1、 基于SMD LED封裝的LED面板燈設(shè)計技 術(shù) 研 究 報 告擬制： 審核： 批準(zhǔn)： XXXX科技股份有限公司二一四年八月目 錄一、技術(shù)路線方案論證二、主要解決的技術(shù)問題和技術(shù)關(guān)鍵三、研究結(jié)論四、技術(shù)創(chuàng)新點五、總體性能指標(biāo)與國內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)的比較六、技術(shù)成熟程度七、經(jīng)濟(jì)社會效益分析和對科技進(jìn)步的意義八、推廣應(yīng)用的條件和前景九、存在的問題十、知識產(chǎn)權(quán)狀況基于SMD LED封裝的LED面板燈設(shè)計技術(shù)研究報告一、技術(shù)路線方案論證1、技術(shù)路線項目組針對封裝技術(shù)、貼片回流焊技術(shù)、驅(qū)動電源、設(shè)計工藝等幾個主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的研究，依據(jù)掌握的SMD LED封裝技術(shù)和面板燈生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合設(shè)備調(diào)研及公司

2、現(xiàn)有制程能力，制定了圖1技術(shù)路線。圖1 技術(shù)路線圖充分調(diào)研，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上確定面板燈技術(shù)研究開發(fā)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、光學(xué)設(shè)計和可靠性論證，確定材料和設(shè)備指標(biāo)進(jìn)一步落實方案中期樣品試制，進(jìn)行貼片、回流焊和燈具組裝等關(guān)鍵工藝過程的參數(shù)優(yōu)化，確定工藝流程及其關(guān)鍵參數(shù)，取得中期工程樣品整燈設(shè)計技術(shù)研究開發(fā)方案的再論證和完善向大規(guī)模、批量生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移，不斷改進(jìn)，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，創(chuàng)造效益通過質(zhì)量鑒定共同建立高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)、建立和轉(zhuǎn)移平臺，并使之成為長期的技術(shù)開發(fā)中心對中期樣品進(jìn)行可靠性測試評價，必要時改進(jìn)工藝技術(shù)，以提高產(chǎn)品合格率2、技術(shù)方案研發(fā)組基于研制的SMD LED封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點攻克

3、超薄型LED面板燈的關(guān)鍵技術(shù)。具體為電源設(shè)計、PCB板線路設(shè)計、導(dǎo)光板技術(shù)、擴(kuò)散板技術(shù)等幾個主要關(guān)鍵技術(shù)，制定質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足LED燈具組裝生產(chǎn)所需的可靠性的要求,制訂成套工藝文件，實現(xiàn)高可靠性超薄LED燈具產(chǎn)品。項目組對于基于SMD LED封裝產(chǎn)品的LED燈具設(shè)計，分別使用兩種設(shè)計路線制作產(chǎn)品并驗證，主要區(qū)別在于燈具電源和性能參數(shù)的設(shè)計路線。1 方案一方案一是借鑒國內(nèi)一般LED面板燈生產(chǎn)廠商的的設(shè)計思路，先確定燈具的整體參數(shù)，再設(shè)計燈具貼片的PCB電路，最終根據(jù)燈條的驅(qū)動電流選擇燈具電源。經(jīng)過驗證，由于燈具的輸入電流已經(jīng)確定，在選擇燈具電源時不具有靈活性。且燈具電源在低電壓、大電流的輸出條

4、件下，內(nèi)部整流二極管和電解電容的損耗過大，容易發(fā)熱，導(dǎo)致燈具整體的光電轉(zhuǎn)換效率不高，影響產(chǎn)品質(zhì)量及壽命。該方案選用的設(shè)計流程圖如圖2。圖2 基于SMD LED封裝的LED燈具設(shè)計流程圖（方案一）PCB板設(shè)計電路設(shè)計燈具規(guī)格設(shè)計光學(xué)設(shè)計電源設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計組裝工藝設(shè)計 方案二方案二是在方案一的基礎(chǔ)上更改了設(shè)計路線，在燈珠電路設(shè)計之前先進(jìn)行燈具驅(qū)動電源的設(shè)計，根據(jù)驅(qū)動電源的輸出特性設(shè)計貼片燈珠的電路，改善產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率和整體壽命問題，制定成套工藝文件。3、技術(shù)攻關(guān)的前期準(zhǔn)備工作進(jìn)行技術(shù)先導(dǎo)調(diào)研論證和可行性分析，以及材料、設(shè)備等的選定。（1）外形選定通過對市面上現(xiàn)有的LED面板燈進(jìn)行剖析對比，選用外形尺

5、寸分別為300mm*300mm、600mm*600mm、200mm*1200mm、300mm*1200mm的長寬系列尺寸，對組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，縮減厚度方向的空間，以實現(xiàn)超薄面板燈的設(shè)計方案。（2）關(guān)鍵原材料的選定燈具電源電路的元器件選定。燈具設(shè)計選擇關(guān)鍵性材料。如導(dǎo)光板、擴(kuò)散板、導(dǎo)熱膠條、錫膏、焊錫、錫紙等，確定最佳材料BOM組合。（3）設(shè)計流程的選定針對燈具電源在損耗及效率上的難點，進(jìn)行調(diào)研及技術(shù)攻關(guān)，對LED面板燈系列產(chǎn)品，選定工藝流程如圖3：圖3 基于SMD LED封裝的LED燈具設(shè)計流程圖（方案二）電路設(shè)計電源設(shè)計電路設(shè)計燈具規(guī)格設(shè)計光學(xué)設(shè)計PCB板設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計組裝工藝設(shè)計（4）關(guān)鍵設(shè)

6、備選定及采購對國外大型LED燈具公司生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，針對我司開發(fā)的表貼式LED封裝產(chǎn)品，對國內(nèi)外30余家設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行了技術(shù)協(xié)議商定，對所需設(shè)備進(jìn)行購置，如：半自動印刷機(jī)LD-P808AL、貼片機(jī)BSD-1200、回流焊機(jī)RF-835及無鉛高溫焊臺WSD81等，最終確定LED面板燈產(chǎn)品研發(fā)所需設(shè)備及部分工裝夾具見表1。表1 基于SMD LED封裝的LED燈具技術(shù)研發(fā)所需設(shè)備 單位：萬元工序設(shè)備名稱數(shù)量說明合計（萬RMB）檢驗高倍顯微鏡1臺投資50推拉力機(jī)1臺投資60固晶擴(kuò)晶機(jī) 1臺投資5固晶機(jī) 1臺投資40壓焊壓焊機(jī)1臺投資35Eagle 60夾具1套投資 2.8點膠高精度稱量天平1臺投資5

7、真空攪拌脫泡機(jī)1臺投資30點膠機(jī)1臺投資50可編程烘箱1臺投資21落料分離落料模具1套投資25測試光譜分析系統(tǒng)1套投資35光強(qiáng)分布測試儀1臺投資23老化試驗儀1臺投資5分光測試機(jī)1臺投資40編帶機(jī)1臺投資20印刷半自動印刷機(jī)1臺投資2.5貼片貼片機(jī)1臺投資3.2回流焊回流焊機(jī)1臺投資5.3合計457.8萬RMB二、主要解決的技術(shù)問題和技術(shù)關(guān)鍵1、獨特的PCB板線路設(shè)計將各個燈珠通過串并聯(lián)結(jié)合的方式組成格柵式電路，貼在PCB板上，先并后串，且并聯(lián)的每一路只有1顆LED燈珠，防止暗區(qū)的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的電路設(shè)計一般采用多顆燈珠先串聯(lián)后并聯(lián)，并聯(lián)的每一路有630顆燈珠。如果其中有1顆燈珠失效，則會使該路燈

8、珠全部失效，燈具產(chǎn)生明顯的暗區(qū)。采用格柵式電路，將燈珠單排并聯(lián)后再串聯(lián)連接，即使發(fā)生單顆LED燈珠失效，也不會使LED面板燈產(chǎn)生明顯暗區(qū)。2、二次配光設(shè)計采用SMD 3014燈珠貼片燈條，燈條寬度7mm，固定在側(cè)入光式導(dǎo)光板的側(cè)面，光線從導(dǎo)光板側(cè)面進(jìn)入后，由內(nèi)部導(dǎo)光網(wǎng)點轉(zhuǎn)換成垂直方向光線從導(dǎo)光板正面射出，經(jīng)過擴(kuò)散板時經(jīng)過折射、散射作用混光后從擴(kuò)散板射出。達(dá)到預(yù)期的出光效果。傳統(tǒng)的LED面板燈采用直下式方案，即去除導(dǎo)光板，光線直接從固定在燈具背板上的LED燈條發(fā)出，經(jīng)過擴(kuò)散板實現(xiàn)出光。這種方式的面板燈整燈厚度在90mm以上，且由于混光方案不佳，導(dǎo)致容易出現(xiàn)炫光、光斑等缺陷。5、采用DOE的方法對

9、防漏光方法進(jìn)行改善由于從導(dǎo)光板中發(fā)出的光線在經(jīng)過擴(kuò)散板時有一部分光會從邊緣漏出，造成燈具的邊框處發(fā)光效果較差。傳統(tǒng)的改善漏光的方法是將擴(kuò)散板邊緣涂黑，直接造成部分光損失，降低了燈具的光通量。采用DOE的方法，通過多次材料試驗，結(jié)果表明：改用錫紙將擴(kuò)散板邊緣包住，光線射到錫紙表面時會全部反射出擴(kuò)散板表面，使整燈光通量提升30%左右。該方法既改善了防漏光技術(shù)，也保證燈具光通量不受損失。6、采用螺孔加安裝槽的燈具邊框設(shè)計技術(shù)，可同時支持鋼絲吊掛、支架固定及嵌入式三種安裝方式傳統(tǒng)的面板照明燈具外框采用紋理式的外觀結(jié)構(gòu)，邊框背面只開有固定的螺孔。燈具的安裝方式由燈具的背板安裝孔來解決。本項目設(shè)計燈具的邊

10、框開有安裝槽，燈具的背板開有安裝孔，可根據(jù)實際情況選擇安裝方式。在燈具背面鎖上懸掛構(gòu)件，可用于鋼絲吊掛。三、研究結(jié)論照圖1設(shè)計路線，分別依據(jù)設(shè)計方案一、方案二進(jìn)行研發(fā)，攻克了適合表貼式LED封裝的加工工藝涉及到的技術(shù)難題，反復(fù)試驗論證得到以下研究結(jié)論：1、關(guān)于方案一方案一是借鑒國內(nèi)一般LED面板燈生產(chǎn)廠商的的設(shè)計思路，先確定燈具的整體參數(shù)，再設(shè)計燈具貼片的PCB電路，最終根據(jù)燈條的驅(qū)動電流選擇燈具電源。經(jīng)過驗證，由于燈具的輸入電流已經(jīng)確定，在選擇燈具電源時不具有靈活性。燈具電源在低電壓、大電流的輸出條件下，內(nèi)部整流二極管和電解電容的損耗過大，容易發(fā)熱，導(dǎo)致燈具整體的光電轉(zhuǎn)換效率不高，且影響產(chǎn)品

11、質(zhì)量及壽命。結(jié)論：方案一在燈具整體壽命及工作效率上存在很大缺陷，不能達(dá)到技術(shù)突破的目的和意義，此方案不建議實施。2、關(guān)于方案二方案二是在方案一的基礎(chǔ)上更改了設(shè)計路線，在燈珠電路設(shè)計之前先進(jìn)行燈具驅(qū)動電源的設(shè)計，根據(jù)驅(qū)動電源的輸出特性設(shè)計貼片燈珠的電路，改善產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率和整體壽命問題，改善了產(chǎn)品的可靠性問題。結(jié)論：方案二體現(xiàn)了LED燈具電路設(shè)計和驅(qū)動電源的設(shè)計靈活性，提高了燈具的光電轉(zhuǎn)換效率和可靠性，實現(xiàn)了該項目的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到研究的目的和意義，此方案優(yōu)勢明顯。該方案是一種新型LED設(shè)計思路，尤其在燈具光電參數(shù)、材料選擇、光學(xué)設(shè)計、散熱設(shè)計等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)燈具生產(chǎn)工藝，在差異化成產(chǎn)中優(yōu)于傳統(tǒng)

12、LED面板燈。基于SMD LED封裝的LED照明燈具有低溫、省電、長壽命、無二次污染等環(huán)保、節(jié)能的特點，產(chǎn)品有超薄、空間利用程度高，可規(guī)模化量產(chǎn)等特點。四、技術(shù)創(chuàng)新點1、將各個燈珠通過串并聯(lián)結(jié)合的方式組成格柵式電路，貼在PCB板上將各個燈珠通過串并聯(lián)結(jié)合的方式組成格柵式電路，貼在PCB板上，防止暗區(qū)的出現(xiàn)。通過單排并聯(lián)為一路，多路并聯(lián)燈珠再進(jìn)行串聯(lián)實現(xiàn)電路的設(shè)計。采用格柵式電路，即使發(fā)生單顆LED燈珠失效，也不會使LED面板燈產(chǎn)生明顯暗區(qū)。2、采用邊緣反射二次配光技術(shù)，提高了燈具光效LED發(fā)出的光從側(cè)面進(jìn)入導(dǎo)光板后，導(dǎo)光板背面所覆蓋的反射片將底面露出的光反射回導(dǎo)光板中。二次配光設(shè)計是把LED發(fā)

13、出的光線經(jīng)過導(dǎo)光板、擴(kuò)散板、反射層以及反光錫紙等材料的折射、反射后，集中到期望的照明區(qū)域或者發(fā)光效果。最大程度地將光能從燈具內(nèi)部發(fā)出，進(jìn)一步提高光能的利用率。3、采用錫紙將擴(kuò)散板邊緣包住的方法對防漏光方法進(jìn)行改善由于采用將擴(kuò)散板邊緣涂黑的方法改為用錫紙將擴(kuò)散板邊緣包住的方法，整燈光通量提升30%左右。采用在擴(kuò)散板周邊貼對應(yīng)寬度的錫紙的方法，改善了防漏光技術(shù)，提升了整燈光通量。4、采用螺孔加安裝槽的燈具邊框設(shè)計技術(shù)，可同時支持鋼絲吊掛、支架固定及嵌入式三種安裝方式燈具的邊框開有安裝槽，燈具的背板開有安裝孔，可根據(jù)實際情況選擇安裝方式。在燈具背面鎖上懸掛構(gòu)件，可用于鋼絲吊掛。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可同時支持

14、鋼絲吊掛、支架固定及嵌入式三種安裝方式。五、總體性能指標(biāo)與國內(nèi)同類先進(jìn)技術(shù)比較作為第四代照明光源，半導(dǎo)體照明LED擁有高效率、長壽命、節(jié)能環(huán)保、色彩豐富、無污染、可控性強(qiáng)等特點，而LED面板燈是LED照明的重中之重。長期以來，受燈具電源、導(dǎo)光板、擴(kuò)散板等材料和燈具結(jié)構(gòu)的影響，常規(guī)SMD LED面板燈最終的出光效率偏低，電源壽命不長，有進(jìn)一步提升效率和壽命的空間。本公司開發(fā)的基于SMD LED封裝的面板燈，是以面板燈為主，以超薄的封裝尺寸、二次配光提高光利用效率和電源-電路的設(shè)計思路為目標(biāo)。目前,國內(nèi)LED面板燈并沒有突出的生產(chǎn)廠家，燈具生產(chǎn)廠家的面板燈厚度大多在12mm以上，出光效率在80以下

15、，且電源工作不穩(wěn)定。而我公司設(shè)計開發(fā)的表貼式LED面板燈產(chǎn)品的光效有84lm/W，XX公司與國內(nèi)外其他公司的產(chǎn)品比較如表2。 表2 本項目產(chǎn)品與國內(nèi)外上市公司LED面板燈指標(biāo)比較公司雷士照明 OSRAM（德國）XX產(chǎn)品型號NDLL4666/40W-GA01 RS-30120 HTM-0312 外形尺寸（寬×長×高）300*1200*12 300*1200*10 300*1200*9 電源輸出電流&電壓800mA&50V 800mA&50V 450mA&85V 功率（W） 40 40 38 光通量3000 3000 3200 光效（lm/W）

16、>75 >80 >84 顯色指數(shù)75以上80以上80以上ESD（防靜電等級）1000V 2000V 2000V 從表2比較可以看出，XXXX公司0312LED面板燈的功率比國內(nèi)雷士光電和國外歐司朗公司低2W；XXXX公司0312LED面板燈的光效比國內(nèi)雷士光電高9lm/W，比歐司朗高4 lm/W；XXXX公司0312LED面板燈的顯色指數(shù)比國內(nèi)雷士光電高5；XXXX公司0312LED面板燈的ESD比國內(nèi)雷士光電高1000V。因此，XXXX公司0312LED面板燈的技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國內(nèi)雷士光電公司和國外歐司朗公司。另外，甘肅省科技查新檢索咨詢中心20146220352報告：本查新項

17、目設(shè)計的LED平板燈，具有以下特點：采用邊緣反射二次配光技術(shù)，提高了燈具光效；采用螺孔加安裝槽的燈具邊框設(shè)計技術(shù)，可同時支持鋼絲吊掛、支架固定及嵌入式三種安裝方式；將各個燈珠通過串并聯(lián)結(jié)合的方式組成格柵式電路，貼在PCB板上；采用在擴(kuò)散板周邊貼對應(yīng)寬度的錫紙的方法，改善了防漏光。上述技術(shù)特點，國內(nèi)外未見相同文獻(xiàn)報道。 六、技術(shù)成熟程度1、SMD LED燈珠封裝產(chǎn)線的建立本公司SMD LED封裝技術(shù)突破制造工藝、測試評估與可靠性等相關(guān)技術(shù)，形成完整成套的基于SMD LED封裝制造工藝。通過不斷組織工藝技術(shù)攻關(guān)和科技創(chuàng)新，已完全掌握了SMD3014/2835/5050/5630等SMD LED產(chǎn)品

18、的封裝技術(shù)并大批量生產(chǎn)，所封裝產(chǎn)品光參數(shù)經(jīng)檢測達(dá)到國內(nèi)一流水平。2、熱、電、機(jī)械仿真平臺建立通過熱仿真平臺建立為封裝產(chǎn)品的選材、熱性能優(yōu)化等提供保證。建立電仿真平臺，對成品反向加載電壓5V（V：電壓單位），反向漏電流低于10uA（uA，電流單位），通過模擬測試，判定燈珠可靠性，為光衰特性分析提供技術(shù)支持。建立高空跌落及上板折彎等試驗對產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)械仿真考核，為燈具產(chǎn)品可靠性評估提供數(shù)據(jù)支撐。此三種仿真平臺的建立，為在先進(jìn)燈具設(shè)計中實現(xiàn)DFR（Design For Reliability）， DFM ( Design For Manufacturability) 和DFP（Design For P

19、erformance）奠定了基礎(chǔ)。3、柵格式電路的設(shè)計 PCB板貼片采用格柵式電路，在理論上可以實現(xiàn)任意組合的串并聯(lián)電路，可根據(jù)燈具電源的設(shè)計結(jié)果來設(shè)計PCB板電路，且單排并聯(lián)方式極大地改善了燈珠失效造成的局部暗區(qū)。因此提高了燈具的可靠性，在燈具電源的設(shè)計上也保證了良好的配合性。4、采用邊緣反射二次配光技術(shù)采用國際上先進(jìn)的激光網(wǎng)點技術(shù)，保證了導(dǎo)出光線的亮度和均勻度，導(dǎo)光率超過98%以上。利用光學(xué)級亞克力板材吸取從燈發(fā)出來的光在光學(xué)級亞克力板材表面的停留，當(dāng)光線射到各個導(dǎo)光點時，反射光會往各個角度擴(kuò)散，然后破壞反射條件由導(dǎo)光板正面射出。通過各種疏密、大小不一的導(dǎo)光點，可使導(dǎo)光板均勻發(fā)光。傳統(tǒng)的雕

20、刻導(dǎo)光板（精密機(jī)械刻劃法）加工工藝復(fù)雜，導(dǎo)光均勻度在80%左右。采用激光網(wǎng)點方案，導(dǎo)光更均勻，勻度可達(dá)到90%以上，有效地利用了周圍小點密集反射，中間大點的“絞邊”功能，完全沒有暗紋和“黑洞”。用PMMA擴(kuò)散板，并加入有機(jī)納米微珠光擴(kuò)散劑。由于這些微粒均勻分散在樹脂層中，所以光線在經(jīng)過擴(kuò)散層時，會不斷于折射率相異的介質(zhì)中穿過，故光線就會發(fā)生許多折射、反射與散射的現(xiàn)象，如此便造成了良好的擴(kuò)散效果。傳統(tǒng)的光擴(kuò)散板一般為PC材料，且加入的是無機(jī)光擴(kuò)散劑，對光線的吸收影響比較大，造成光能利用率下降。選用加入有機(jī)納米微珠光擴(kuò)散劑的PMMA擴(kuò)散板，透光率高達(dá)94%以上，既增大了燈具的發(fā)光角度，也使出光更為

21、均勻，而且減小了光能的損失。5、采用錫紙改善漏光由于采用將擴(kuò)散板邊緣涂黑的方法直接造成部分光損失，降低了燈具的光通量。改用錫紙將擴(kuò)散板邊緣包住，光線射到錫紙表面時會全部反射出擴(kuò)散板表面，使整燈光通量提升30%左右。該方法既改善了防漏光技術(shù)，也保證燈具光通量不受損失。在燈具生產(chǎn)過程中操作簡單快捷，比邊緣涂黑的方法更為有效。七、經(jīng)濟(jì)社會效益分析和對科技進(jìn)步的意義1、經(jīng)濟(jì)社會效益分析SMD LED封裝產(chǎn)品目前已在XXXX科技大規(guī)模生產(chǎn)。封裝器件可用于LED白光照明、汽車電子產(chǎn)品照明，燈帶照明及裝飾等市場，該項目符合國家產(chǎn)業(yè)政策，無政策法律風(fēng)險。我司通過一年多的技術(shù)研發(fā)、拓展，開發(fā)出基于SMD LED封裝的LED面板燈。截至2014年7月底累計生產(chǎn)4280只，實現(xiàn)銷售收入130.65萬元，利潤37.5萬元，稅收9.7萬元。該項目完成后，達(dá)到年產(chǎn)24000塊，按照目前的市場情況年銷售收入可達(dá)700萬元（不含稅），隨著批量的增大，生產(chǎn)成本將