隨著價(jià)格的降低，LED燈泡開(kāi)始全面普及。最近，不僅是日本廠商，韓國(guó)、中國(guó)大陸、臺(tái)灣以及歐洲廠商等也紛紛開(kāi)始致力于LED燈泡的產(chǎn)品化。為此，對(duì)東亞地區(qū)銷售的9款LED燈泡進(jìn)行了拆解和分析，發(fā)現(xiàn)日本廠商和海外廠商在設(shè)計(jì)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(guān)注。其特點(diǎn)是耗電量低，不過(guò)，除了比白熾燈泡價(jià)格高外，很多用戶還認(rèn)為其存在“較大”、“較重”等設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。為此對(duì)目前正在銷售、來(lái)自眾多生產(chǎn)基地的東亞地區(qū)的LED燈泡進(jìn)行了拆解和分析，以便發(fā)現(xiàn)解決上述問(wèn)題的啟示。通過(guò)拆解，發(fā)現(xiàn)了日本廠商和海外廠商在設(shè)計(jì)思路方面的差異，這便是“日本廠商重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而海外廠商則優(yōu)先考慮成本”。
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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(huì)認(rèn)為沒(méi)有散熱片的產(chǎn)品便宜，但其實(shí)沒(méi)有散熱片時(shí)往往需要使用耐熱性高的部件，因此成本并沒(méi)有降低。不使用散熱片是“為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)”（東芝照明技術(shù)）。不只是該公司，很多日本國(guó)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(guò)采用近乎粗放的設(shè)計(jì)，削減了成本”（協(xié)助拆解的技術(shù)人員）。
下面讓我們來(lái)具體看一下體現(xiàn)在外觀上的不同的設(shè)計(jì)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(guó)、中國(guó)大陸和臺(tái)灣銷售的產(chǎn)品中隨機(jī)挑選出來(lái)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(biāo)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(shù)的7.2W產(chǎn)品、韓國(guó)三星LED的7.1W產(chǎn)品以及中國(guó)勤上光電的7.5W產(chǎn)品作為A組，其余作為B組。
圖1：拆解了9種LED燈泡（點(diǎn)擊圖片放大）
東芝照明技術(shù)的7.2W產(chǎn)品、三星LED的7.1W產(chǎn)品以及勤上光電的7.5W產(chǎn)品由于耗電量和總光通量接近，所以列為A組，其他的作為B組。耗電量和總光通量均為標(biāo)稱值。
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拆解前，首先測(cè)量了亮燈狀態(tài)下LED燈泡的溫度（圖2，圖3）。目的是確認(rèn)在外觀上存在明顯差異的底座（散熱部）差異是否會(huì)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(huì)太熱。但底座是LED芯片的散熱部，因此溫度較高。此次在認(rèn)為底座會(huì)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(cè)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(shù)的7.2W產(chǎn)品（圖2（b））。在A組內(nèi)進(jìn)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(shù)的7.2W產(chǎn)品約為61℃，比這兩款高出了14～18℃。
圖2：對(duì)A組的LED燈泡進(jìn)行溫度測(cè)量(點(diǎn)擊圖片放大)
注釋：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(shù)公司的熱像儀“TH6300”測(cè)量了膠帶的溫度。使用放射率為0.95的膠帶是為了將測(cè)量位置的放射率統(tǒng)一為0.95。通過(guò)測(cè)量膠帶上的溫度，可獲得準(zhǔn)確的溫度。放射率越接近1，散熱體就越理想。另外，溫度測(cè)量得到了Thermal Design Laboratory代表董事國(guó)峯尚樹(shù)的協(xié)助。點(diǎn)亮LED燈泡10多分鐘后進(jìn)行的測(cè)量。東芝照明技術(shù)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(shí)際高達(dá)61℃左右。
圖3：B組的表面溫度（點(diǎn)擊圖片放大）
注釋：臺(tái)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(duì)底座的放射率進(jìn)行計(jì)算后得出，東芝照明技術(shù)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(shù)的底座采用薄鋁板制造。雖然東芝照明稱“通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行耐酸鋁處理提高了放射率”，但在我們的測(cè)量中，該值仍然低于其他公司。
即便底座的表面溫度達(dá)到61℃左右，“實(shí)際使用時(shí)完全沒(méi)有問(wèn)題”（東芝照明技術(shù)）。LED燈泡的底座溫度由各廠商根據(jù)自主標(biāo)準(zhǔn)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(huì)影響發(fā)光效率和壽命等”（LED燈泡廠商的技術(shù)人員）。相反，“就設(shè)計(jì)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(jiǎn)化散熱機(jī)構(gòu)”（該技術(shù)人員）。也就是說(shuō)，在熱設(shè)計(jì)方面，海外廠商的性能指標(biāo)還稍留有余地。
通過(guò)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(shí)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（點(diǎn)擊圖片放大）
注釋：東芝照明技術(shù)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(jiǎn)單認(rèn)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(cè)。
圖5：B組LED的封裝形態(tài)（點(diǎn)擊圖片放大）
注釋：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(dá)到了1mm見(jiàn)方。為了避免熱應(yīng)力，飛利浦流明推薦將該LED封裝到進(jìn)行了圖案加工的FR-4基板中，而實(shí)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(shè)計(jì)。例如，中國(guó)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(gè)SMD封裝，每個(gè)SMD封裝里配備1枚大型LED芯片。這種設(shè)計(jì)“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(shì)”（協(xié)助拆解的技術(shù)人員）。原因是，可以通過(guò)增加每枚芯片的輸入功率來(lái)提高亮度，減少所需的LED芯片數(shù)量。不過(guò)，這樣做芯片的發(fā)熱量會(huì)增加，因此需要相應(yīng)的散熱機(jī)構(gòu)。
相反，東芝照明技術(shù)的7.2W產(chǎn)品則通過(guò)采用多個(gè)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(shù)。雖然有觀點(diǎn)認(rèn)為，由于使用的芯片數(shù)量較多，因此LED本身的成本會(huì)升高，但“此舉能改善發(fā)光效率，不但可簡(jiǎn)化散熱機(jī)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(yīng)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(jì)配備的是美國(guó)飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）的LED“LUXEON Rebel”。韓國(guó)錦湖電機(jī)的6W產(chǎn)品估計(jì)是日亞化學(xué)工業(yè)的LED，真明麗控股的7W產(chǎn)品采用的是美國(guó)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(shù)人員表示，“如果使用臺(tái)灣廠商的LED，僅需一半的價(jià)格”。關(guān)于這一點(diǎn)，真明麗控股表示，“由于涉及專利問(wèn)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。
在散熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shù)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(shù)人員）。
圖6：調(diào)查A組的散熱機(jī)構(gòu)（點(diǎn)擊圖片放大）
注釋：估計(jì)東芝照明技術(shù)的7.2W產(chǎn)品通過(guò)采用發(fā)光效率高的LED元件，簡(jiǎn)化了散熱機(jī)構(gòu)。而三星LED的7.1W產(chǎn)品和勤上光電的7.5W產(chǎn)品采用配備了大量散熱片的散熱機(jī)構(gòu)。部件的作用是本站推測(cè)的。照片中的土黃色部分是在拆解時(shí)為了識(shí)別個(gè)體粘上的膠帶。
圖7：B組的散熱機(jī)構(gòu)（點(diǎn)擊圖片放大）
注釋：均采用了大量配備散熱片的散熱機(jī)構(gòu)，很多產(chǎn)品在LED封裝基板與底座之間加入了散熱油脂和散熱片。不過(guò)，在Star Comgistic Capital公司的4W產(chǎn)品上沒(méi)有看見(jiàn)散熱油脂。
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(guò)機(jī)械加工方式對(duì)連接LED封裝基板的底座表面進(jìn)行了平坦化處理，并通過(guò)涂布散熱膏提高了密著性。“因?yàn)長(zhǎng)ED芯片的熱損失較大，所以相應(yīng)地在散熱機(jī)構(gòu)上花費(fèi)了心血”（協(xié)助拆解的技術(shù)人員）。
雖然看起來(lái)海外廠商在散熱機(jī)構(gòu)上花費(fèi)了成本，但協(xié)助拆解的技術(shù)人員指出，“LED燈泡的散熱部材價(jià)格并不高”。比如，帶散熱片的鋁壓鑄底座“每個(gè)只有50～60日元”（LED燈泡廠商的技術(shù)人員）。LED封裝的價(jià)格為“每瓦（W）100日元”（該技術(shù)人員），這樣看來(lái)，削減芯片數(shù)量，改進(jìn)散熱機(jī)構(gòu)的做法更能降低整體的成本。
反過(guò)來(lái)說(shuō)，即使簡(jiǎn)化散熱機(jī)構(gòu)也有可能無(wú)法削減成本。例如，東芝照明技術(shù)的7.2W產(chǎn)品“雖然簡(jiǎn)化了散熱機(jī)構(gòu)，但導(dǎo)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(shù)）。
電源模塊實(shí)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(shè)計(jì)，因此很容易出現(xiàn)差異”（LED燈泡廠商的技術(shù)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(shù)人員），是能夠展示各廠商本領(lǐng)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(shù)的7.2W產(chǎn)品（圖8）。“通過(guò)縮小電源模塊的尺寸，擴(kuò)大了底座內(nèi)的空間，使熱設(shè)計(jì)變得更加容易”（協(xié)助拆解的技術(shù)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(shù)訣竅。即使采用相同的部件，其他公司可能也無(wú)法模仿”（東芝照明技術(shù)）。
圖8：縮小電源模塊尺寸
東芝照明技術(shù)的7.2W產(chǎn)品采用了小型軽量的電源模塊。
另外，協(xié)助拆解的技術(shù)人員還指出，“東芝照明技術(shù)的電源為非絕緣型，沒(méi)有使用體積較大的變壓器，因此容易推進(jìn)小型輕量化”。在歐洲市場(chǎng)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(chǎng)上沒(méi)有這樣的規(guī)定，因此“采用有利于實(shí)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(duì)日本廠商而言，電源模塊的小型化將越來(lái)越重要。在2011年3月舉行的照明技術(shù)相關(guān)展會(huì)“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(kuò)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化，“這就要求進(jìn)一步改進(jìn)熱設(shè)計(jì)”（LED燈泡廠商的技術(shù)人員）。
圖9：大配光角度的LED燈泡縮小了散熱部
擴(kuò)大了配光角度的LED燈泡，都趨向于縮小電源部和散熱部。例如，東芝照明技術(shù)定于2011年4月上市的產(chǎn)品通過(guò)采用鋁壓鑄底座提高了散熱性。
其實(shí)，東芝照明技術(shù)定于2011年4月上市的大配光角度LED燈泡沒(méi)有配備散熱片，但通過(guò)采用鋁壓鑄底座提高了散熱性。“海外廠商已經(jīng)能夠輕松制造出普通的LED燈泡。為了在設(shè)計(jì)和配光角度上拉開(kāi)距離，需要改善電源模塊和散熱機(jī)構(gòu)”（東芝照明）。