LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、液體流動(dòng)根底知識(shí)

流動(dòng)液體的性質(zhì)介于氣體和液體之間。它一方面像固體，具有一定的體積，不易壓縮；另一方面又像氣體，沒(méi)有一定的形狀，具有流動(dòng)性。流動(dòng)液體由于慣性力，粘性力等影響，內(nèi)部任意某處各個(gè)方向的壓力不相等。

流動(dòng)的液體在沿途中會(huì)受沿程阻力和局部阻力，由沿程阻力引起的機(jī)械能損失稱(chēng)為沿程損失，克服局部阻力的能量損失稱(chēng)為局部損失。全部的流動(dòng)液體的能量損失等于各段的沿程損失和各局部損失的總和。

LED支架是LED燈珠在封裝之前的基板，起到保護(hù)固晶焊線和硅膠成型的作用，導(dǎo)通電路，并影響到光、電特性。支架構(gòu)造性能的好壞直接影響到LED燈珠性能，目前很多燈珠死燈，經(jīng)顯微鏡觀察，燈珠內(nèi)的芯片并沒(méi)出現(xiàn)異常，而是連接芯片的合金線與金屬基板脫離造成斷路。如圖1所示。

圖1：連接芯片的合金線與金屬基板脫離造成斷路

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)造成此種現(xiàn)象的燈珠都是直接或間接地裸露在空氣中點(diǎn)亮，空氣中存在有水汽。由此可以推斷出，LED支架的防濕氣構(gòu)造做得不好，導(dǎo)致濕氣滲入燈珠內(nèi)，從而造成封裝膠在LED燈珠長(zhǎng)期點(diǎn)亮的環(huán)境下易與金屬基板脫離，使得拔斷焊接在金屬基板上的合金線，從而形成電路斷開(kāi)。

隨著光源市場(chǎng)對(duì)LED的需求越來(lái)越大，LED燈珠的使用范圍越來(lái)越廣，使用者對(duì)LED燈珠性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。如果LED支架的防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的不好，不可防止的限制LED燈珠的使用條件、使用區(qū)域、使用領(lǐng)域等等。作為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)者和制造者，必定要在LED支架的防濕氣構(gòu)造上有所突破。

二、防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的五個(gè)要點(diǎn)

防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)，顧名思義，就是要將濕氣擋之于外，或者是使?jié)駳庠谄鋬?nèi)部停止流動(dòng)。支架的塑料與金屬基板是兩種不同屬性的材料，靠外力使兩者粘接在一起，是屬于物理粘接，即使肉眼上看不出其粘接瑕疵，但在幾十倍的放大鏡上，其界面上必定存有縫隙，如圖2所示。這就決定了支架不能將濕氣擋在體外，也就是說(shuō)一定會(huì)有濕氣滲入其內(nèi)。因此，支架的防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)，嚴(yán)格意義來(lái)講，是依靠其內(nèi)的相關(guān)構(gòu)造設(shè)計(jì)減少滲入其內(nèi)的流體。要使流體減少，也就是說(shuō)，要使流體的所有能量盡可能地?fù)p失在各沿程損失和各局部損失上。

圖2：支架的塑料與金屬基板“物理粘接”后的界面存在縫隙

以TOPVIEW型號(hào)的支架做個(gè)實(shí)驗(yàn)，將空支架浸入紅墨水中，紅墨水略淹蓋在支架引腳上即可（注：如果要使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，在紅墨水中倒進(jìn)酒精，比例1：1攪拌混合），5分鐘后終止實(shí)驗(yàn)。全過(guò)程用顯微鏡觀察支架杯體內(nèi)的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：有些支架滲得快，有些支架滲得慢，有些支架滲得輕微，有些支架滲得嚴(yán)重。取某些做完實(shí)驗(yàn)后的支架，馬上沿著塑料與金屬基板的縫隙處用剪鉗剖開(kāi)，可發(fā)現(xiàn)金屬基板的表面和邊緣有紅墨水痕跡。因此，由實(shí)驗(yàn)可總結(jié)出：紅墨水滲入支架杯體內(nèi)的途徑有二，一為塑料包裹的銅材邊緣處，二為塑料包裹的銅材表面處，且銅材正反面都有，后者比前者更為嚴(yán)重。

解析以上論斷，可從三個(gè)方面解決問(wèn)題：其一，尋求塑料與金屬基板的佳配合，這關(guān)系到材料學(xué)方面的知識(shí)，不在本文討論范圍；其二，管控塑料的注塑工藝，追求佳的模溫和壓模時(shí)間，這關(guān)系到注塑工藝方面的內(nèi)容，在本文也不做分析；其三，就是在金屬基板作處理，也就是本文所說(shuō)的防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)。

防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于：

1.盡可能延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑，且迂回折返，越曲折越好。

2.盡可能減小金屬基板與塑料的接觸面積，當(dāng)然這與熱設(shè)計(jì)有沖突，兩者需折中，或有所犧牲，尋求佳設(shè)計(jì)。在這里，涉及到熱設(shè)計(jì)方面不作詳細(xì)分析。

3.在金屬基板表面盡可能作一些溝槽等擋水墻，增加金屬基板表面的粗糙程度，增加液體的流動(dòng)難度，當(dāng)然，擋水墻形狀越夸張?jiān)胶茫紤]到制作難度和制作成本，適宜即可。

4.減小金屬基板進(jìn)入塑料的端口面積，相當(dāng)于減小了液體進(jìn)入支架內(nèi)的途徑。

5.盡可能把液體引到非支架杯體內(nèi)。

三、七種支架防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)方案的具體分析

伴隨著模具行業(yè)的不斷進(jìn)步，沖壓、鉆銑、折彎、注塑工藝越來(lái)越能實(shí)現(xiàn)精細(xì)、復(fù)雜的設(shè)計(jì)構(gòu)思，支架防濕氣構(gòu)造的設(shè)計(jì)內(nèi)容不斷更新，不斷突破。設(shè)計(jì)人員追求的是產(chǎn)品的性價(jià)比，在把防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)得很好的同時(shí)，也需要顧及到其它方面的性能，比方熱、電、光性能，更需要關(guān)注到加工難度、加工成本。

圍繞著防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的要點(diǎn)來(lái)考量，防濕氣設(shè)計(jì)列出以下多種方案，并作綜合分析其優(yōu)劣性。

方案1：金屬基板平板型。金屬基板不作任何處理，簡(jiǎn)單地區(qū)分出正負(fù)兩個(gè)不同極性，如圖3。不加防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)理念，加工成本低，但氣密性差。此種支架做出來(lái)的燈珠，只保證能點(diǎn)亮，但在有濕氣的地方使用，很快就會(huì)出現(xiàn)死燈?；蛘咴跓糁橥獠客可戏浪z水方可使用，這也間接增加了客戶端的使用成本。

圖3

方案2：延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑?，F(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上，已經(jīng)都加上了“延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑”的設(shè)計(jì)理念。如圖4紫色圈。通過(guò)對(duì)金屬基板邊緣沖成不同程度的曲線，沖出越復(fù)雜的曲線，金屬基板邊緣線就越長(zhǎng)，這大大加大了濕氣由金屬基板邊緣滲入的難度。當(dāng)然，金屬基板邊緣線處理得越多，加工成本就越高，同時(shí)也要求金屬基板的性能要很好。

方案3：塑料包裹側(cè)引腳，現(xiàn)有的支架一般制作流程是：金屬基板沖壓成型→電鍍→注塑→折彎切斷。這樣的弊端是，濕氣在引腳側(cè)邊就可滲入。為了讓濕氣的滲入途徑更長(zhǎng)，塑料可將側(cè)引腳包裹住，只露出底引腳，作為導(dǎo)電的焊腳。如圖5紫色圈所示。支架的制作流程更改為：金屬基板沖壓成型→電鍍→次折彎→注塑→第二次折彎并切斷。這樣，塑料很好地將金屬基板包裹在里面。但從制作流程可看出，這樣的方案更復(fù)雜。如果在金屬基板處折彎處沖幾個(gè)孔，效果會(huì)更加明顯。當(dāng)然，這也增加了加工成本。本設(shè)計(jì)方案在客戶端的上錫過(guò)程中會(huì)造成難題，兩邊引腳的錫量如不均勻，很容易導(dǎo)致燈珠傾斜。

方案4：減小金屬基板與塑料的接觸面積。現(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上，也都加上了“減小金屬基板與塑料的接觸面積”的設(shè)計(jì)理念。如圖6紫色圈所示。通過(guò)在金屬基板表面再?zèng)_出幾個(gè)不同程度大小的孔，有方形、圓形等，孔越多，效果越明顯?？讛?shù)量的多少這須由金屬基板的性能決定。別處，孔位置的選擇也較為關(guān)鍵，孔一般限定在杯體內(nèi)重要位置的附近處，不宜設(shè)計(jì)在離杯體較遠(yuǎn)的位置。此方案的好處有二：一是上下的塑膠能夠更嚴(yán)密的接牢，把金屬基板卡得更緊；二是減少了塑料與金屬基板相結(jié)合的界面，更好地防止了塑料與金屬基板存在的縫隙。這兩個(gè)好處，都很好地起到防濕氣滲入的作用。當(dāng)然，這也增加了加工成本。

方案5：增加金屬基板表面的粗糙程度。現(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上，“增加金屬基板表面的粗糙程度”的設(shè)計(jì)理念也較為普遍。如圖7紫色圈所示。在理論上，本方案延長(zhǎng)了濕氣滲入金屬基板表面的途徑，并增加了濕氣的流動(dòng)難度。但是，如果金屬基板表面的溝槽等擋水墻、麻點(diǎn)設(shè)計(jì)得太夸張，或設(shè)計(jì)不妥當(dāng)，很容易造成反向效果，即增加了金屬基板與塑料的接觸面積，更易出現(xiàn)兩者界面縫隙。因此，增加金屬基板表面的粗糙程度應(yīng)適可而止，在一定面積內(nèi)應(yīng)有一定比例，具體多少本文不作深入研究。

方案6：非杯體內(nèi)的金屬基板不作電鍍，或電鍍得粗糙。按照“增加金屬基板表面的粗糙程度”的設(shè)計(jì)理念，也可以在非杯體內(nèi)的金屬基板不作電鍍，或電鍍得較為粗糙。一般電鍍面比不電鍍層更為光滑，這樣塑料與金屬基板會(huì)結(jié)合得更加牢固。但是，如在非杯體內(nèi)不作電鍍，金屬基板在受潮高溫的環(huán)境下，很易氧化，這樣包裹在塑料里的金屬基板生銹，造成兩者界面更大的縫隙，時(shí)間一長(zhǎng)，氧化區(qū)域會(huì)延伸到杯體內(nèi)已電鍍好的金屬基板，造成的后果可想而知。如果在非杯體內(nèi)電鍍得粗糙，在杯體內(nèi)電鍍得光滑，這樣電鍍工藝較為復(fù)雜，制作成本也相應(yīng)上升。因此，本方案不提倡。

方案7：減小金屬基板進(jìn)入塑料的端口面積。理論上，在濕氣進(jìn)口端著手，減小其面積或端口，降低水汽滲入量，能很好地起到防濕氣滲入的作用。如圖8紫色圈所示。在金屬基板的臨進(jìn)端沖出一個(gè)大孔，這樣，成型后的支架，金屬基板伸進(jìn)塑料的那部分只剩兩頭。塑料包裹金屬基板更為牢固，兩者界面的縫隙在外觀上觀看，并不明顯。但是，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣做的實(shí)際效果并不明顯。經(jīng)分析，濕氣滲入并不是定期定量地存在，而是存在于空氣中，長(zhǎng)期都有，即使?jié)駳獾臐B入端口小了，但在長(zhǎng)期作用下，也會(huì)后滲入。

四、支架防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的另類(lèi)猜想

基于防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，可以有更加大膽的想象空間。

方案8：假設(shè)不需考慮光線靠支架杯體內(nèi)底部的高亮電鍍層來(lái)反射（注：根據(jù)材料學(xué)及目前的電鍍工藝，塑料的白度反射率為0.92，電鍍層反射率為0.97），支架在注塑時(shí)，可以在支架杯體內(nèi)底部也注塑一層薄塑膠，只留出固定的固晶區(qū)和焊線區(qū)，其余都用塑料封住。如圖9紫色圈所示。這樣，更加大延長(zhǎng)了水汽的滲入途徑。理論上，防濕氣效果會(huì)更加明顯。

方案9：上述多種方案都是在“要使流體的所有能量盡可能地?fù)p失在各沿程損失和各局部損失上”的觀點(diǎn)上設(shè)計(jì)的，如果轉(zhuǎn)變思路，濕氣滲入后，考慮怎樣把大部分的濕氣轉(zhuǎn)移到其它非主要部位。這樣，濕氣雖有滲入，但沒(méi)有滲入到支架杯體內(nèi)，從而不會(huì)影響到終成品的性能。

如圖10紫色圈所示，只設(shè)計(jì)一邊焊線區(qū)，另外一邊不伸進(jìn)支架杯體內(nèi)，而且，伸進(jìn)支架杯體內(nèi)的部分盡可能多設(shè)計(jì)溝槽之類(lèi)的擋水墻，另一端不作規(guī)劃，盡可能簡(jiǎn)單。從液體的流動(dòng)理論分析，液體往往更易流向沒(méi)有阻力的地方，且是大部分。這樣，滲入的水汽大部分會(huì)流向圖示B端，很好地保護(hù)到圖示A端部位不受濕氣滲入。

方案10：與方案9同樣道理，把支架外形做得更大，需要在塑料內(nèi)做更多的金屬基板線路設(shè)計(jì)。如圖11所示，AB端為杯體內(nèi)的主要金屬基板，為L(zhǎng)ED燈珠焊線區(qū)，CD端為輔助金屬基板。在AB端的金屬基板線路盡可能多設(shè)計(jì)溝槽之類(lèi)的擋水墻，而在CD端不作規(guī)劃，盡可能簡(jiǎn)單。這樣，濕氣更易滲入CD端，且濕氣容量較大。

但是，要到達(dá)以上的理論效果，滲入AB端與滲入CD端的難易度要相差很大倍數(shù)，不然濕氣還是會(huì)或多或少滲入AB端。如此可見(jiàn)，本方案不僅在塑料上增加成本，還應(yīng)在金屬基板處理上也要增加相當(dāng)多的成本，因此不宜提倡。

五、各設(shè)計(jì)方案比照

（注：上以比較是10種方案的相比照較，并無(wú)關(guān)系。加工難度由A→C代表易→難；加工成本由A→C代表低→高；對(duì)電光熱等性能的影響由A→C代表效果好→效果差；防濕氣滲入效果由A→C代表效果好→效果差。綜合評(píng)估：建議使用是指多種方案可共同使用，特殊情況使用是指在某些特定要求下使用。）

LED支架的防濕氣構(gòu)造設(shè)計(jì)，是在LED使用條件越來(lái)越嚴(yán)苛的情況下提出來(lái)的，且發(fā)展的很快。產(chǎn)品應(yīng)注重性價(jià)比，不