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LED支架防湿气结构设计方案分析

导读: 随着全球光源市场对LED的需求越来越大,LED灯珠的使用范围越来越广,使用者对LED灯珠性能的要求也越来越严苛。如果LED支架的防湿气结构设计的不好,不可避免的限制LED灯珠的使用条件、使用区域、使用领域等等。

  一、液体流动基础知识

  流动液体的性质介于气体和液体之间。它一方面像固体,具有一定的体积,不易压缩;另一方面又像气体,没有一定的形状,具有流动性。流动液体由于惯性力,粘性力等影响,内部任意某处各个方向的压力不相等。

  流动的液体在沿途中会受沿程阻力和局部阻力,由沿程阻力引起的机械能损失称为沿程损失,克服局部阻力的能量损失称为局部损失。全部的流动液体的能量损失等于各段的沿程损失和各局部损失的总和。

  LED支架是LED灯珠在封装之前的基板,起到保护固晶焊线和硅胶成型的作用,导通电路,并影响到光、电特性。支架结构性能的好坏直接影响到LED灯珠性能,目前很多灯珠死灯,经显微镜观察,灯珠内的芯片并没出现异常,而是连接芯片的合金线与金属基板脱离造成断路。如图1所示。

  

  图1:连接芯片的合金线与金属基板脱离造成断路

  同时,发现造成此种现象的灯珠都是直接或间接地裸露在空气中点亮,空气中存在有水汽。由此可以推断出,LED支架的防湿气结构做得不好,导致湿气渗入灯珠内,从而造成封装胶在LED灯珠长期点亮的环境下易与金属基板脱离,使得拔断焊接在金属基板上的合金线,从而形成电路断开。

  随着全球光源市场对LED的需求越来越大,LED灯珠的使用范围越来越广,使用者对LED灯珠性能的要求也越来越严苛。如果LED支架的防湿气结构设计的不好,不可避免的限制LED灯珠的使用条件、使用区域、使用领域等等。作为LED设计者和制造者,必定要在LED支架的防湿气结构上有所突破。

  二、防湿气结构设计的五个要点

  防湿气结构设计,顾名思义,就是要将湿气挡之于外,或者是使湿气在其内部停止流动。支架的塑料与金属基板是两种不同属性的材料,靠外力使两者粘接在一起,是属于物理粘接,即使肉眼上看不出其粘接瑕疵,但在几十倍的放大镜上,其界面上必定存有缝隙,如图2所示。这就决定了支架不能将湿气挡在体外,也就是说一定会有湿气渗入其内。因此,支架的防湿气结构设计,严格意义来讲,是依靠其内的相关结构设计减少渗入其内的流体。要使流体减少,也就是说,要使流体的所有能量尽可能地损失在各沿程损失和各局部损失上。

  

  图2:支架的塑料与金属基板“物理粘接”后的界面存在缝隙

  以TOP VIEW型号的支架做个实验,将空支架浸入红墨水中,红墨水略淹盖在支架引脚上即可(注:如果要使实验效果更加明显,在红墨水中倒进酒精,比例1:1搅拌混合),5分钟后终止实验。全过程用显微镜观察支架杯体内的情况。实验结论为:有些支架渗得快,有些支架渗得慢,有些支架渗得轻微,有些支架渗得严重。取某些做完实验后的支架,马上沿着塑料与金属基板的缝隙处用剪钳剖开,可发现金属基板的表面和边缘有红墨水痕迹。因此,由实验可总结出:红墨水渗入支架杯体内的途径有二,一为塑料包裹的铜材边缘处,二为塑料包裹的铜材表面处,且铜材正反面都有,后者比前者更为严重。

  解析以上论断,可从三个方面解决问题:其一,寻求塑料与金属基板的最佳配合,这关系到材料学方面的知识,不在本文讨论范围;其二,管控塑料的注塑工艺,追求最佳的模温和压模时间,这关系到注塑工艺方面的内容,在本文也不做分析;其三,就是在金属基板作处理,也就是本文所说的防湿气结构设计。

  防湿气结构设计的要点在于:

  1.尽可能延长金属基板边缘途径,且迂回折返,越曲折越好。

  2.尽可能减小金属基板与塑料的接触面积,当然这与热设计有冲突,两者需折中,或有所牺牲,寻求最佳设计。在这里,涉及到热设计方面不作详细分析。

  3.在金属基板表面尽可能作一些沟槽等挡水墙,增加金属基板表面的粗糙程度,增加液体的流动难度,当然,挡水墙形状越夸张越好,但考虑到制作难度和制作成本,适宜即可。

  4.减小金属基板进入塑料的端口面积,相当于减小了液体进入支架内的途径。

  5.尽可能把液体引到非支架杯体内。

  三、七种支架防湿气结构设计方案的具体分析

  伴随着模具行业的不断进步,冲压、钻铣、折弯、注塑工艺越来越能实现精密、复杂的设计构思,支架防湿气结构的设计内容不断更新,不断突破。设计人员追求的是产品的性价比,在把防湿气结构设计得很好的同时,也需要顾及到其它方面的性能,比如热、电、光性能,更需要关注到加工难度、加工成本。

  围绕着防湿气结构设计的要点来考量,防湿气设计列出以下多种方案,并作综合分析其优劣性。

  方案1:金属基板平板型。金属基板不作任何处理,简单地区分出正负两个不同极性,如图3。不加防湿气结构设计理念,加工成本低,但气密性差。此种支架做出来的灯珠,只保证能点亮,但在有湿气的地方使用,很快就会出现死灯。或者在灯珠外部涂上防水胶水方可使用,这也间接增加了客户端的使用成本。

  

  图3

  方案2:延长金属基板边缘途径。现有的支架设计上,已经都加上了“延长金属基板边缘途径”的设计理念。如图4紫色圈。通过对金属基板边缘冲成不同程度的曲线,冲出越复杂的曲线,金属基板边缘线就越长,这大大加大了湿气由金属基板边缘渗入的难度。当然,金属基板边缘线处理得越多,加工成本就越高,同时也要求金属基板的性能要很好。

  

  图4

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