[轉(zhuǎn)] 亞洲企業(yè)LED燈泡，設計思路差異明顯

凌風Geek 2011-05-27

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隨著價格的降低，LED燈泡開始全面普及。最近，不僅是日本廠商，韓國、中國大陸、臺灣以及歐洲廠商等也紛紛開始致力于LED燈泡的產(chǎn)品化。為此，《日經(jīng)電子》對東亞地區(qū)銷售的9款LED燈泡進行了拆解和分析，發(fā)現(xiàn)日本廠商和海外廠商在設計思想上存在著巨大差異。

　　LED燈泡作為白熾燈泡的替代品日益受到關注。其特點是耗電量低，不過，除了比白熾燈泡價格高外，很多用戶還認為其存在“較大”、“較重”等設計方面的問題。為此《日經(jīng)電子》編輯部對目前正在銷售、來自眾多生產(chǎn)基地的東亞地區(qū)的LED燈泡進行了拆解和分析，以便發(fā)現(xiàn)解決上述問題的啟示。通過拆解，發(fā)現(xiàn)了日本廠商和海外廠商在設計思路方面的差異，這便是“日本廠商重視產(chǎn)品設計，而海外廠商則優(yōu)先考慮成本”。

　　最能明確體現(xiàn)這一差異的就是LED燈泡的底座。海外廠商的LED燈泡均配備有散熱片，而日本廠商的產(chǎn)品中則有不帶散熱片的。乍一想會認為沒有散熱片的產(chǎn)品便宜，但其實沒有散熱片時往往需要使用耐熱性高的部件，因此成本并沒有降低。不使用散熱片是“為了提高產(chǎn)品的設計”(東芝照明技術)。不只是該公司，很多日本國內(nèi)廠商都在努力使LED燈泡的形狀接近白熾燈泡。而海外廠商的LED燈泡“通過采用近乎粗放的設計，削減了成本”(協(xié)助拆解的技術人員)。

　　下面讓我們來具體看一下體現(xiàn)在外觀上的不同的設計思路。

　　燈泡外殼的表面溫度不同

　　此次共拆解了9款LED燈泡，分別為從韓國、中國大陸和臺灣銷售的產(chǎn)品中隨機挑選出來8款，以及從日本銷售的產(chǎn)品中選擇外觀最接近白熾燈泡的1款(圖1，表1)。這些產(chǎn)品均采用E26/27普通燈口。產(chǎn)品的標稱值方面，耗電量在4～7.5W范圍之內(nèi)，總光通量在210～600lm范圍內(nèi)。其中，將耗電量和總光通量接近的東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品、韓國三星LED的7.1W產(chǎn)品以及中國勤上光電的7.5W產(chǎn)品作為A組，其余作為B組。

拆解前，首先測量了亮燈狀態(tài)下LED燈泡的溫度(圖2，圖3)。目的是確認在外觀上存在明顯差異的底座(散熱部)差異是否會體現(xiàn)在溫度上。LED的光線極少含有紅外線成分，因此燈光照射的燈罩部分并不會太熱。但底座是LED芯片的散熱部，因此溫度較高。此次在認為底座會變得最熱的部分(LED的安裝位置附近)粘貼了放射率為0.95的膠帶，利用熱像儀測量了膠帶的溫度。

　　9款LED燈泡中，底座的表面溫度最高的是東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品(圖2(b))。在A組內(nèi)進行比較，三星LED的7.1W產(chǎn)品約為47℃，勤上光電的7.5W產(chǎn)品約為43℃，而東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品約為61℃，比這兩款高出了14～18℃。

　　圖2：對A組的LED燈泡進行溫度測量

　　在LED燈泡的底座上粘貼放射率為0.95的膠帶，采用NEC Avio紅外線技術公司的熱像儀“TH6300”測量了膠帶的溫度。使用放射率為0.95的膠帶是為了將測量位置的放射率統(tǒng)一為0.95。通過測量膠帶上的溫度，可獲得準確的溫度。放射率越接近1，散熱體就越理想。另外，溫度測量得到了Thermal Design Laboratory代表董事國峯尚樹的協(xié)助。點亮LED燈泡10多分鐘后進行的測量。東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品由于底座的放射率較低，因此外表溫度顯示的較低，但實際高達61℃左右。

　　圖3：B組的表面溫度

　　臺灣Star Comgistic Capital公司的4W產(chǎn)品采用了與耗電量不相符的大型底座，表面溫度為38℃，在9款產(chǎn)品中最低。

　　對底座的放射率進行計算后得出，東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品約為0.37，三星LED的7.1W產(chǎn)品約為0.6，勤上光電的7.5W產(chǎn)品約為0.64。放射率低意味著使用了不容易從底座向外部散熱的材質(zhì)。三星LED和勤上光電的底座采用配備散熱片的鋁壓鑄件制造，而東芝照明技術的底座采用薄鋁板制造。雖然東芝照明稱“通過對表面進行耐酸鋁處理提高了放射率”，但在我們的測量中，該值仍然低于其他公司。

　　即便底座的表面溫度達到61℃左右，“實際使用時完全沒有問題”(東芝照明技術)。LED燈泡的底座溫度由各廠商根據(jù)自主標準決定。“即使表面溫度稍高，如果能保證LED芯片的接合溫度在一定值以下，基本不會影響發(fā)光效率和壽命等”(LED燈泡廠商的技術人員)。相反，“就設計性而言比較重要的是盡可能允許表面溫度升高，從而最大限度簡化散熱機構(gòu)”(該技術人員)。也就是說，在熱設計方面，海外廠商的性能指標還稍留有余地。

通過減少芯片數(shù)降低成本

　　取下LED燈泡的燈罩后，呈現(xiàn)在眼前的便是LED封裝(圖4，圖5)。封裝有LED芯片的LED封裝是決定光質(zhì)量的重要部件，同時也是“LED燈泡中成本最高的部分”(多數(shù)LED燈泡廠商)。

　　圖4：拆解A組LED燈泡

　　東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品采用發(fā)光效率較高的COB型LED。而三星LED的7.1W產(chǎn)品和勤上光電的7.5W產(chǎn)品均采用了普通的SMD型LED。最近，SMD中發(fā)光效率高的產(chǎn)品也不斷增多，因此已經(jīng)不能簡單認為只有COB的發(fā)光效率出色了。部件的廠商名和部件作用為本站推測。

　　圖5：B組LED的封裝形態(tài)

　　荷蘭皇家飛利浦電子的6W產(chǎn)品配備的飛利浦流明生產(chǎn)的LED“LUXEON Rebel”，LED芯片的尺寸達到了1mm見方。為了避免熱應力，飛利浦流明推薦將該LED封裝到進行了圖案加工的FR-4基板中，而實際上就使用了這種基板。除此之外的其他品種都采用了鋁LED封裝基板。

　　海外廠商的LED燈泡大多都為僅采用少量高功率表面貼裝器件(Surface-Mounted Device，SMD)型LED封裝的設計。例如，中國真明麗控股有限公司(真明麗控股)的7W產(chǎn)品和荷蘭皇家飛利浦電子(Royal Philips Electronics)的6W產(chǎn)品只使用了4個SMD封裝，每個SMD封裝里配備1枚大型LED芯片。這種設計“不利于光的均勻性和發(fā)光效率，但在成本方面占有優(yōu)勢”(協(xié)助拆解的技術人員)。原因是，可以通過增加每枚芯片的輸入功率來提高亮度，減少所需的LED芯片數(shù)量。不過，這樣做芯片的發(fā)熱量會增加，因此需要相應的散熱機構(gòu)。

　　相反，東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品則通過采用多個小型LED芯片，降低每枚芯片的輸入功率，由此提高發(fā)光效率。該公司采用在基板上直接封裝96枚LED芯片的COB(Chip On Board)技術。雖然有觀點認為，由于使用的芯片數(shù)量較多，因此LED本身的成本會升高，但“此舉能改善發(fā)光效率，不但可簡化散熱機構(gòu)，還不容易出現(xiàn)發(fā)光不均現(xiàn)象”(該公司)。

　　另外，在此次拆解中，根據(jù)LED的外觀可以推斷出以下4款產(chǎn)品的LED供應商。勤上光電的7.5W產(chǎn)品和皇家飛利浦電子的6W產(chǎn)品估計配備的是美國飛利浦流明(Philips Lumileds Lighting)的LED“LUXEON Rebel”。韓國錦湖電機的6W產(chǎn)品估計是日亞化學工業(yè)的LED，真明麗控股的7W產(chǎn)品采用的是美國科銳(Cree)的LED。

　　上述所有LED芯片都不算便宜，協(xié)助拆解的技術人員表示，“如果使用臺灣廠商的LED，僅需一半的價格”。關于這一點，真明麗控股表示，“由于涉及專利問題，所以采用了科銳的LED”。各廠商好像并不能隨便使用便宜的LED。

海外廠商致力于散熱

　　在散熱機構(gòu)的設計方面，日本廠商與海外廠商也存在明顯的不同(圖6，圖7)。東芝照明技術采用發(fā)光效率較高的COB型LED的7.2W產(chǎn)品，將LED的熱量直接散發(fā)到圓形鋁板上，然后再傳至底座。圓形鋁板和底座并未緊密貼合，“算不上是高散熱性構(gòu)造”(協(xié)助拆解的技術人員)。

　　而海外廠商的LED燈泡大多采用LED封裝基板與底座(散熱片)緊密貼合的構(gòu)造。另外，還有很多產(chǎn)品通過機械加工方式對連接LED封裝基板的底座表面進行了平坦化處理，并通過涂布散熱膏提高了密著性。“因為LED芯片的熱損失較大，所以相應地在散熱機構(gòu)上花費了心血”(協(xié)助拆解的技術人員)。

　　雖然看起來海外廠商在散熱機構(gòu)上花費了成本，但協(xié)助拆解的技術人員指出，“LED燈泡的散熱部材價格并不高”。比如，帶散熱片的鋁壓鑄底座“每個只有50～60日元”(LED燈泡廠商的技術人員)。LED封裝的價格為“每瓦(W)100日元”(該技術人員)，這樣看來，削減芯片數(shù)量，改進散熱機構(gòu)的做法更能降低整體的成本。

　　反過來說，即使簡化散熱機構(gòu)也有可能無法削減成本。例如，東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品“雖然簡化了散熱機構(gòu)，但導致底座內(nèi)的溫度升高，因此反而需要將電源模塊的部件更換為高耐熱產(chǎn)品。結(jié)果，整體成本與帶散熱片的原產(chǎn)品一樣”(東芝照明技術)。

電源模塊實現(xiàn)小型化

　　底座內(nèi)部嵌入的電源模塊也因廠商而異。“電源模塊大都由LED燈泡廠商自主設計，因此很容易出現(xiàn)差異”(LED燈泡廠商的技術人員)。電源模塊在LED燈泡整體中所占的成本比率“僅次于LED芯片”(該技術人員)，是能夠展示各廠商本領的部件。

　　在此次拆解的LED燈泡中，電源模塊最小最輕的是東芝照明技術的7.2W產(chǎn)品(圖8)。“通過縮小電源模塊的尺寸，擴大了底座內(nèi)的空間，使熱設計變得更加容易”(協(xié)助拆解的技術人員)。“電源模塊的小型輕量化利用了在燈泡型熒光燈中積累的技術訣竅。即使采用相同的部件，其他公司可能也無法模仿”(東芝照明技術)。

　　另外，協(xié)助拆解的技術人員還指出，“東芝照明技術的電源為非絕緣型，沒有使用體積較大的變壓器，因此容易推進小型輕量化”。在歐洲市場等，為防止觸電，安全規(guī)格中要求LED燈泡使用絕緣型電源。但在日本市場上沒有這樣的規(guī)定，因此“采用有利于實現(xiàn)小型輕量化的非絕緣型電源的廠商不斷增多”(LED燈泡廠商)。

　　今后，對日本廠商而言，電源模塊的小型化將越來越重要。在2011年3月舉行的照明技術相關展會“Lighting Fair 2011”上，各廠商大量展出了與白熾燈泡擁有相同程度的大配光角度LED燈泡。這些產(chǎn)品為了擴大配光角度，大多都增加了燈罩的面積，而縮小了底座部分(圖9)。因而需要電源模塊進一步實現(xiàn)小型化，“這就要求進一步改進熱設計”(LED燈泡廠商的技術人員)。