一種無縫拼接的LED光源模組設(shè)計(jì)方案探究

成年斌

（佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

一種無縫拼接的LED光源模組設(shè)計(jì)方案探究

成年斌

（佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

提出了一種拼接式光源模組方案。該方案通過設(shè)計(jì)單片壓鑄光源模塊結(jié)構(gòu)，使得模塊與模塊之間可以進(jìn)行插接而實(shí)現(xiàn)拼接，拼接形式多樣，能不同組合能滿足用戶的多樣性需求。

LED光源模塊；無縫拼接；注塑成型

光源模塊產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于廣告燈箱、發(fā)光字等地方；一般地光源模塊產(chǎn)品有滴膠式光源模塊與注塑式光源模塊。兩大類型，本文的所探究的光源模塊為注塑式的光源模塊。注塑式的光源模塊低壓注塑成型與高壓注塑成型。

低壓注塑成型工藝是一種使用很低注塑壓力，將熱熔材料注入模具中并快速固化的封裝工藝。注塑壓力小，注塑過程并不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的電子元器件造成影響與傷害，且具備良好的物理、化學(xué)性能來達(dá)到絕緣、密封的效果［1］。不少高端但器件比較脆弱的產(chǎn)品會(huì)考慮采用低壓注塑成型的工藝進(jìn)行封裝。然而低壓注塑成型工藝存在熱熔材料的成本很高和注塑效率極為低下兩個(gè)大缺陷。按照成品體積為200mm×30mm×4mm的產(chǎn)品，采用低壓注塑工藝，僅僅熱熔膠料成本就約6.0～8.0元/片，這個(gè)材料成本相對(duì)于目前的光源模塊市場(chǎng)，是很高昂的。

高壓注塑成型工藝是通過注塑機(jī)器，將融化的塑料擠壓進(jìn)入模具并快速固化的封裝工藝［2］。與低壓工藝互補(bǔ)。高壓注塑工藝采用的封裝材料是比較便宜和常見的ABS、PVC等膠料，生產(chǎn)效率較高；因?yàn)閷儆诟邏簲D出膠料工藝，如電子器件比較脆弱的話，極容易被擠壓力破壞，導(dǎo)致產(chǎn)品性能缺陷。

在光源模塊的生產(chǎn)工藝中，低壓注塑工藝與高壓注塑工藝都會(huì)使用到，由于低壓注塑工藝成本較高，在企業(yè)中，能夠采用高壓注塑工藝生產(chǎn)的，一般不會(huì)考慮低壓注塑工藝。對(duì)某些特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（如光源模塊PCB的尺寸較長(zhǎng)較大），如采用高壓工藝注塑，強(qiáng)勁的擠出壓力會(huì)使PCB產(chǎn)生極大的變形，將對(duì)產(chǎn)品性能造成嚴(yán)重的影響，只能選擇成本較高的低壓注塑工藝來完成這種類型的產(chǎn)品。

如果有一款既能滿足光源模塊的尺寸需求，其制造材料成本都比較低，那就可以解決上述問題。本文就是研究這種采用高壓注塑成型工藝生產(chǎn)的光源模塊，通過無縫拼接的組合方式，組成各種光源模組結(jié)構(gòu)，從而解決光源模塊較大尺寸時(shí)的問題。

1 亮化模塊結(jié)構(gòu)造型

拼接式光源模塊，由亮化模組與輸入端兩大部分組成。亮化模組部分分別有單頭公母模塊、雙頭公母模塊、三頭公母模塊與四頭公母模塊組成；輸入端部分有公端輸入端及母端輸入端兩種。本文將著重介紹單頭公母結(jié)構(gòu)的模塊、公端輸入端、母端輸入端。

1.1 單頭公母結(jié)構(gòu)的光源模塊

亮化模組中，單頭公母結(jié)構(gòu)的模塊，較之雙頭公母模塊、三頭公/母模塊與四頭公/母模塊而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更具有代表性意義。

單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊的設(shè)計(jì)，源自于USB的接插模式,公母端結(jié)構(gòu)，便如USB的公母插座。單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊如圖1所示。

圖1 單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊組成

由圖1可知，單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊主要由以下4個(gè)部分組成。

1.1.1 透鏡

用于得到理想的出光效果，根據(jù)不同的出光效果，定制相應(yīng)的透鏡。如果沒有特別的要求，透鏡也可以取消。

1.1.2 PCB線路板

單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊PCB線路板如圖2所示。線路板的設(shè)計(jì)需要做凸字形的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)USB的公座功能。PCB凸起處的覆蓋層開窗設(shè)計(jì)，可以參考如上圖3所示的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)幾條長(zhǎng)100mm，寬0.5～1.0mm的細(xì)長(zhǎng)條焊盤。在做PCB的SMT貼片時(shí)，做上預(yù)上錫，使得細(xì)長(zhǎng)條焊盤上錫量厚度增加約0.2～0.3mm。PCB線路板的輸出端，在輸出端焊盤上預(yù)上一層錫，以便與FPC單面線路板做輸出搭焊時(shí)，增加焊接強(qiáng)度。

圖2 單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊PCB線路板示意

1.1.3 FPC單面線路板

FPC單面線路板如圖3所示。FPC線路板采用單面板，Top面與Bottom面分別做作下加工。

（1）Top面。Top面在與PCB線路板連接處的正負(fù)極焊盤開窗。焊盤設(shè)計(jì)呈U形，中間處鏤空，這樣可以使得搭焊過程錫量充分滲透，加強(qiáng)錫點(diǎn)連接的性能更好，強(qiáng)度更強(qiáng)。Top面如圖4虛線框處，增加補(bǔ)強(qiáng)，加強(qiáng)FPC的強(qiáng)度，便于成品做接插時(shí)，F(xiàn)PC不容易發(fā)生變形。

圖3 FPC單面線路板

（2）Bottom面。Bottom面在與PCB線路板連接處的正負(fù)極焊盤開窗，焊盤設(shè)計(jì)尺寸位置保持與Top面一致。便于成品的接插，Bottom面設(shè)計(jì)了一組長(zhǎng)方形的大焊盤，焊盤位置與PCB線路板凸起處的細(xì)長(zhǎng)條焊盤相匹配。

1.1.4 膠料結(jié)構(gòu)

不同的造型對(duì)外包膠料的設(shè)計(jì)要求變化也是多樣的，但是無論怎么設(shè)計(jì)，以下幾個(gè)方面必須考慮。

（1）膠料的壓強(qiáng)對(duì)器件的影響。不同的膠料，其擠出壓強(qiáng)是不一樣的，配合不同噸位的高壓注塑機(jī)與產(chǎn)品的尺寸面積，擠出壓強(qiáng)變化很大。過大的射壓，對(duì)產(chǎn)品的電子元器件造成的影響是致命的。本方案在設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品膠料結(jié)構(gòu)的規(guī)格尺寸為40mm×40mm×3.0mm，膠料采用60～70 Pa的PVC白色膠料。

（2）成型外觀影響。本方案設(shè)計(jì)中，膠料與PCB線路板匹配方案有2種樣式，如圖4所示。

圖4 單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊PCB與膠料匹配設(shè)計(jì)

對(duì)于注塑工藝而言，膠料厚的地方，成型后容易產(chǎn)生縮水形變，這種形變會(huì)嚴(yán)重影響造型外觀。因此，利用線路板的設(shè)計(jì)，將膠料的凈厚度減小，可以解決注塑成型后出現(xiàn)縮水變形。

圖4中虛線為模具上需要避空的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)圖4a利用PCB線路板將包膠分成了上下兩部分，線路板在中間作為支撐，可有效減少縮水的不良影響；圖4b凸形線路板，母端的凈膠厚度達(dá)3.5mm，如果在成型過程沒有承托，外觀造型變形會(huì)十分嚴(yán)重的。

兩種方案各有優(yōu)劣：鼎形結(jié)構(gòu)，成品效果好，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但拼版數(shù)少，PCB成本較高；凸形結(jié)構(gòu)，PCB成本較之鼎形結(jié)構(gòu)會(huì)更低，但是成型需依靠較為復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)來保證產(chǎn)品造型。

（3）加強(qiáng)接插的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。膠料部分在外觀上，公端設(shè)計(jì)一個(gè)小臺(tái)階，使其也呈凸形；母端結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一個(gè)凹陷，恰好與公端的小臺(tái)階匹配，呈凹形，如圖5所示。

母端部分FPC單面板的寬度尺寸要比母端的凹口要大，利用模具將FPC單面板壓緊后，注塑膠封，使其固定；凹口處設(shè)計(jì)幾條壓條，從凹口內(nèi)部延伸至外部，在接插過程，母端壓條可以讓公端PCB線路板受力，往上頂起，有利于公端PCB線路板焊盤與FPC單面板焊盤接觸，如圖6所示。

圖5 單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊膠料結(jié)構(gòu)

圖6 單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊母端凹口平面圖

1.2 亮化模組

亮化模組即光源模塊系列。實(shí)際應(yīng)用需要將成品模塊進(jìn)行拼接，為了滿足各種不同的拼接組合，光源模組可能產(chǎn)生各種接插結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 無縫接插系列

考慮成本與工藝，綜合性價(jià)比，市場(chǎng)需求是多樣化的，但是對(duì)于企業(yè)而言，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)才是性價(jià)比最高的方案，其配合可任意搭配。

2 輸入端部分結(jié)構(gòu)造型

2.1 公端輸入端子

公端輸入端子的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。與亮化模塊中的公端結(jié)構(gòu)類似：導(dǎo)線焊接在PCB線路板后，直接采用高壓注塑工藝將其成型。PCB線路板方面與膠料的小臺(tái)階凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和亮化模塊是一致的?？紤]加強(qiáng)連接性，在公端輸入端子的端面設(shè)計(jì)了兩個(gè)小柱子，配合亮化模塊的凹柱結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)端子與模塊連接的可靠性。

圖8 公端輸入端子

2.2 母端輸入端子

母端輸入端子的結(jié)構(gòu)，與亮化模塊中的母端結(jié)構(gòu)類似，如圖9所示。同樣采用FPC單面板結(jié)構(gòu)作為連接，F(xiàn)PC單面板末端焊上輸入導(dǎo)線后，利用高壓注塑的工藝將其成型。母端輸入端子的凹口設(shè)計(jì)和亮化模塊的凹口也是一致的。匹配公端輸入端子的端面的兩個(gè)小柱子，與亮化模塊母端的端面一樣，也具有兩個(gè)凹柱，便于加強(qiáng)連接的可靠性。

圖9 母端輸入端子

3 成品連接效果展示

光源模塊的級(jí)聯(lián)，包括一字型無縫拼接、十字型無縫拼接、井字型無縫拼接。一字型無縫拼接僅采用單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊便可實(shí)現(xiàn)。十字型無縫拼接需一個(gè)4頭公或母結(jié)構(gòu)的光源模塊，配合單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊便可實(shí)現(xiàn)。井字形無縫拼接如圖10所示，這種拼接的組合方式多樣，既可以采用多個(gè)一字型拼接組成；也可以采用4頭公或母結(jié)構(gòu)的光源模塊拼接而成，根據(jù)實(shí)際情況，選擇不同的拼接方案即可。

單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊的級(jí)聯(lián)可以是1個(gè)單頭、兩個(gè)單頭、3個(gè)及以上單頭級(jí)聯(lián)，圖10為3個(gè)單頭公母結(jié)構(gòu)光源模塊與公母輸端子的級(jí)聯(lián)。

圖10 井字型無縫拼接

4 小結(jié)

本文研究的目的就是為了將光源模塊產(chǎn)品模組化，根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行特定拼裝。模組化后，每個(gè)單位模塊體積較小，適用較為低廉的高壓注塑工藝成型，為企業(yè)降低成本，提升產(chǎn)品的靈活性，使其適合更廣大的市場(chǎng)需求。

［1］袁鋒.低壓注塑技術(shù)［J］.輕工機(jī)械,1998（1）:11-11.

［2］葉久新,王群.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

【責(zé)任編輯：任小平 renxp90@163.com】

The study of LED lighting source module for seamless splicing design

CHENGNian-bin
（Foshan Nationstar Optoelectronics Co.Ltd.,Foshan 528000,China）

This paper presents a kind of concatenative light source module project by designing uniwafer and die cast the structure of light source module in order to make it plug between different modules to realize splicing. The type ofsplicingare varied.Different combination can meet the diversityneeds ofcustomers.

LEDlightingsource module;seamless splicing;injection molding

TM923.34

A

1008-0171（2017）02-0053-05

2016-05-10

成年斌（1987-），男，廣東清遠(yuǎn)人，佛山市國(guó)星光電股份有限公司助理工程師。

第35卷第2期 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） Vol.35 No.2 2017年3月 Journal of Foshan University（Natural Sciences Edition） Mar.2017