印刷反光层位置对广角度LED管灯配光性能的影响

苏方宁，王江

(珠海惠友电子有限公司，珠海 519075)

1 引言

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。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。但将这两种半导体连接起来后，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时，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。

LED初时多用作为指示灯、显示发光二极管板等，随着白光LED的出现，也被用作照明。随着全球环保意识的增强，节能省电已成为当今的趋势。LED产业是近年来最受瞩目的产业之一。LED产业始于20世纪70年代，90年代以来在全球范围内迅速崛起并高速发展。美国、日本、欧盟、中国台湾等发达国家和地区，纷纷把LED作为“照亮未来的技术”，陆续启动固态照明计划，欲抢先一步占领这一战略技术制高点。

据不完全统计，2006年，我国LED的产值为140亿元，2008年应用市场规模约达到540亿元，到2010年国内LED产业的规模约超过1000亿元，展现出了广阔的开发前景。而随着功率型白光LED制造技术的不断完善，其发光效率、亮度和功率都有了大幅度地提高。LED产品具有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期长，且不含汞、环保作用好等优点。

随着社会的发展，日常生活中的照明能耗问题日益突出。因此，具有显著节能优势的LED灯具越来越受人们的青睐。LED光源广泛应用在各种室内外照明中，尤其是智能网络控制的路灯系统，各地政府都在大力推广LED照明路灯系统，LED路灯的节能减排工作成效显著。

随着LED技术的不断进步和国内外相关产业的持续发展，LED也逐渐从商业照明扩展到家用照明，其中，家庭、学校、办公场所的LED管灯照明的市场容量逐渐释放，其需求已初见增长的势头。因此，LED管灯，包括替换日光灯T5、T8管灯及支架灯，越来越受到广大厂家的追捧。然而，由于LED发光芯片属于点光源，LED发光受其发光角限制，目前LED的发光角度为120°，一般LED灯具采用LED阵列单面光源，其出光效率不高，使得LED灯具不能实现广角度照明。

2 LED管灯的介绍

近几年来，LED管灯有逐渐代替传统荧光灯管作为照明灯具的趋势。然而，传统荧光管灯的发光角度为360°发光，由于LED光源具有指向性发光的特点，直管型LED灯的发光角度一般只有120°左右，这样会在侧面及后面形成一定暗区，一定程度上会影响整体灯光效果及环境美观度。因此，很多企业为了实现更加均匀和完全替代的效果，将研发的重点放在了扩大发光角度上。目前，已经有企业表示，其直管型LED灯的发光角度可以做到360°的全角度发光。不过也有专家表示，所谓的全角度发光，按照相关标准并不是所有的光都达到360°才叫全角度发光，而是有一定比例的光的出射角度超过320°就可以了。

3 广角度LED管灯及其结构设计

为了推动LED管灯的长足进步，广角度发光的LED管灯成为广大LED芯片和照明器具的生产厂商的研究课题。目前，据报道的广角度发光主要是通过以下方式实现的：

(1)尽量使得芯片下沉扩大发光角度，上海瀚唯科技有限公司通过将电源置于灯管一端，节省管内空间而使芯片下沉，从而扩大出光角度。而上光照明采用独特的一体化的散热技术减少了散热通道，使得LED芯片可以下沉，LED发光面距离PC管壁距离增大，从而有效扩大了光的出射角度。

(2)通过全透光管材料实现更大的出光角度，比如上光照明通过全PC管技术，透光率高达85%以上，不仅实现了更均匀的出光效果，也使得发光角度增大，灯管的表面发光角度达到300°。而上舜照明的T8灯管采用全玻璃材质，扩大出光角度，再加上独特的设计可以达到360°的出光角度。

本文撇开LED芯片设计，单独就广角度LED管灯的照明器具展开研究。笔者认为从管灯的照明结构而言，其实用结构应满足如下要求：

(1)突破基板的单面发光限制

传统的LED管灯之所以不能实现广角度发光，除其芯片及封装带来的本身固有发光角的影响外，对应照明器具本身而言，由于LED芯片电路所需的铝基板或陶瓷基板的遮光就是LED管灯不能实现广角度发光的根本限制。

(2)反射式倒置，避免眩光

LED属于发光强度超强的光源，一般LED灯具采用磨砂的灯罩进行防眩光处理，但这样必然会造成相当的光损失，光效就做不到很高。因此，为了提高光效，广角度LED管灯就不能使用磨砂灯罩，这样同时对灯管成本节约大有好处。因此，必须采用倒置式芯片结构，然后通过上部的全反射进行光线投射。

因此，我们可以通过在透光材料，比如玻璃或PC、PE等塑料中。丝网印刷形成LED光源所需要的电路，其LED光源的主发光面向上，再通过设置在LED光源上部的反光装置，比如印刷的反光层，其光就能反射回来，再投射下去，就能同时满足上面的两个条件。图1为广角度LED管灯的一种结构模型。

由图1可知，广角度发光灯管为透光性材料，其分为3个印刷体，半圆截面的为印刷体1，半圆截面和弧面对应圆周角100°之间圆台为印刷体2，剩下的为印刷体3。为了能广角度发光，必须采取丝网印刷方式形成电路，以避免电路基板的遮光。为了能进一步降低目前价格已经相对市场承受能力较高的LED灯具，我们的灯管材料尽可能使用透光性好的相对便宜的PC塑料，PC塑料的成形温度为230～320℃。因此，印刷使用的银浆的固化温度就必须严格控制在200℃之下。

4 LED管灯分层印刷工艺研究

4.1 反光层印刷试验方案设计

结合图1，在1印刷体的平面上印刷LED芯片所需的电路，那么在所示的1印刷体的A平面之上有一个在2印刷体上的配合面B，平面B可以用来印刷反光粉，以形成对A上的LED芯片发出的光进行反射。为了深入研究各种印刷平面对广角度LED管灯的照明效果的影响，我们在弧面对应圆周角为100°处进行了分层结构，为了更清楚其分层结构，图2给出了其分立结构示意图。由图2可知，这样灯管分为三部分，一共4个面，除了在1印刷体A面上进行电路印刷外，反光粉的印刷可以选择在B、C和D面的任意一平面上，为了给A面封接LED灯珠后对应凸起位置腾出空间，在2印刷体的B面上对应LED灯珠封装凸起的地方上，设置有对应的配合腔，如图2所示。如表1所示，反光粉印刷面有三种方案，方案1～3分别对应的印刷面为B-D。

表1 分层印刷工艺试验方案

反光粉笔者选用的是折射率为2.2±0.1的济南格瑞特新材料有限公司生产的高折射率Nd2.2玻璃反光粉，配置得到丝网印刷所用的反光粉浆料，其粒径为10～50um。考虑到B面印刷时，由于与A面封接LED灯珠后对应位置有LED灯珠配合腔，要求其流平性较好，笔者所用的反光粉印刷浆料使用黏度较小。

4.2 印刷银浆的选择

蒋斌[1]的研究《薄膜开关用低温固化导电银浆的研究及应用》和黄富春[2]等人的研究《低温固化银浆导电性能的研究》表明，固化温度对银浆导电率的影响，导电银浆以聚氨酯为树脂粘结相，固化温度高，其导电率下降明显。银粉量对电阻率影响很大，随着银含量的增加，导电银浆的电阻率迅速减小，银粉含量增加对提高银浆导电性能有利。但当银粉含量进一步增加，电阻率减小变化趋缓。另一方面，随着银粉含量增加，树脂粘结相所占比例过小，导致不能完全包裹银粉，容易产生银粉的二次团聚。同时，浆料流平性、硬度、附着力等机械性能也较差，无实用价值。因此，银粉含量控制在60%左右比较合适。结合甘卫平[3]的研究结果，本文的研究采用平均粒径为5um的银浆，其由纯度为99%的银粉作为导电介质，添加低熔点玻璃粉(主成分为 PbO、SiO2、Al2O3)，两者粉末添加质量比为7.5：2.5；以松油醇为溶剂，添加无水乙醇和氢化蓖麻油作为表面活性剂，粉料与三种有机溶液的质量比为7.5：2.5，配成印刷银浆待用。

4.3 印刷电路的选择

为了电路配置更合理和考虑普遍兼容性，笔者固定印刷的电路为LED灯珠两两并联后再两两串联，最后为三组进行并联的电路形式，丝网印刷图案如图3所示。图3中的小方框为LED灯珠封接位，所使用的LED灯珠为普通封装灯珠或COB封装灯珠，实验中我们选择统一使用单粒功率为1W的普通封装灯珠大功率。

图3 电路印刷面的丝网图案

4.4 分层印刷工艺研究

印刷好的银浆电路需经过150℃的热处理，形成导电线路，之后在其上封接LED灯珠。印刷好的反光粉面需过80℃的干燥箱处理，形成良好反射的反光面。分别印刷好三种方案的反光粉反光面。得到三组方案的印刷体1、2、3，每种方案的对应1-2进行A-B面贴合，2-3进行C-D面贴合。用硅胶进行粘合，经过固化后得到三种方案如图1所示的整体配合的LED管灯，在相同配置的对应管灯架上，相同条件下进行通电照明发光，测试其配光效果。表2给出了本文的主要工艺参数。

表2 广角度LED管灯的工艺控制参数

5 结果分析

根据所测得的配光数据，可以得到如图4所示的三组配光曲线对比图。

从图4的配光曲线可以清晰的看出，在B进行反光粉印刷的方案1对应的配光曲线中，发光角度明显比另外两种方案的小。因为在半圆的位置上，LED灯珠发出的光，投射到印刷有反光粉的B面上的反光面作用下反射回来，其肯定不能实现广角度发光照明效果。同时，从方案1的配光曲线分析得知，其在80～100°的范围内有明显的光照峰值，其是因为A-B贴合使用硅胶粘合，而又在B面上反射，存在较为薄弱的漏光机制，导致了如图4所示的中心为88°方向上的两个明显的光照峰。进一步分析得知，方案1曲线的光照面较其他两种方案小。

对比在C或D面上进行反光粉印刷的方案2和方案3的配光曲线，可知两者方案的配光曲线大致相同，其光照明角度分别为330°和320°，光照曲线面积也是方案2相对比方案3略大些。

综合上面分析，在印刷体2上的C面上印刷反光粉的方案2最优，其LED灯管能实现330°的广角度发光照明。同时，其光照效果较为均匀、无眩光。

6 结语

本文针对广角度发光照明的LED管灯进行了结构分析，得到了分层印刷管灯的结构，其结构模型为半圆截面上印刷LED发光银浆线路，分三种方案进行反光粉印刷，并进行了详尽的银浆线路和反光粉的分层印刷工艺研究，封接LED后进行了配光曲线测试。分析得知，在弧面对应圆周角100°的印刷体2上的C面进行反光粉印刷，其效果最佳，能实现330°的广角度发光；印刷体3上的D面进行反光粉印刷，其效果相当，能实现320°的广角度发光，这两种方案的LED管灯光照均匀、无眩光、光效高。

本文只是揭示了一种广角度发光照明的LED管灯的结构形式，为其光照实际效果的可行性奠定了基础，为各种后续研究和类似结构灯具的发散研究提供了一种先行先试的借鉴。

[1]蒋斌,李欣欣,韩哲文.薄膜开关用低温固化导电银浆的研究及应用[J].涂料工业,2012,42(5)：68-71.

[2]黄富春,李晓龙,李文琳,等.低温固化银浆导电性能的研究[J].贵金属,2011,32(2)：52-57.

[3]甘卫平,刘妍.低温烧结型银浆料对半导体芯片贴装性能的影响[J].中国有色金属学报,2008,18(3)：476-482.

[4]祁姝琪,丁申冬,郑鹏,等.COB封装对LED光学性能影响的研究[J].电子与封装,2012,12(3)：6-9.

[5]李绪锋.环氧树脂对LED性能的影响[J].发光学报,2002,23(1)：97-100.