带柔性电极延伸线的印刷及并置导线复合LED光源板的研制
苏方宁等
摘 要：本文分析了目前市场上LED光源板的各种结构特点及共同存在电源板与电源等电连接必须进行端子线焊接实现的不足。同时，研究了一种新的自带柔性电极延伸线LED光源板，并进行了初步的制备工艺试验，探寻到了一种适合低成本、高灵活电路设计的无需焊线进行电连接的带柔性电极延伸线的印刷及并置导线复合LED光源板。
关键词：电极延伸线；LED；印刷；并置导线
1 引言
LED作为第四代照明光源，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，并由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位；另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来时，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。LED发光具有显著的节能和寿命优势。随着社会的发展，日常生活中的照明能耗问题日益突出。因此，具有显著节能优势的LED灯具越来越受人们的青睐。
随着国内LED照明[1]进入民用化进程，价格要求更敏感，同时与传统商用照明LED灯具相对较统一市场要求不同，民用照明LED灯具呈现较明显的个性及小批量等特点，对LED民用照明灯具提出了个性定制小批量制造的价格低、性能好等要求。LED光源板作为LED照明行业的一个重要基础，因为LED光源板是现代LED灯珠封装得到LED照明光源的必要技术手段，LED灯具的主要照明技术特性除了与封装LED芯片、辅助光学元件相关外，LED电路及其设置决定了照明灯具的光特性。所以为了满足现在国内民用LED照明市场低成本和个性灵活设计的市场要求，我们就LED光源板进行分析，拟寻求出适合市场要求的低成本和个性灵活特点的新光源板结构，并探究其对应的制备工艺技术。
2 现有LED光源板结构特点分析
目前LED照明灯具用的LED光源板主要有印制PCB板、并置导线柔性板或硬板和印刷陶瓷电路板三大类。
（1） 印制PCB板
印制PCB板[2]是最新出现的一类电路板，已有100多年历史，也是目前使用最广泛的一类电路板，它是以绝缘的玻纤板为基材，通过化学或物理印刷覆铜技术形成金属涂层，然后通过机械或化学蚀刻的方式形成所需要的电路，电子元器件通过电路板上的孔与印制电路进行电连接形成回路。按照线路板层数可分为单面板、双面板、三层及以上的多层板。
其中，单层PCB电路板，就是只在玻纤基板的一个面进行覆铜并经化学蚀刻得到所需电路。对于单层PCB电路板而言，一般元器件放置在没有覆铜电路的那一面上，覆铜电路的一面用于布线和元件进行焊接。这类单层PCB电路板应用最为广泛，在电路相对简单的各类电子及控制行业中大量使用。双层PCB电路板就是一种双面覆铜并蚀刻得到所需电路的电路板，两个覆铜电路层通常称为顶层和底层，一般顶层为元件放置面，底层为元件焊接面。对于电路复杂或元件占用面积大需两面放置，及其那些个别元件还需要在电路板侧面安装或使用的，各类复杂控制电子设备如计算机的主控电路板，一般为了提供电路板面使用率，使用双层PCB电路板。所谓多层PCB电路板，就是至少有3个工作层面的电路板，除了顶层、底层之外，还有至少一中间层。其顶层和底层与双层电路板相同，中间层可以是导线层、信号层、电源层或接地层，各层之间是彼此绝缘分隔的，层与层之间连接往往通过孔进行。
（2） 并置导线柔性板或硬板
LED用并置导线软性电路板是采用绝缘柔性膜基材上通过热压粘接平行并置导线，再在导线层上面采用覆盖粘接或喷涂、印刷涂布等工艺形成阻燃材料层，无需蚀刻而是通过机械冲切形成所需的电路断口，断口焊盘处理就可以在顶部的组合层上封焊电子元器件、LED灯珠等形成电路。这类软性电路板现在广泛应用在装饰照明用LED软灯带上，具有制作工艺无需蚀刻环保、制作成本低、工艺简单、成品率高，并且制得的电路板可以进行任意弯曲，可以自由运用在比如货物照明展示柜、建筑和交通的轮廓照明灯及其情调照明灯具上，比PCB电路更得心应手和灵活方便。
LED用并置导线电路硬板，随着LED灯具民用工程的市场扩展，尤其是在LED条形灯具，如：LED支架灯、LED管灯、暗槽灯等，为了灯成本控制，应用更具成本和安装优势的软性灯带，而软灯带安装在支架中一般需要如玻纤板这类刚性支持，刚开始是将软灯带通过粘接或卡接、螺钉等方式进行固定。在这基础上，为了更简洁的安装及其成本控制，人们将PCB电路板用的玻纤板或其他刚性基材上面之上直接设置并置导线，采用上面的并置导线柔性电路板的制作工艺制得[3]。
（3） 印刷陶瓷电路板
印刷陶瓷电路板是在航天航空工业应用中开发出来的一种绝缘和耐热性能优异的一类电路板，它以氧化铝等陶瓷为绝缘基材，采用已经烧结的陶瓷片或流延陶瓷生坯，通过丝网印刷铜浆或钨浆这类浆料形成所需的电路后进行低温或高温共烧得到金属线路[4]。
综合已有的三大类电路板，无论采用印制PCB板、并置导线的柔性电路板，还是绝缘和散热性能优异的陶瓷电路板，其光源板与驱动电源板或其他外围元器件进行电连接，几乎都是采用LED光源板上预留的电极焊盘通过导电端子线与驱动电源等元器件进行焊接实现，而焊线工艺人工操作复杂，一次成品率不高，成本一直都居高不下。同时，应用在LED灯具上，也同时具有小批量制作成本高的共同特点，其中，印制PCB板和并置导线的柔性电路板，尤其应用在条形灯具上，其在条形灯具的轴线上的电路设计灵活性低。就是说，轴线方向上的电路结构是相同设计单元的简单重复分布得到，无法低成本实现轴线方向上根据要求不同进行灵活的电路设计。例如，1.5 m的LED支架灯，不能小批量低成本实现两端的照明电路与中间的照明电路不一样。
3 带柔性电极延伸线的印刷及并置导线复合LED光源板的研制
根据上面的分析，我们综合印制PCB成熟的玻纤板低成本优势、并置导线整体成本优势及其并置导线可以进行延伸的灵活性，加上印刷电路小批量电路设计灵活性及成本低的各自特点，设计出一种具备上述优点的新电路板，该电路板以玻纤板等绝缘基材，通过采用印刷常温固化导电的铜浆得到照明子电路，两侧并置导线作为主回路并与印刷导线进行电连接，并将并置导线延伸出绝缘基材，即并置导线长度明显比绝缘基材长度长，上面通过覆盖阻燃膜得到封焊电阻和/或LED灯珠等电子元件所需的阻燃层。
3.1 带柔性电极延伸线的LED光源板结构研究
首先，为了解决目前LED光源板进行与驱动电源等元器件的电连接需要焊线的问题，我们的LED光源板采用如图1、图2所示的结构，包括正常的灯板主体及其上面封焊的LED芯片等元件，还将灯板主体的并置导线进行延伸得到软性电极延伸线，这样就能无需额外焊接端子线进行电连接了，这自带的柔性电极延伸线就可以与驱动电源等元件进行电连接。当然，为了延伸软性电极的绝缘性能，最好是有包覆延伸电极线的上、下两侧绝缘层。这延伸的电极线可以如图1中的只有一端进行延伸，也可以如图2那样两端都延伸。
其次，为了这延伸的电极是灯板主体的自然延伸，我们的LED光源板的灯板主体的主回路就应该采用平行并置铜导线的这类结构，而同时考虑上下包覆绝缘层的也是灯板主体的自然延伸，这样LED光源板当然可以如图3所示的采用软性基材的三层结构。
但结合条形灯具实际情况考虑，软性光源板一般也还需要安装在刚性支撑上，所以我们最终方案优选为如图4所示的刚性基材的四层结构。这刚性基材可以采用玻纤板或PVC这类绝缘材料，也可以采用散热铝材。
3.2 带电极延伸线LED光源板的复合导线层
再次，为了达到电路设计的灵活性和小批量的低成本特点，我们的光源板的照明子电路宜采用具有灵活性高和小批量低成本特点的印刷铜浆实现，这样就得到符合要求的印刷及并置导线复合LED光源板，该光源板的电路为印刷与并置导线复合电路，包括由平行并置导线形成的主干电路，以及印刷铜浆得到的印刷导线的照明子电路。这样，我们的复合LED电路板，小批量制样就可以很灵活地根据个性灯具照明光特性进行低成本的印刷导线电路设计。例如，上述中的三段印刷导线电路，可以采用中间的照明印刷导线和两端的照明印刷导线完全不一样的电路，也可以两端的照明印刷导线也各自不同的电路。如图5所示，中间的导线层为复合导线，其照明子电路采用一次行电路印刷得到，这样包括封焊电阻等元件和LED芯片的焊盘断口及其印刷导线在电路结构上具有小批量制样的高灵活行、低成本和短周期优势，而两侧的主导线采用并置铜导线，加强了电路板的结构强度和继续了并置铜导线与外电源或其他控制电路的接口方便及主回路承载电流能力强。印刷铜浆我们采用深圳市光飘电子材料有限公司购买的常温固化导电铜浆LF1201，固化后的印刷导线，与40 ℃热压粘接的并置铜导线进行电性连接。
我们将制得的这种新的带柔性电极延伸线的印刷及并置导线复合LED光源板进行进行了电阻和LED芯片的元件封焊性试验，测试发现封焊性完全满足操作简单的要求。封焊好元件的LED光源板也进行了照明性能、老化等测试。结果表明：这种印刷和并置导线复合LED电路板性能不错，制样周期短，小批量成本也得到了较好体现。
4 结语
研究表明，可以找到一种适合低成本、高灵活电路设计的无需焊线进行电连接的带柔性电极延伸线的印刷及并置导线复合LED光源板。希望LED光源板能早日为LED民用照明市场开拓提供了有力的支撑贡献应有的力量。
参考文献
[1] 苏方宁，王江.印刷反光层位置对广角度LED管灯配光性能的
影响[J].佛山陶瓷，2013（10）：22-25.
[2] 苏新虹，任敏.高亮度LED用印制光源板标准介绍[J].印制电路
信息，2014（6）：54-58.
[3] 陈健，张晃初，曾祥福.一种选择性压合方式制作混合材质LED
线路板技术研究[J].印制电路信息，2014（2）：59-61.
[4] 苏方宁，赵营刚，吴崇隽.氧化铝陶瓷电热元件的节能研究[J].佛
山陶瓷，2010（9）：17-25.
