高显色白光LED发光元件三维结构设计

　　做了快十年消费电子与通讯设备的结构设计，经手的光源类器件选型和建模不下百种，这次做的这款高显色白光LED结构，最早是给手持通讯检测设备的补光模块做配套设计的，当时甲方提的要求很明确，补光不能偏色，因为设备要拍线路板上的色环电阻、丝印标识，普通LED显色指数不够，拍出来红棕色和深橙色的色环容易混，直接影响检测准确率，所以才锁定了这类高CRI的白光LED方案。

　　先从实际应用场景说，这类LED除了刚才说的工业通讯检测设备补光，其实在便携通讯终端的按键背光、专业手持对讲设备的状态提示补光、户外通讯作业的便携照明模组里都能用，甚至很多带拍照功能的三防通讯手机，副摄的补光灯也会选同规格的器件，核心需求就是小体积下出光均匀，显色准确，不会因为光线问题让使用者误判标识颜色。

　　说回结构设计本身，一开始建模的时候最先卡的是安装边界，通讯类设备的内部空间寸土寸金，留给补光元件的安装位通常是在PCB板边缘，和外壳的透光窗距离不能超过1.2mm，不然光线经过空气层散射之后，出光效率会掉15%以上，还会出现边缘暗斑。所以建模的时候先定了器件的总高度，从焊盘底面到出光面的垂直距离严格控制在2.0mm，横向的封装尺寸做了2.0mm见方的小规格，刚好能在0.8mm厚的FR4板材上走两根0.3mm宽的焊盘走线，不用额外加宽焊盘占空间。

　　功能特性上，这款LED的核心是高显色的荧光粉涂覆层设计，建模的时候特意把荧光粉层做了微弧面的凸起，不是平涂的结构，这样光线从芯片出来经过荧光粉的时候，不同角度的光程差能控制在5%以内，不会出现中心偏蓝边缘偏黄的色差问题。之前做平涂结构的LED模型，做光学仿真的时候就发现边缘显色指数比中心低8个点，根本满足不了检测类设备的要求，改成微弧面之后，整个出光面的CRI值波动不超过2，完全符合使用要求。

　　引脚设计的时候也考虑了通讯设备的抗振需求，没有用普通贴片LED的鸥翼引脚，而是做了底部沉金的焊盘设计，焊接的时候焊锡能在焊盘侧面形成浸润的锡角，抗跌落性能比鸥翼引脚高30%，之前做过1.5米跌落测试，普通鸥翼引脚的LED有20%的概率出现虚焊脱焊，沉底焊盘的结构做了50次跌落都没出现焊接失效的问题。另外在封装胶体的侧面，特意留了0.1mm的定位凸点，和外壳上的定位槽刚好配合，装配的时候不用额外做治具定位，工人手工贴装就能把LED的出光中心和外壳透光窗的中心对齐，偏差不会超过0.05mm，能减少装配环节的调校时间。

　　设计的时候还考虑了散热边界，因为通讯设备很多是密封外壳，内部空气不流通，LED的热量如果散不出去，光衰会非常快，寿命直接打对折。所以建模的时候把LED的散热焊盘做了加大处理，底部的散热焊盘面积占到整个器件底面积的60%，焊接的时候能直接和PCB上的露铜散热区连接，热量能直接通过PCB的铜箔散出去，仿真的时候满功率工作1小时，结温比普通同功率LED低12℃，额定工作寿命能提升40%以上。

　　出光角度的设计也花了不少功夫，一开始做120度的大角度，结果在通讯检测设备上用的时候，光线散得太开，距离被测物30cm的时候中心照度只有120lux，根本拍不清细小的丝印，后来把封装胶体的透镜曲率调整了一下，把出光角度收窄到90度，同样的工作电流下，30cm处的中心照度能到220lux，边缘照度也有160lux，整个拍摄视场里的光线均匀度能到0.7以上，完全满足拍摄补光的要求。而且这个角度也兼顾了状态提示的需求，作为设备状态灯使用的时候，使用者在左右60度的范围内都能清晰看到灯的亮灭和颜色，不会出现侧视看不到的问题。

　　另外在模型的细节处理上，把封装胶体和支架的结合处做了0.05mm的圆弧过渡，没有做直角接缝，一方面是注塑封装的时候能减少应力集中，避免温度循环的时候胶体开裂，另一方面也能减少接缝处的光线散射，避免出现侧面漏光的问题，之前做直角接缝的模型，做-40℃到85℃的温度循环测试，200个循环之后有10%的样品在接缝处出现细微裂纹，改成圆弧过渡之后，500个循环都没出现开裂的情况。还有支架的材质选用的是耐高温的PPA塑料，建模的时候把支架的壁厚控制在0.2mm，既保证了足够的结构强度，不会在贴装的时候因为吸嘴压力变形，又能尽量缩小整体尺寸，给其他元器件留出空间。

　　实际做装配干涉检查的时候，特意模拟了PCB上周边的元件布局，在LED周边1mm范围内，最高的元件不能超过1.5mm，不然会挡住出光光线，所以在模型里也标注了安装的禁布区，给后续做PCB布局的工程师明确的边界，避免出现布局完了才发现元件挡光的问题。还有焊盘的设计，严格按照IPC-7351的标准做了贴片焊盘的尺寸，焊盘外延0.2mm，内缩0.1mm，既能保证焊接的时候有足够的锡量形成可靠的焊点，又不会出现焊锡连桥的问题，适合批量SMT贴装生产。