柔性LED灯丝的发展进程与展望

王 江， 石明明， 邹 军， 李文博， 汤 雄， 李 超

(1.上海应用技术大学 理学院，上海 201418; 2.浙江亿米光电科技有限公司，浙江 嘉兴 314113;3.上海亮威照明科技股份有限公司，上海 200127; 4.杭州士兰明芯科技有限公司，杭州 310018)

传统的白炽灯灯丝多为金属钨丝、铱或其他合金，通电时产生各种颜色的可见光，但其能耗过大不适应绿色环保的要求，基于LED技术开发具有与钨丝同样效果的LED灯丝并应用于新型LED球泡灯(即LED灯丝灯)，LED灯丝灯既具有传统白炽灯的外观，又具有较高的光电转换效率[1]。传统球泡灯采用金属支架封装，最大发光角为180°，而LED灯丝采用透明材料封装，具有360°全角度发光，与白炽灯十分接近的外形、配光曲线[2-3]、性能稳定、寿命远超过白炽灯的寿命，因此LED灯丝灯取代白炽灯是照明产业发展不可阻挡的趋势。

LED灯丝系列产品因基板材料不同而分为刚性灯丝和柔性灯丝[4]。刚性灯丝采用蓝宝石、透明陶瓷、荧光晶体、玻璃、铜等具有硬度的脆性材料作为基板，一般选择尺寸较小的正装芯片作为光源，如1016、0915、0815等[5]，常被设计成直条或弧形灯丝。柔性灯丝则采用具有柔软可塑的铜箔覆合高分子薄膜、覆铜箔薄铝基材料或陶瓷铝基材料等[6]作为基板，同时也需采用聚酰亚胺柔性印制电路以提高灯丝的柔软度[7]，含有金线的正装芯片在弯曲时容易断裂造成灯丝损坏，因而芯片必须使用无金线“覆晶(flip chip)技术”(也称作“倒装”)以确保灯丝在塑性时灯珠不受损坏[8]。刚性灯丝使用的材料价格较低，制备工艺成熟但过程复杂，常被设计成直条或弧形灯丝而柔性灯丝可设计塑造成各种标新立异的形状，不仅满足了照明的需求而且还增加了灯具的艺术效果，同时采用覆晶技术使工艺更简单。

随着市场需求量的增长，刚性LED灯丝已不能够满足人们的需求，为了满足市场需求，以柔性电路板和高压LED技术制成的LED灯丝得到了高度重视，相较传统的白炽灯不仅可以呈现出多角度发光的特点，还可以让灯具更具层次感，使LED灯发光更均匀，拓展性更强[9]。

本文对柔性灯丝发展进行了概述，详细介绍了柔性灯丝的结构、封装工艺、散热技术及其应用，展望柔性灯丝的发展前景。

1 柔性LED灯丝的发展概述

2008年，一家名为牛尾光源的日本企业最先推出了一种发光亮度、效率及外形近似于白炽灯的LED灯丝灯，其外形与普通灯类似，但工艺更为先进[10]。2012年LED灯丝灯引入中国，逐渐进入人们的视野，由于其具有与白炽灯同样的功能且性能更好，在市场的推动下，转型研发LED灯丝灯成为传统照明企业的革新之路[6]。新型的LED灯丝灯绿色照明以其独有的特色，迅速充斥传统照明市场，LED灯丝灯替代传统照明工具是照明产品发展的必然趋势。随着基板材料的发展，LED灯丝灯经历了从透明陶瓷、玻璃、蓝宝石到高分子材料的四代发展[1, 11]，下面根据基板材料的变化对LED灯丝的发展进行概述。

1.1 透明陶瓷基板

透明陶瓷基板具有高光效、高导热、高耐温性等特点[12]，能够很好的将LED灯丝产生的热量散发出去，同时光可透过透明基板实现360°全角度。透明复合陶瓷有利于提高LED芯片工作的性能，拥有良好的发展前景。

1.2 玻璃基板

玻璃基板具有极佳的透光性能，基板表面经过镜面处理之后反射率较高，使光易透过，具有360°全方位透光的优良特性，很好的解决了吸光问题，提高了光效[13]。但玻璃的导热性差且脆性大，许多厂家不断的攻克玻璃导热性和脆性等问题，玻璃基板在LED灯丝的应用有望在将来能取代蓝宝石基板[14]。

1.3 蓝宝石基板

研究实验结果表明，不同的基板材料光衰程度存在差异[15]，其中蓝宝石材料无光衰且光通量相对稳定，而玻璃、陶瓷等基板材料光通量均有不同程度的减小。蓝宝石基板具有优良的导热性和透光性，虽然蓝宝石的价格昂贵，但其优越性能使其成为目前主流的LED灯丝封装基板。

1.4 高分子材料基板

刚性灯丝采用透明陶瓷、玻璃、蓝宝石等材料作为基板[5]，材料硬度较高且脆性大，因而不适用于柔性灯丝。目前，柔性灯丝选用铜箔覆合高分子薄膜作为基板，铜箔覆合高分子材料不仅具有良好的导热性能，还具有极佳的柔软性，赋予了灯丝更大的可塑空间。柔性LED灯丝如图1所示。

图1 柔性LED灯丝

2 柔性LED灯丝的结构

图2 柔性LED灯丝结构剖析图

柔性LED灯丝包括蓝光倒装芯片、柔性基板、荧光封装材料、粘结材料等部分。如图2所示为柔性LED灯丝结构剖析图。基板是LED灯丝支撑载体，可将LED芯片产生的热量传导至外界[14]，是LED热传导的关键部件，基板材料的热导率、稳定性、透光性及热膨胀系数等将决定基板的导热性能[16]。器件封装是制作的必要环节，使用与器件匹配的粘结材料和转换效率高的荧光体材料对器件进行封装，可确保芯片的工作环境不受外界环境影响，有利于提高器件的散热性、透光率、光输出率等方面性能，使发光器件的性能与寿命得到更好的提升。

基板以覆铜箔聚酞亚胺薄膜为材料，该材料具有透明、电学性能优良等优点，其稳定的化学性质很好的保证了电路的各项性能，极佳的装配可靠性使电路设计更方便。

倒装蓝光芯片光学性能好、工艺简单[17]。采用无金线倒装LED芯片避免了灯丝在弯曲时金线断裂造成LED灯丝的损坏，可提高柔性灯丝可靠性，有效降低生产成本。柔性印制电路板的柔软特性极大提高了LED灯丝的可塑性，可将LED灯丝塑造成各式各样满足于市场需求的创意造型。

柔性灯丝发光主要是通过芯片发出的蓝光激发封装在芯片周围的黄色荧光材料产生白光，同时荧光封装材料可有效防止芯片发出的有害蓝光溢出。荧光体材料常用荧光粉，但荧光粉颗粒较大，易沉降在芯片上方导致发光不均匀、降低LED发光效率、阻碍散热等问题[18-20]，影响LED性能，阻碍了LED的发展。针对上述问题，行业专家和学者将荧光粉混合制备成荧光薄膜后再封装在芯片上方，解决了传统荧光粉点胶法中存在的问题[21]。使用单一荧光粉的LED显色性不高且色温唯一，通过调节黄粉与红粉的配比可调节LED的显指和色温。

3 柔性LED灯丝的封装工艺

目前，LED灯丝在散热、发光效率等众多方面均存在不足之处，改善LED柔性灯丝的封装工艺是解决与提高LED灯的发光效率、寿命、散热等各方面性能的重要研究方向。柔性灯丝工艺主要通过倒装蓝光芯片发光激发包围在芯片周围荧光粉产生白光，柔性灯丝工艺流程如图3所示。

图3 柔性LED灯丝工艺流程

3.1 固晶

厂家提供的芯片通常是密集整齐排列在蓝膜上，芯片间距非常小，不能直接用于固晶，在固晶前需进行扩晶处理，使芯片间距足够大以便将芯片取出进行固晶封装。选取刻蚀好电路的柔性基板，在基板指定位置放置锡膏，作为装倒装芯片的焊接点，通过固晶机将倒装芯片固定在焊接点上，将固晶完成的灯丝放入260 ℃的烤箱，进行短时间烘烤将锡膏固化，使其性能稳定。也有部分工艺在基板上预涂一层荧光粉，其作用是提高蓝光的利用率和减少蓝光从基板溢出，但同时也增加了生产工艺过程，延长了生产周期。

3.2 封装

固化好的半成品需要在芯片上覆盖荧光粉，荧光粉对LED光品质影响极大，通常选用黄色荧光粉进行封装，也可采用黄粉和红粉混合封装以调节LED的色温和显指。将硅胶和荧光粉按照一定的配比混合，将混合液放置在脱泡机内使混合液搅拌均匀，除去混合液内部的气泡，然后按量置入针筒中用于涂敷，将涂敷好荧光粉的灯条放入烤箱中烘干即可得到柔性LED灯丝。

4 柔性LED灯丝的散热技术

影响LED散热是由于芯片功率密度过大及散热材料导热性能不足，导致热量无法及时散出，进而使芯片的温度上升[22]，解决LED散热问题关键在于如何提升LED芯片的散热[23]。目前业内专家和学者主要从器件光电转换效率及散热结构两个方面进行优化与改进[24]。

4.1 芯片结构

结温是由P-N结产生的，如何增大结温的散热效率是解决LED散热性能的核心问题，采用导热效果极佳的衬底原料可增大LED芯片散热效率，通过导热材料将芯片产生的热量不断向外导出，散热效果提升明显[25]。灯丝主要使用正装芯片进行封装，其工艺成熟，成本低，适用于刚性灯丝。正装芯片结构如图4(a)所示。而柔性灯丝则采用无金线的倒装芯片进行封装，其成本较高，但可大幅度提升灯丝的韧性和可靠性，如图4(b)所示。

图4 芯片结构图

正装芯片通过金线将P-N结与支架正负极实现电器连接[26]，但由于正装LED芯片使用金线连接以及从具有吸光作用的电流层出光造成发光效率低、电流拥挤及蓝宝石衬底材料导热性差造成的散热性差等问题[27]，且含金线的正装芯片无法匹配柔软弯曲的特殊要求仅适用于直条灯丝，极大的阻碍了LED灯丝的健康发展。倒装芯片解决了正装芯片取光率低及散热不足的痛点。

倒装芯片以蓝宝石为衬底材料，相较传统的正装结构，倒装芯片的电器连接面朝下，发光面主要通过透明的衬底蓝宝石出光，有利于光线的取出，再加上蓝宝石优异的稳定性和高性价比而被广泛应用，以蓝宝石作为出光面的倒装结构，大大提高了LED的性能[28]。一方面，倒装芯片的有源面朝下[29]，芯片产生的热量通过焊点向下导热而不经过衬底材料，不仅不会遮挡芯片的发光，还极大的增加了散热效率；另一方面，以透明蓝宝石作为出光面改善了LED的光学性能，因芯片向上发光，电流扩散层厚度不会对光的取出造成影响，可以通过增加电流扩散层的厚度以增加电流密度，此外基板也会将光源反射至蓝宝石，进一步提高了LED的出光率。将无金线的倒装芯片应用于柔性灯丝中，可避免灯丝在弯曲时造成的金线断裂问题，提高柔性灯丝的可靠性。

4.2 封装材料

LED的封装材料必须采用导高热率、稳定性能及环保材料来提高LED的散热效率。基板、粘贴、密封等封装材料对LED散热的影响都不容忽视，封装材料的导热能力将决定LED的散热性能及器件的寿命。

4.2.1 基板材料

芯片产生的热量主要是通过LED散热基板将内部产生的热量传到外部的散热装置，如果芯片产生的热量不及时导出而聚集在芯片中，将会降低LED发光效率和寿命[30]。基板的散热能力是导热的关键，基板的散热能力是LED器件性能与可靠性的核心影响因子[31]。故在选择基板材料是必须选择具有性能稳定、导热效率高、绝缘性能极佳的材料，除此之外还需考虑材料的平整性、强度以及材料的热膨胀系数[32]，目前常见性能优良的基板有金属基板、陶瓷基板、玻璃基板、石英基板、蓝宝石基板等，根据实验数据表明[15]，散热性能由好到差分别是：蓝宝石、透明陶瓷、玻璃，因此用蓝宝石作为基体材料是最好的选择。无论选择何种基板材料，都必须确保芯片工作温度不超出芯片正常工作的极限温度以保护LED不受损坏。LED灯丝采用透明的蓝宝石作为基板，可有助光线透过基板向外传播，实现全角度出光[33]。

4.2.2 粘接材料

粘接材料是连接芯片与基板的粘结剂，为芯片提供了散热通道，既可以固定芯片，又可减少材料之间的接触热阻，可以很好的将LED芯片中部的热量导出。李学夔等[34]实验结果表明，LED温度场的分布受到粘接材料热导系数和厚度的影响，选择导热系数大的粘接材料更有利于热量的散出。同时，需要控制粘接材料的厚度，厚度越薄粘接材料的散热效果越好。

4.2.3 密封材料

密封材料主要对LED芯片起到密封和保护芯片的作用，避免外界因素影响芯片的正常工作。密封材料决定了LED的光分布、光效、传热等性能，目前制备白光的密封材料主要应用黄色荧光粉进行封装。常用蓝色LED芯片发出的蓝光激发黄色荧光粉得到白光，在激发转化的过程中部分光能会转化成热能，这部分热能与蓝光芯片产生的热量使荧光粉在工作时处于高温状态，导致LED光衰较快，过高的温度会使荧光粉出现波长红移、荧光粉量子效率降低等问题。芯片与黄色荧光粉之间会产生相互热作用，荧光粉层的热量无法传导至外界而被堆积，导致荧光粉层温度上升，进一步导致结温上升，影响LED器件的散热[35]。需选择散热性能良好的荧光粉，同时还要考虑荧光粉颗粒和硅胶的特性。

全封闭封装与半封闭封装LED灯丝性能的研究表明[36]，虽然半封闭封装灯丝的涂胶量比全封闭封装灯丝涂胶量更少，但半封闭封装灯丝不能将胶水完全涂敷覆盖在陶瓷基板上，进而导致部分蓝光溢出，降低产品的良率。实验表明，在相同的条件下半封闭灯丝的温度比全封闭灯丝高50 ℃左右，这证明全封闭LED灯丝的散热能力比半封装LED灯丝更好，实验也得到全封闭封装LED灯丝光通量大于半封闭封装LED灯丝的结果。因此，为了提高LED灯丝各方面性能，采用全封闭封装方式是最优的封装方案。

4.3 封装工艺

4.3.1 不同厚度基板工艺

基板厚度与器件芯片最高温度呈负线性相关[14]，控制基板材料厚度是改善LED器件散热性能的一种方案。基板材料越厚，LED器件内部通道热阻越小，LED芯片的最高温度越低，但基板材料的厚度不宜太厚，基板材料太厚易导致LED器件的蓝光溢出，对器件的光学性能不利。因此，基板材料应选择适当的厚度，避免不必要的问题，使LED的各方面性能最大化。相关实验表明，基板材料厚度为0.2 mm较合适[16]，但更精确的厚度仍需更精确的测量与探索。

4.3.2 不同厚度的固晶工艺

固晶材料的种类较多，根据导电(热)性能可分为导电胶和绝缘胶[37]。粘接材料是LED散热的主要影响因子，不同的粘接材料对LED散热性能存在显著差异[38]。实验表明[39]，在室温条件下，银胶与绝缘胶的导热能力平分秋色，但在高温环境中，2种材料的性能差异明显。高温环境中，绝缘胶导热能力差，热量不能顺利传出，而银胶散热效果优于绝缘胶，在高温环境中银胶的优势更明显。改变绝缘导热胶的相关仿真实验[40]表明，LED器件的最高温度与固晶层厚度有关且呈负相关，虽然厚度越厚越好，但厚度不宜超过LED芯片厚度，否则固晶胶容易覆盖LED芯片进而严重影响LED器件性能。

散热问题一直制约LED向大功率发展，LED的热量来源于结温，而固定与保护发光芯片的封装材料、基板材料、封装工艺等都会影响LED的散热性能。为了进一步提升LED柔性灯丝的光均匀度和散热性能，本课题组[41]提出了一种从工艺、结构上优化柔性灯丝性能的立体螺旋结构柔性LED灯丝。采用倒装芯片封装，减少工艺流程，降低了生产成本；采用平面涂敷技术，使荧光粉均匀涂敷在柔性灯丝上，提高了发光均匀度和亮度；使用散热较好的合成材料，且在填充氦气，促进球泡内的气体流动以降低结温，提高散热能力；当螺旋柔性灯丝的拉伸高度为2 cm时，灯具的光学性能和热学性能最佳。

5 柔性LED灯丝的应用与展望

近年来各国相继出台了关于白炽灯停止生产与销售的相关政策，LED柔性灯丝灯在新一代安全LED照明光源中崭露头角，成为半导体照明中的佼佼者。国际市场对LED灯丝灯的认可使得LED灯丝灯得到了快速的发展，市场需求热度的快速升温，LED灯丝灯具发展前景十分可观。灯丝灯的大量生产与普及，逐渐受到消费者认可和喜爱，LED灯丝得应用进入快速发展期。

柔性LED灯丝灯的样式繁多，根据玻璃泡的形状可大致分为A、C、T、G、ST等类型，如图5所示。本课题组按照灯丝的形状将柔性灯丝制作成螺旋型、T型、心型、字母型等[42]，如图6所示。由于柔性灯丝的可塑造性给予设计者提供了广阔的设计空间，根据不同的需求，将不同的灯丝形状配合不同的玻璃泡会有意想不到的效果。除了经典的类型，灯丝灯如雨后春笋不断被开发出来，出现了许多形状各异的创意灯具，丰富了LED灯丝灯的产品种类和市场，如图7所示。

LED灯丝的亮度适中，部分功率过大导致亮度过高的灯具，则采用金色或其它颜色的玻璃泡以降低灯丝的亮度，以便LED灯丝灯可以直接使用，此外灯丝灯也可以配合其它灯具使用，如组装的水晶吊灯、壁灯等[43]。LED灯丝灯凭借其复古的外表和独特照明效果的优势，进入商用复古照明市场备受青睐[44]，常应用于客厅、餐厅、酒吧、酒店、卧室、书房、咖啡厅等各类高、低端场所。随着柔性灯丝灯的技术难题不断被攻克，在不久的将来，LED灯丝灯将不断塑造出更多新颖的新产品。

图5 各种型号柔性LED灯丝灯

图6 创意形状柔性LED灯丝灯

图7 新型创意柔性灯丝灯

6 结 语

本文主要概述了柔性LED灯丝的发展，包括：柔性LED灯丝的结构、封装工艺、散热技术及其应用。LED散热问题是制约柔性LED灯丝向高功率、高性能和长寿命方向发展的致命影响因素[45]，LED的封装技术是决定LED光电性能、寿命等参数的重要指标。封装技术工艺的改进、封装材料的优化、散热方式的改良，是解决柔性LED灯丝散热问题的关键。随着科学进步的发展，不久的将来这些问题将会得到更好的解决，柔性LED灯丝将会得到更广泛的应用。