【明师说】颜重光 | 创新发展的柔性LED灯丝技术

文 / 颜重光

高工、技术顾问，独立董事、LED照明义工，曾经在中外企业做了48年电子工程师，退休后应北京大学上海微电子研究院聘请当兼职教授。

灯丝灯经过 N 多年的发展，深受世界市场的青睐。无论是北美、南美还是欧洲、中东、非洲、澳洲、日韩，都伸开双臂欢迎灯丝灯的到来！竞购灯丝灯！

灯丝灯采用创新的 HVLEDs 技术，使N 多颗LED 灯珠芯片串联成HVLEDs 模组，工作在高电压VF=DC40-280V、小电流IF=10-60mA 的低能耗降温状态；标准的4 根LED 灯丝的A60 球泡灯，连续工作几十小时，玻璃泡的温度在摄氏37 度以下。成为一种灯头不烫而安全的LED 照明光源。与以往的LVLED 应用技术相比较，LVLED 工作在低电压VF=DC3.2-32V、大电流IF=150-700mA 的状态，工作时灯头温度高达摄氏80-120 度！一直处于高温高能耗，即便使用各种形式的铝合金散热器，也一直没有解决快速散热的技术难题。

2015 年柔性LED 灯丝技术开始成熟，2016 年初采用柔性LED 灯丝制造的柔性灯丝仿古灯立刻轰动海外市场，无论是北美欧日还是南非中东，无数客商剑指相求，柔性LED 灯丝仿古灯顿时成了抢手热销品！柔性LED 灯丝仿古灯成为商业情景照明、氛围照明的奇葩主角！

灯丝灯必然替代白炽灯

据有关方面统计，2014 年全世界白炽灯的年需求量达90 亿个，2014 年中国生产白炽灯44.34 亿个。白炽灯很快将被世界各国禁用，什么样的灯能做到性价比相近而取而代之？对当今照明产业来说无疑是巨大的机遇与挑战！灯丝灯作为新一代的安全LED 照明光源已脱颖而出！灯丝灯能做到360 度的全周光，最接近传统钨丝灯配光。标配的灯丝灯点亮时不用散热器也不烫！灯丝灯色温设定十分方便简洁！可以说，灯丝灯是性能比白炽灯好，使用方便，价格便宜的消费电子产品。

2015 中国灯丝灯的年产量大约1.3 个亿灯泡，2016 年有可能增产到5--8亿个灯泡！要直接填补白炽灯的市场还有很大的产能空缺！因此机会巨大！

图 1 性能优越的LED 灯丝灯

刚性灯丝与柔性灯丝

2012 年研发灯丝灯工业化生产时，已明确规划LED 灯丝系列发展因基底材料不同而分为硬灯丝和软灯丝。

硬灯丝以蓝宝石、陶瓷、玻璃和金属为基底材料，成直丝或弧形状态。

软灯丝以铜箔覆合高分子薄膜（FPC、BT、PE 等）为基底材料，柔性灯丝比较柔软，具可塑性，可以拗造型。

铜箔覆薄铝基材或陶瓷铝基材适合做可塑软灯丝，含铝基的灯丝导热较好。

无论是刚性灯丝还是柔性灯丝均采用 HVLED 技术，N 颗LED 灯珠芯片串联成HVLEDs 模组。刚性灯丝通常采用正装固晶技术，柔性灯丝为了保证柔性状态下LED 灯珠芯片连接的可靠性，必须采用倒装芯片技术。

图 2 刚性灯丝（左）与柔性灯丝（右）

柔性灯丝

柔性 LED 灯丝采用柔软而可塑造型的覆铜箔FPC 薄膜为基底底材料。采用无背镀的倒装LED 芯片，如蓝光LED 芯片，发光时透过黄绿荧光粉，激发二次发光，呈现白光。控制黄绿荧光粉中混入红粉的量可调节灯丝的色温。

也可用黄光、绿光等 LED 芯片制造黄光、绿光等彩色柔性灯丝。

图 3 白光柔性LED 灯丝

FPC 是Flexible Printed Circuit 的简称，FPC 软性印制电路是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路。又称软性线路板、柔性印刷电路板，挠性线路板，具有配线密度高、重量轻、厚度薄的特点。一直使用在手机、笔记本电脑、PDA、数码相机、LCM 等很多电子产品中。

早在七十年代初，我们曾用覆康铜箔的聚酰亚胺薄膜生产电阻应变片（Straingauge），一种柔性的可变电阻（图4）。用作非电量电测精密测试的数据采集。一直沿用至今。也许是FPC 进入电子应用技术之始祖。

图 4 七十年代初的电阻应变片

柔性 LED 灯丝采用覆铜箔聚酰亚胺薄膜PFC 为基底材料，在铜箔上印刷需要的连接线路和焊接装倒装LED 芯片的焊接点，並进行蚀刻。在蚀刻好电路的覆铜箔FPC 基条上先涂覆底层荧光粉，以便倒装LED 芯片焊接面的蓝光穿透产生白光。粘贴倒装LED 芯片，过回流焊固化。涂覆上层荧光粉，然后加温固化。黄绿荧光粉必须裹覆蓝光LED 芯片全体，以防蓝光泄出。柔性LED 灯丝结构剖析如图5。

图 5 柔性LED 灯丝结构剖析

生产过程中的柔性 LED 灯丝如图6 所示。

上面成排的柔性 LED 灯丝，可以清晰地看到在FPC 薄膜上蚀刻后精细的覆铜箔印刷线路。

下面成排的柔性 LED 灯丝，第1、2 根和6、7 根是已在铜箔印刷线路上固晶的灯丝，已粘贴倒装LED 芯片，并经回流焊固晶。第3、4、5 根和8、9、10根是固晶后已涂裹好荧光粉的灯丝。

柔性 LED 灯丝两头的引脚采用铆压铁镀镍端子。采用铁质端子是方便生产工艺中与灯泡玻璃芯柱上的杜美丝或铁丝的牢固点焊。

蚀刻好的 FPC 上，铜箔线路十分精密精细。FPC 的厚度仅0.01mm。铜箔的厚度约0.03--0.05mm。FPC 具高透光率，约90% 的透光率，且正反面无阴阳面。FPC 具阻燃性，高导热率。基于FPC 的柔性LED 灯丝无比的柔软。

柔性灯丝全部采用倒装无背镀 LED 芯片，无金线封装的断丝、脱落之忧。倒装芯片封装技术成熟，工艺制程简化，生产快捷，可靠性好，可耐高温。白光柔性灯丝采用无背镀蓝光LED 芯片。彩色柔性灯丝可采用无背镀彩色LED 芯片。

图 6 生产过程中的柔性LED 灯丝

电子显微镜下所见柔性灯丝上的倒装 LED 芯片如图7 所示，FPC 薄膜上的铜箔线路、倒装LED 芯片、焊点清晰可见。

图 7 电子显微镜下所见柔性灯丝上的倒装LED 芯片

LED 芯片是长晶在蓝宝石基板上的，由P-N 结组成发光二极管。蓝宝石并不是蓝色的，而是透明的人造白宝石。

倒装 LED 芯片在P、N 电极上再长出二个合金电极，以便与FPC 板上的铜箔印刷线路焊点焊接。

LED 发光二极管是无背镀的，因此它前后上下六面均可出光。蓝宝石这一面出光最大。倒装LED 芯片在FPC 上的剖图如图8 所示。

图 8 倒装LED 芯片在FPC 上的剖图

LED柔性灯丝等效电路如图9所示。133 mm长的柔性灯丝上面有LED芯片44颗，1串2并。

图9 LED 柔性灯丝等效电路

柔性 LED 灯丝典型规格

柔性 LED 灯丝的主要技术参数是柔性灯丝的长度（mm）、基底材料（PFC）、工作电流（IF）、工作电压（VF）、色温（K）、显指（Ra）、光效（lm）。

柔性 LED 灯丝的长度可以依照仿古灯的灯丝造型设计需要进行选择。柔性LED 灯丝仿古灯不是照明光源，因此，它的功率不需要很大，工作电流在10-40mA左右。

柔性 LED 灯丝典型规格参数可见图10。

图 10 柔性LED 灯丝典型规格参数

商用氛围仿古灯发展趋势

商用氛围仿古灯发展趋势，正在依靠柔性 LED 灯丝的优势将有更丰富多彩的创新产品溢出。最先进入商用氛围的仿古灯是钛丝爱迪生灯，它用钛灯丝，钛丝有亮度，但没有照明功能，正适用商业氛围仿古灯的要求。随着钛丝的淘汰，启用LED 硬灯丝，由于都是直而短的灯丝很难设计圆滑多变连贯的造型。因此，柔性LED 灯丝的诞生，仿古灯的灯丝造型设计有此都迎刃而解了！柔性LED 灯丝将有助商用氛围仿古灯的多品种化的创新发展（图11）。

图 11 商用氛围仿古灯发展趋势

如今，采用柔性 LED 灯丝的仿古灯已经演绎出品种繁多、灯丝造型多变、曲线优美的仿古灯。依照灯丝在灯泡内的排列，已经有T 型和F 型的仿古灯丝灯（图12），而且新的造型一直层出不穷（图13），更多的创新造型还得依靠更多的LED 照明从业工程师的创造发明！

2017 年将迎来LED 灯丝灯的春天！LED 灯丝将有更多的创新产品涌现！除直丝、弧丝外，石墨烯灯丝，柔性灯丝，可塑铝基灯丝和可塑陶瓷铝基灯丝已经相继诞生！

柔性 LED 灯丝已有美迪森、鋈新、德煜、客临和鑫等数家公司批量生产。

图 12 T 型和F 型的仿古灯丝灯

图 13 新的造型仿古灯丝灯层出不穷