一种无缝拼接的LED光源模组设计方案探究

成年斌

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）

一种无缝拼接的LED光源模组设计方案探究

成年斌

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）

提出了一种拼接式光源模组方案。该方案通过设计单片压铸光源模块结构，使得模块与模块之间可以进行插接而实现拼接，拼接形式多样，能不同组合能满足用户的多样性需求。

LED光源模块；无缝拼接；注塑成型

光源模块产品广泛应用于广告灯箱、发光字等地方；一般地光源模块产品有滴胶式光源模块与注塑式光源模块。两大类型，本文的所探究的光源模块为注塑式的光源模块。注塑式的光源模块低压注塑成型与高压注塑成型。

低压注塑成型工艺是一种使用很低注塑压力，将热熔材料注入模具中并快速固化的封装工艺。注塑压力小，注塑过程并不会对产品的电子元器件造成影响与伤害，且具备良好的物理、化学性能来达到绝缘、密封的效果［1］。不少高端但器件比较脆弱的产品会考虑采用低压注塑成型的工艺进行封装。然而低压注塑成型工艺存在热熔材料的成本很高和注塑效率极为低下两个大缺陷。按照成品体积为200mm×30mm×4mm的产品，采用低压注塑工艺，仅仅热熔胶料成本就约6.0～8.0元/片，这个材料成本相对于目前的光源模块市场，是很高昂的。

高压注塑成型工艺是通过注塑机器，将融化的塑料挤压进入模具并快速固化的封装工艺［2］。与低压工艺互补。高压注塑工艺采用的封装材料是比较便宜和常见的ABS、PVC等胶料，生产效率较高；因为属于高压挤出胶料工艺，如电子器件比较脆弱的话，极容易被挤压力破坏，导致产品性能缺陷。

在光源模块的生产工艺中，低压注塑工艺与高压注塑工艺都会使用到，由于低压注塑工艺成本较高，在企业中，能够采用高压注塑工艺生产的，一般不会考虑低压注塑工艺。对某些特殊的产品结构（如光源模块PCB的尺寸较长较大），如采用高压工艺注塑，强劲的挤出压力会使PCB产生极大的变形，将对产品性能造成严重的影响，只能选择成本较高的低压注塑工艺来完成这种类型的产品。

如果有一款既能满足光源模块的尺寸需求，其制造材料成本都比较低，那就可以解决上述问题。本文就是研究这种采用高压注塑成型工艺生产的光源模块，通过无缝拼接的组合方式，组成各种光源模组结构，从而解决光源模块较大尺寸时的问题。

1 亮化模块结构造型

拼接式光源模块，由亮化模组与输入端两大部分组成。亮化模组部分分别有单头公母模块、双头公母模块、三头公母模块与四头公母模块组成；输入端部分有公端输入端及母端输入端两种。本文将着重介绍单头公母结构的模块、公端输入端、母端输入端。

1.1 单头公母结构的光源模块

亮化模组中，单头公母结构的模块，较之双头公母模块、三头公/母模块与四头公/母模块而言，结构简单，更具有代表性意义。

单头公母结构光源模块的设计，源自于USB的接插模式,公母端结构，便如USB的公母插座。单头公母结构光源模块如图1所示。

图1 单头公母结构光源模块组成

由图1可知，单头公母结构光源模块主要由以下4个部分组成。

1.1.1 透镜

用于得到理想的出光效果，根据不同的出光效果，定制相应的透镜。如果没有特别的要求，透镜也可以取消。

1.1.2 PCB线路板

单头公母结构光源模块PCB线路板如图2所示。线路板的设计需要做凸字形的设计，为了实现USB的公座功能。PCB凸起处的覆盖层开窗设计，可以参考如上图3所示的结构。设计几条长100mm，宽0.5～1.0mm的细长条焊盘。在做PCB的SMT贴片时，做上预上锡，使得细长条焊盘上锡量厚度增加约0.2～0.3mm。PCB线路板的输出端，在输出端焊盘上预上一层锡，以便与FPC单面线路板做输出搭焊时，增加焊接强度。

图2 单头公母结构光源模块PCB线路板示意

1.1.3 FPC单面线路板

FPC单面线路板如图3所示。FPC线路板采用单面板，Top面与Bottom面分别做作下加工。

（1）Top面。Top面在与PCB线路板连接处的正负极焊盘开窗。焊盘设计呈U形，中间处镂空，这样可以使得搭焊过程锡量充分渗透，加强锡点连接的性能更好，强度更强。Top面如图4虚线框处，增加补强，加强FPC的强度，便于成品做接插时，FPC不容易发生变形。

图3 FPC单面线路板

（2）Bottom面。Bottom面在与PCB线路板连接处的正负极焊盘开窗，焊盘设计尺寸位置保持与Top面一致。便于成品的接插，Bottom面设计了一组长方形的大焊盘，焊盘位置与PCB线路板凸起处的细长条焊盘相匹配。

1.1.4 胶料结构

不同的造型对外包胶料的设计要求变化也是多样的，但是无论怎么设计，以下几个方面必须考虑。

（1）胶料的压强对器件的影响。不同的胶料，其挤出压强是不一样的，配合不同吨位的高压注塑机与产品的尺寸面积，挤出压强变化很大。过大的射压，对产品的电子元器件造成的影响是致命的。本方案在设计时，产品胶料结构的规格尺寸为40mm×40mm×3.0mm，胶料采用60～70 Pa的PVC白色胶料。

（2）成型外观影响。本方案设计中，胶料与PCB线路板匹配方案有2种样式，如图4所示。

图4 单头公母结构光源模块PCB与胶料匹配设计

对于注塑工艺而言，胶料厚的地方，成型后容易产生缩水形变，这种形变会严重影响造型外观。因此，利用线路板的设计，将胶料的净厚度减小，可以解决注塑成型后出现缩水变形。

图4中虚线为模具上需要避空的结构，设计时图4a利用PCB线路板将包胶分成了上下两部分，线路板在中间作为支撑，可有效减少缩水的不良影响；图4b凸形线路板，母端的净胶厚度达3.5mm，如果在成型过程没有承托，外观造型变形会十分严重的。

两种方案各有优劣：鼎形结构，成品效果好，模具结构简单，但拼版数少，PCB成本较高；凸形结构，PCB成本较之鼎形结构会更低，但是成型需依靠较为复杂的模具设计来保证产品造型。

（3）加强接插的结构设计。胶料部分在外观上，公端设计一个小台阶，使其也呈凸形；母端结构上设计一个凹陷，恰好与公端的小台阶匹配，呈凹形，如图5所示。

母端部分FPC单面板的宽度尺寸要比母端的凹口要大，利用模具将FPC单面板压紧后，注塑胶封，使其固定；凹口处设计几条压条，从凹口内部延伸至外部，在接插过程，母端压条可以让公端PCB线路板受力，往上顶起，有利于公端PCB线路板焊盘与FPC单面板焊盘接触，如图6所示。

图5 单头公母结构光源模块胶料结构

图6 单头公母结构光源模块母端凹口平面图

1.2 亮化模组

亮化模组即光源模块系列。实际应用需要将成品模块进行拼接，为了满足各种不同的拼接组合，光源模组可能产生各种接插结构，如图7所示。

图7 无缝接插系列

考虑成本与工艺，综合性价比，市场需求是多样化的，但是对于企业而言，实现量产才是性价比最高的方案，其配合可任意搭配。

2 输入端部分结构造型

2.1 公端输入端子

公端输入端子的结构，如图8所示。与亮化模块中的公端结构类似：导线焊接在PCB线路板后，直接采用高压注塑工艺将其成型。PCB线路板方面与胶料的小台阶凸台结构，其设计和亮化模块是一致的。考虑加强连接性，在公端输入端子的端面设计了两个小柱子，配合亮化模块的凹柱结构，从而加强端子与模块连接的可靠性。

图8 公端输入端子

2.2 母端输入端子

母端输入端子的结构，与亮化模块中的母端结构类似，如图9所示。同样采用FPC单面板结构作为连接，FPC单面板末端焊上输入导线后，利用高压注塑的工艺将其成型。母端输入端子的凹口设计和亮化模块的凹口也是一致的。匹配公端输入端子的端面的两个小柱子，与亮化模块母端的端面一样，也具有两个凹柱，便于加强连接的可靠性。

图9 母端输入端子

3 成品连接效果展示

光源模块的级联，包括一字型无缝拼接、十字型无缝拼接、井字型无缝拼接。一字型无缝拼接仅采用单头公母结构光源模块便可实现。十字型无缝拼接需一个4头公或母结构的光源模块，配合单头公母结构光源模块便可实现。井字形无缝拼接如图10所示，这种拼接的组合方式多样，既可以采用多个一字型拼接组成；也可以采用4头公或母结构的光源模块拼接而成，根据实际情况，选择不同的拼接方案即可。

单头公母结构光源模块的级联可以是1个单头、两个单头、3个及以上单头级联，图10为3个单头公母结构光源模块与公母输端子的级联。

图10 井字型无缝拼接

4 小结

本文研究的目的就是为了将光源模块产品模组化，根据实际使用需求进行特定拼装。模组化后，每个单位模块体积较小，适用较为低廉的高压注塑工艺成型，为企业降低成本，提升产品的灵活性，使其适合更广大的市场需求。

［1］袁锋.低压注塑技术［J］.轻工机械,1998（1）:11-11.

［2］叶久新,王群.塑料成型工艺及模具设计［M］.北京:机械工业出版社,2008.

【责任编辑：任小平 renxp90@163.com】

The study of LED lighting source module for seamless splicing design

CHENGNian-bin
（Foshan Nationstar Optoelectronics Co.Ltd.,Foshan 528000,China）

This paper presents a kind of concatenative light source module project by designing uniwafer and die cast the structure of light source module in order to make it plug between different modules to realize splicing. The type ofsplicingare varied.Different combination can meet the diversityneeds ofcustomers.

LEDlightingsource module;seamless splicing;injection molding

TM923.34

A

1008-0171（2017）02-0053-05

2016-05-10

成年斌（1987-），男，广东清远人，佛山市国星光电股份有限公司助理工程师。

第35卷第2期 佛山科学技术学院学报（自然科学版） Vol.35 No.2 2017年3月 Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition） Mar.2017