《基于SMDLED封装的LED面板灯设计》技术研究报告

1、 基于SMD LED封装的LED面板灯设计技 术 研 究 报 告拟制： 审核： 批准： XXXX科技股份有限公司二一四年八月目 录一、技术路线方案论证二、主要解决的技术问题和技术关键三、研究结论四、技术创新点五、总体性能指标与国内外同类先进技术的比较六、技术成熟程度七、经济社会效益分析和对科技进步的意义八、推广应用的条件和前景九、存在的问题十、知识产权状况基于SMD LED封装的LED面板灯设计技术研究报告一、技术路线方案论证1、技术路线项目组针对封装技术、贴片回流焊技术、驱动电源、设计工艺等几个主要关键技术进行了充分的研究，依据掌握的SMD LED封装技术和面板灯生产技术，结合设备调研及公司

2、现有制程能力，制定了图1技术路线。图1 技术路线图充分调研，在现有技术的基础上确定面板灯技术研究开发通过结构设计、光学设计和可靠性论证，确定材料和设备指标进一步落实方案中期样品试制，进行贴片、回流焊和灯具组装等关键工艺过程的参数优化，确定工艺流程及其关键参数，取得中期工程样品整灯设计技术研究开发方案的再论证和完善向大规模、批量生产进行技术转移，不断改进，形成产业规模，创造效益通过质量鉴定共同建立高端产品产业化技术开发、建立和转移平台，并使之成为长期的技术开发中心对中期样品进行可靠性测试评价，必要时改进工艺技术，以提高产品合格率2、技术方案研发组基于研制的SMD LED封装技术的基础上，重点攻克

3、超薄型LED面板灯的关键技术。具体为电源设计、PCB板线路设计、导光板技术、扩散板技术等几个主要关键技术，制定质量控制标准，满足LED灯具组装生产所需的可靠性的要求,制订成套工艺文件，实现高可靠性超薄LED灯具产品。项目组对于基于SMD LED封装产品的LED灯具设计，分别使用两种设计路线制作产品并验证，主要区别在于灯具电源和性能参数的设计路线。1 方案一方案一是借鉴国内一般LED面板灯生产厂商的的设计思路，先确定灯具的整体参数，再设计灯具贴片的PCB电路，最终根据灯条的驱动电流选择灯具电源。经过验证，由于灯具的输入电流已经确定，在选择灯具电源时不具有灵活性。且灯具电源在低电压、大电流的输出条

4、件下，内部整流二极管和电解电容的损耗过大，容易发热，导致灯具整体的光电转换效率不高，影响产品质量及寿命。该方案选用的设计流程图如图2。图2 基于SMD LED封装的LED灯具设计流程图（方案一）PCB板设计电路设计灯具规格设计光学设计电源设计结构设计组装工艺设计 方案二方案二是在方案一的基础上更改了设计路线，在灯珠电路设计之前先进行灯具驱动电源的设计，根据驱动电源的输出特性设计贴片灯珠的电路，改善产品的转换效率和整体寿命问题，制定成套工艺文件。3、技术攻关的前期准备工作进行技术先导调研论证和可行性分析，以及材料、设备等的选定。（1）外形选定通过对市面上现有的LED面板灯进行剖析对比，选用外形尺

5、寸分别为300mm*300mm、600mm*600mm、200mm*1200mm、300mm*1200mm的长宽系列尺寸，对组装结构进行设计，缩减厚度方向的空间，以实现超薄面板灯的设计方案。（2）关键原材料的选定灯具电源电路的元器件选定。灯具设计选择关键性材料。如导光板、扩散板、导热胶条、锡膏、焊锡、锡纸等，确定最佳材料BOM组合。（3）设计流程的选定针对灯具电源在损耗及效率上的难点，进行调研及技术攻关，对LED面板灯系列产品，选定工艺流程如图3：图3 基于SMD LED封装的LED灯具设计流程图（方案二）电路设计电源设计电路设计灯具规格设计光学设计PCB板设计结构设计组装工艺设计（4）关键设

6、备选定及采购对国外大型LED灯具公司生产设备进行调研，针对我司开发的表贴式LED封装产品，对国内外30余家设备供应商进行了技术协议商定，对所需设备进行购置，如：半自动印刷机LD-P808AL、贴片机BSD-1200、回流焊机RF-835及无铅高温焊台WSD81等，最终确定LED面板灯产品研发所需设备及部分工装夹具见表1。表1 基于SMD LED封装的LED灯具技术研发所需设备 单位：万元工序设备名称数量说明合计（万RMB）检验高倍显微镜1台投资50推拉力机1台投资60固晶扩晶机 1台投资5固晶机 1台投资40压焊压焊机1台投资35Eagle 60夹具1套投资 2.8点胶高精度称量天平1台投资5

7、真空搅拌脱泡机1台投资30点胶机1台投资50可编程烘箱1台投资21落料分离落料模具1套投资25测试光谱分析系统1套投资35光强分布测试仪1台投资23老化试验仪1台投资5分光测试机1台投资40编带机1台投资20印刷半自动印刷机1台投资2.5贴片贴片机1台投资3.2回流焊回流焊机1台投资5.3合计457.8万RMB二、主要解决的技术问题和技术关键1、独特的PCB板线路设计将各个灯珠通过串并联结合的方式组成格栅式电路，贴在PCB板上，先并后串，且并联的每一路只有1颗LED灯珠，防止暗区的出现。传统的电路设计一般采用多颗灯珠先串联后并联，并联的每一路有630颗灯珠。如果其中有1颗灯珠失效，则会使该路灯

8、珠全部失效，灯具产生明显的暗区。采用格栅式电路，将灯珠单排并联后再串联连接，即使发生单颗LED灯珠失效，也不会使LED面板灯产生明显暗区。2、二次配光设计采用SMD 3014灯珠贴片灯条，灯条宽度7mm，固定在侧入光式导光板的侧面，光线从导光板侧面进入后，由内部导光网点转换成垂直方向光线从导光板正面射出，经过扩散板时经过折射、散射作用混光后从扩散板射出。达到预期的出光效果。传统的LED面板灯采用直下式方案，即去除导光板，光线直接从固定在灯具背板上的LED灯条发出，经过扩散板实现出光。这种方式的面板灯整灯厚度在90mm以上，且由于混光方案不佳，导致容易出现炫光、光斑等缺陷。5、采用DOE的方法对

9、防漏光方法进行改善由于从导光板中发出的光线在经过扩散板时有一部分光会从边缘漏出，造成灯具的边框处发光效果较差。传统的改善漏光的方法是将扩散板边缘涂黑，直接造成部分光损失，降低了灯具的光通量。采用DOE的方法，通过多次材料试验，结果表明：改用锡纸将扩散板边缘包住，光线射到锡纸表面时会全部反射出扩散板表面，使整灯光通量提升30%左右。该方法既改善了防漏光技术，也保证灯具光通量不受损失。6、采用螺孔加安装槽的灯具边框设计技术，可同时支持钢丝吊挂、支架固定及嵌入式三种安装方式传统的面板照明灯具外框采用纹理式的外观结构，边框背面只开有固定的螺孔。灯具的安装方式由灯具的背板安装孔来解决。本项目设计灯具的边

10、框开有安装槽，灯具的背板开有安装孔，可根据实际情况选择安装方式。在灯具背面锁上悬挂构件，可用于钢丝吊挂。三、研究结论照图1设计路线，分别依据设计方案一、方案二进行研发，攻克了适合表贴式LED封装的加工工艺涉及到的技术难题，反复试验论证得到以下研究结论：1、关于方案一方案一是借鉴国内一般LED面板灯生产厂商的的设计思路，先确定灯具的整体参数，再设计灯具贴片的PCB电路，最终根据灯条的驱动电流选择灯具电源。经过验证，由于灯具的输入电流已经确定，在选择灯具电源时不具有灵活性。灯具电源在低电压、大电流的输出条件下，内部整流二极管和电解电容的损耗过大，容易发热，导致灯具整体的光电转换效率不高，且影响产品

11、质量及寿命。结论：方案一在灯具整体寿命及工作效率上存在很大缺陷，不能达到技术突破的目的和意义，此方案不建议实施。2、关于方案二方案二是在方案一的基础上更改了设计路线，在灯珠电路设计之前先进行灯具驱动电源的设计，根据驱动电源的输出特性设计贴片灯珠的电路，改善产品的转换效率和整体寿命问题，改善了产品的可靠性问题。结论：方案二体现了LED灯具电路设计和驱动电源的设计灵活性，提高了灯具的光电转换效率和可靠性，实现了该项目的技术指标，达到研究的目的和意义，此方案优势明显。该方案是一种新型LED设计思路，尤其在灯具光电参数、材料选择、光学设计、散热设计等方面大大优于传统灯具生产工艺，在差异化成产中优于传统

12、LED面板灯。基于SMD LED封装的LED照明灯具有低温、省电、长寿命、无二次污染等环保、节能的特点，产品有超薄、空间利用程度高，可规模化量产等特点。四、技术创新点1、将各个灯珠通过串并联结合的方式组成格栅式电路，贴在PCB板上将各个灯珠通过串并联结合的方式组成格栅式电路，贴在PCB板上，防止暗区的出现。通过单排并联为一路，多路并联灯珠再进行串联实现电路的设计。采用格栅式电路，即使发生单颗LED灯珠失效，也不会使LED面板灯产生明显暗区。2、采用边缘反射二次配光技术，提高了灯具光效LED发出的光从侧面进入导光板后，导光板背面所覆盖的反射片将底面露出的光反射回导光板中。二次配光设计是把LED发

13、出的光线经过导光板、扩散板、反射层以及反光锡纸等材料的折射、反射后，集中到期望的照明区域或者发光效果。最大程度地将光能从灯具内部发出，进一步提高光能的利用率。3、采用锡纸将扩散板边缘包住的方法对防漏光方法进行改善由于采用将扩散板边缘涂黑的方法改为用锡纸将扩散板边缘包住的方法，整灯光通量提升30%左右。采用在扩散板周边贴对应宽度的锡纸的方法，改善了防漏光技术，提升了整灯光通量。4、采用螺孔加安装槽的灯具边框设计技术，可同时支持钢丝吊挂、支架固定及嵌入式三种安装方式灯具的边框开有安装槽，灯具的背板开有安装孔，可根据实际情况选择安装方式。在灯具背面锁上悬挂构件，可用于钢丝吊挂。这种结构设计可同时支持

14、钢丝吊挂、支架固定及嵌入式三种安装方式。五、总体性能指标与国内同类先进技术比较作为第四代照明光源，半导体照明LED拥有高效率、长寿命、节能环保、色彩丰富、无污染、可控性强等特点，而LED面板灯是LED照明的重中之重。长期以来，受灯具电源、导光板、扩散板等材料和灯具结构的影响，常规SMD LED面板灯最终的出光效率偏低，电源寿命不长，有进一步提升效率和寿命的空间。本公司开发的基于SMD LED封装的面板灯，是以面板灯为主，以超薄的封装尺寸、二次配光提高光利用效率和电源-电路的设计思路为目标。目前,国内LED面板灯并没有突出的生产厂家，灯具生产厂家的面板灯厚度大多在12mm以上，出光效率在80以下

15、，且电源工作不稳定。而我公司设计开发的表贴式LED面板灯产品的光效有84lm/W，XX公司与国内外其他公司的产品比较如表2。 表2 本项目产品与国内外上市公司LED面板灯指标比较公司雷士照明 OSRAM（德国）XX产品型号NDLL4666/40W-GA01 RS-30120 HTM-0312 外形尺寸（宽×长×高）300*1200*12 300*1200*10 300*1200*9 电源输出电流&电压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 显色指数75以上80以上80以上ESD（防静电等级）1000V 2000V 2000V 从表2比较可以看出，XXXX公司0312LED面板灯的功率比国内雷士光电和国外欧司朗公司低2W；XXXX公司0312LED面板灯的光效比国内雷士光电高9lm/W，比欧司朗高4 lm/W；XXXX公司0312LED面板灯的显色指数比国内雷士光电高5；XXXX公司0312LED面板灯的ESD比国内雷士光电高1000V。因此，XXXX公司0312LED面板灯的技术指标优于国内雷士光电公司和国外欧司朗公司。另外，甘肃省科技查新检索咨询中心20146220352报告：本查新项

17、目设计的LED平板灯，具有以下特点：采用边缘反射二次配光技术，提高了灯具光效；采用螺孔加安装槽的灯具边框设计技术，可同时支持钢丝吊挂、支架固定及嵌入式三种安装方式；将各个灯珠通过串并联结合的方式组成格栅式电路，贴在PCB板上；采用在扩散板周边贴对应宽度的锡纸的方法，改善了防漏光。上述技术特点，国内外未见相同文献报道。 六、技术成熟程度1、SMD LED灯珠封装产线的建立本公司SMD LED封装技术突破制造工艺、测试评估与可靠性等相关技术，形成完整成套的基于SMD LED封装制造工艺。通过不断组织工艺技术攻关和科技创新，已完全掌握了SMD3014/2835/5050/5630等SMD LED产品

18、的封装技术并大批量生产，所封装产品光参数经检测达到国内一流水平。2、热、电、机械仿真平台建立通过热仿真平台建立为封装产品的选材、热性能优化等提供保证。建立电仿真平台，对成品反向加载电压5V（V：电压单位），反向漏电流低于10uA（uA，电流单位），通过模拟测试，判定灯珠可靠性，为光衰特性分析提供技术支持。建立高空跌落及上板折弯等试验对产品进行机械仿真考核，为灯具产品可靠性评估提供数据支撑。此三种仿真平台的建立，为在先进灯具设计中实现DFR（Design For Reliability）， DFM ( Design For Manufacturability) 和DFP（Design For P

19、erformance）奠定了基础。3、栅格式电路的设计 PCB板贴片采用格栅式电路，在理论上可以实现任意组合的串并联电路，可根据灯具电源的设计结果来设计PCB板电路，且单排并联方式极大地改善了灯珠失效造成的局部暗区。因此提高了灯具的可靠性，在灯具电源的设计上也保证了良好的配合性。4、采用边缘反射二次配光技术采用国际上先进的激光网点技术，保证了导出光线的亮度和均匀度，导光率超过98%以上。利用光学级亚克力板材吸取从灯发出来的光在光学级亚克力板材表面的停留，当光线射到各个导光点时，反射光会往各个角度扩散，然后破坏反射条件由导光板正面射出。通过各种疏密、大小不一的导光点，可使导光板均匀发光。传统的雕

20、刻导光板（精密机械刻划法）加工工艺复杂，导光均匀度在80%左右。采用激光网点方案，导光更均匀，匀度可达到90%以上，有效地利用了周围小点密集反射，中间大点的“绞边”功能，完全没有暗纹和“黑洞”。用PMMA扩散板，并加入有机纳米微珠光扩散剂。由于这些微粒均匀分散在树脂层中，所以光线在经过扩散层时，会不断于折射率相异的介质中穿过，故光线就会发生许多折射、反射与散射的现象，如此便造成了良好的扩散效果。传统的光扩散板一般为PC材料，且加入的是无机光扩散剂，对光线的吸收影响比较大，造成光能利用率下降。选用加入有机纳米微珠光扩散剂的PMMA扩散板，透光率高达94%以上，既增大了灯具的发光角度，也使出光更为

21、均匀，而且减小了光能的损失。5、采用锡纸改善漏光由于采用将扩散板边缘涂黑的方法直接造成部分光损失，降低了灯具的光通量。改用锡纸将扩散板边缘包住，光线射到锡纸表面时会全部反射出扩散板表面，使整灯光通量提升30%左右。该方法既改善了防漏光技术，也保证灯具光通量不受损失。在灯具生产过程中操作简单快捷，比边缘涂黑的方法更为有效。七、经济社会效益分析和对科技进步的意义1、经济社会效益分析SMD LED封装产品目前已在XXXX科技大规模生产。封装器件可用于LED白光照明、汽车电子产品照明，灯带照明及装饰等市场，该项目符合国家产业政策，无政策法律风险。我司通过一年多的技术研发、拓展，开发出基于SMD LED封装的LED面板灯。截至2014年7月底累计生产4280只，实现销售收入130.65万元，利润37.5万元，税收9.7万元。该项目完成后，达到年产24000块，按照目前的市场情况年销售收入可达700万元（不含税），随着批量的增大，生产成本将