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新型LED灯泡内部构造揭秘(四):变更散热方式实现低成本
发布日期:2011-08-26 17:48

变更散热方式实现低成本

  正如文章开头介绍的那样,在夏普发表的刺激下,东芝照明通过变更原有产品的设计实现了低价格化。原有产品20098月已经可以购买到,为了确认设计上的变更内容,拆解组对原有产品也进行了拆解*8.

  外观差异仅在于散热器上方(与球形灯罩之间)的银色装饰环(图10)。因为银色装饰环对提高散热性、提高发光效率没有任何帮助,所以新产品省略了该环。虽然散热器的模具需要随之修改,但考虑到几十万的产量,省略装饰环更有益于降低成本。

  摘下球形灯罩看不出原有产品与新产品的差异。但去除金属盖后,差异则一目了然:原有产品在树脂壳中,电源电路底板内侧存在填充材料(图11)。而新产品的树脂壳中只插入了电源电路底板。

  从散热器中拔出树脂壳可以看到,原有产品的树脂壳长度短于新产品(图12)。而且,树脂壳的侧面还有新产品中没有的开放部位。其目的是使壳中的填充材料与散热器相接触。

  新产品为什么无需填充材料呢?关于这一点,东芝照明的回答是:原有产品使用6芯片并联的LED封装,而新产品改为了3芯片串联;电源电路的输出电流减小,发热量也随之降低;所以新产品无需再利用填充材料传导电源电路底板热量。放大观察LED封装的确可以看到芯片数量上的差异。节省填充材料注入工序,组装成本也可以相应降低。

  东芝还表示,电源电路底板的变更也有助于降低成本。新产品采用了酚醛纸底板,而原有产品采用的是环氧玻璃底板。按照熟悉电子电路的技术人员的说法:"底板的成本虽说与产量也有关系,但光是此项改变底板就可以从300~500日元降低到约50日元".

  实际取出底板查看,原有产品确实为环氧玻璃底板。与新产品的酚醛纸底板相比,酚醛纸底板的布线仅为单面,而环氧玻璃底板为两面,因此,原有产品的底板较小。也就是说,新产品为采用酚醛纸而扩大了底板面积,容纳底板的树脂壳也不得不增大。

  这一设计变更需要修改散热器模具,这是成本增加的因素。但东芝表示:"通过变更设计,散热器使用的材料量会略微减少。综合来看,重新开模仍然能降低成本".

  散热器使用陶瓷

  斯坦利电气同样是新步入LED灯泡市场的公司之一。在汽车照明领域业绩卓著的该公司计划从20099月开始量产LED灯泡*9.因为拆解时该公司的量产尚未开始,所以拆解组未能对实物进行拆解,在此对采访中获悉的散热方式的改进加以介绍。

  斯坦利电气的LED灯泡的最大特点在于散热器材料为陶瓷(图13)。因为陶瓷向空气的导热率高于东芝照明和夏普采用的铝合金,因此散热器面积可以缩小。

  不过,从成本来看,铝合金铸件的成本要低,许多厂商也因此放弃了陶瓷。但斯坦利电气却发现了缩小散热器后带来的巨大好处:可以实现全方位发光。

  现在,采用铝合金制散热器的LED灯泡必须把LED设置在接近顶端的位置。因此,光线很难在金属盖附近沿横向发散。无法像白炽灯泡一样应用于金属盖横向附近有反射板的照明器具、以及灯泡设置位置偏低且需要全方位发光的落地灯。而采用陶瓷散热器后,LED的设置位置可以靠近金属盖,从而满足上述用途的需求,替换白炽灯泡的难度也随之降低。

  斯坦利电气的铝合金制LED基片向散热器导热的方式也进行了改进(图14)。LED基片由陶瓷散热器内侧的凸缘顶端支撑。由于其接触面积较小,因此依靠接触无法获得充分的热量传导。而且,陶瓷表面向空气的导热率虽高,但陶瓷内部的导热率偏低,这也会影响导热效果。

  为此,该公司向散热器内部填充了高导热率的硅类填充材料,使LED基片的背面也与填充材料实现了接触。这一改进打通了LED基片经由填充材料向陶瓷散热器高效传导热量的途径。为了使填充材料与LED底板的背面紧密接触,组装方法也相应进行了改进。

  由于生产准备过程花费了大量时间,斯坦利电气未能如期投产。成本虽然在决定投产时已经达到了最佳平衡点,但要实现低价LED灯泡的成本还是花费了时间。(未完待续)

  更多请看明日刊出的(五):提高LED封装的散热性

  *8:售价基本与新产品相同。

  *9:斯坦利电气20093月发布时原本预定同年5月投产LED灯泡,但计划推迟到了同年8月供应样品、同年9月开始量产。该公司并不公开销售LED灯泡,销售由照明器具厂商和经销商负责。

10:东芝照明LED灯泡的比较新产品与原有产品相比,除外观上的涂装颜色从白色变为银色外,还省略了与散热无关的装饰环。

11:东芝照明LED灯泡(原有产品)的下部为了使电源电路底板的热量高效传导至散热器,底板背面与散热器之间充满了填充材料。

12:东芝照明LED灯泡(原有产品)的树脂壳与电源电路底板树脂壳上有开放部位,可供填充材料与散热器的内面接触。

13:斯坦利电气LED灯泡通过采用高散热性的陶瓷,
散热器(外壳)可以缩小,除上方外,还可以照亮周围。

14:斯坦利电气LED灯泡的截面想象图由于LED基片与散热器的
接触部分无法充分传导热量,因此内部填充了连接二者的填充材料

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