大功率集成封装LED的一次光学设计

张 曼

扬州市职业大学电子工程学院，江苏 扬州 225009

0 引言

LED具有光效高、耗能低、寿命长、显色性好、响应速度快、控制灵活等优点，已成为国际新兴战略产业界的竞争热点。目前，LED已广泛用于室内外照明、汽车照明、显示、背光、指示等领域。LED按功率可分为普通功率型和大功率型，输入功率＜1 W的LED为普通功率LED，输入功率≥1 W的LED为大功率LED，不同功率的LED可以应用于不同场合。常见的大功率LED封装结构主要有两种形式，一种是单芯片封装大功率LED，另一种是多芯片集成封装大功率LED[1-2]。

LED产业链主要包括上游、中游和下游，上游包括衬底材料、外延片、芯片设计与制造，中游包括芯片的封装与测试，下游为LED显示、照明、灯具等产品的应用。大功率LED的封装是产业链中非常重要的一环，是推进半导体照明和显示走向实用化的核心制造技术。但是目前大功率LED器件的封装工艺依然存在一些出光不均匀和出光效率较低的问题。单芯片封装工艺由于反光碗和透镜的制造工艺比较复杂，成本较高；而集成封装工艺虽然成本低，具有芯片排布灵活等特点，但芯片的出光效率较低[3]。

为了提高芯片的出光效率（外部量子效率），可以采用两种方式：一是优化衬底和工艺，改进材料质量，提高散热性能和内量子效率；二是优化光学结构，采用一次光学设计的优化方案来提高LED的出光效率[4]。文章将利用TracePro仿真软件从反光碗的底部半径、深度、硅胶的折射率等方面进行一次光学设计，探讨集成封装的结构对LED芯片出光效率的影响。

1 基于TracePro的集成光源模型建立

LED的基本结构如图1所示，主要包括芯片、支架（反光碗）、透镜等结构。LED芯片属于出光面发光，具有明显的指向性，并且出光呈现朗伯型分布；反光碗一般会涂敷金属材料，以减少对光的吸收；透镜使用的材料一般是PC、亚克力、硅胶、环氧树脂等，形状可以是半圆形、平形或抛物面形。

图1 LED的基本结构示意图

为了进行出光（配光曲线）设计，利用仿真软件（如TracePro、Lighttools等）进行光学设计。LED的光学设计包括一次和二次光学设计，一次光学设计指对LED的封装结构进行设计，以提高出光效率；二次光学设计包括透镜和反光杯设计，是将LED发出的光进行重新分配，以满足不同场合的需求[5]。一次光学设计是二次光学设计的基础，没有较高的出光效率，也无法达到光学设计的目的。大功率LED的集成封装方式包括先将多颗芯片进行电气连接，后直接进行二次配光设计，也可以先对单颗芯片进行一次配光设计，再进行二次配光设计。

通过对单颗芯片进行一次配光，研究反光碗的底部半径、深度、硅胶的折射率对LED集成封装的出光效率的影响。文章使用BXCE4545型芯片，为了减少软件的计算时长，将芯片的尺寸进行简化，芯片是尺寸为1 mm×1 mm×0.1 mm的方块，功率为1 W，反光碗初步设置为底部半径为1.2 mm、顶部半径为1.4 mm、深度为0.4 mm的圆锥形，由8颗1 W的芯片以圆形组合排列，结构如图2所示。

图2 8 W LED集成光源模型示意图

2 模拟仿真分析

2.1 大功率LED排列方式

在TracePro中建立反光碗模型的初始尺寸，即顶部半径为1.4 mm、底部半径为1.2 mm、深度为0.4 mm，内部涂敷铝层，反射比为0.83。常见金属反射比如表1所示。LED芯片尺寸为1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm，放置在反光碗底部中央，然后将8颗1 W大功率LED分别以半径为10 mm、11 mm、12 mm、14 mm的圆形进行排列，并进行光线追迹，分析辐照度结果和配光曲线，结果如表2所示。从表2可以看出，8颗大功率LED芯片以圆形进行排列时，圆形半径尺寸的变化对出光情况影响较小，可以根据法向最大光强值选定圆形半径尺寸。

表1 常见金属反射比

表2 不同圆形半径排列的仿真结果

2.2 反光碗尺寸的影响

根据上述结果，选定LED圆形排列的半径为10 mm，分别讨论底部半径（张角）、深度对LED芯片出光的影响，反光碗模型如图3所示。反光碗的初始尺寸为顶部半径1.4 mm、深度0.4 mm，底部半径分别为1.2 mm、1.0 mm、0.9 mm、0.8 mm，进行建模仿真分析。4种底部半径的反光碗的配光仿真结果如图4、表3所示。从出光效率、最大光强等综合结果可以看出，随着底部半径的减小，出光效率会有所增加，这是因为张角越大，反光碗内壁的反射次数会减少，而且法向方向的最大光强会先增大后减小。经综合比较，底部半径为1.0 mm时，出光效果最佳。

表3 不同反光碗底部半径的出光仿真结果

图3 反光碗模型轮廓图

图4 不同反光碗底部半径的配光曲线

选定底部半径为1.0 mm，分别以1.0 mm、0.8 mm、0.6 mm、0.4 mm为深度进行反光碗建模仿真，配光曲线结果如图5所示，出光结果如表4所示。可以看出，随着深度的不断减小(相当于反光碗张角不断增大)，出光效率有所增加，但是最大光强会先增大后减小。

表4 不同反光碗深度的出光仿真结果

图5 不同反光碗深度的配光曲线

2.3 硅胶折射率的影响

集成封装时需要使用环氧树脂或硅胶等材料将芯片包封起来，以免芯片电极在空气中氧化。综合比较硅胶与环氧树脂的耐紫外线、寿命、透光率等性质后，选用硅胶作为包封材料。根据上述建模仿真结果，选用底部半径为1.0 mm、深度为0.6 mm的反光碗，硅胶的透光率为98%。为了降低硅胶透镜形状对出光的影响，将硅胶进行反光碗平面填充，分别设置硅胶的折射率为1.44、1.58、1.60，研究不同折射率的硅胶对芯片出光的影响。建模仿真结果如图6、表5所示。从仿真结果可以看出，硅胶的折射率越大，出光效率越小。

表5 不同硅胶折射率的出光仿真结果

图6 不同硅胶折射率的配光曲线

3 结论

文章分别以反光碗底部尺寸、深度、硅胶折射率为变量，研究LED的封装结构对芯片出光效率和法向最大光强的影响。通过一次配光建模仿真设计发现，反光碗底部半径越小、深度越深，出光效率越高，法向最大光强先增大后减小；硅胶折射率越小，出光效率越高，法向最大光强越大。最终得到最优的仿真设计，即反光碗底部半径为1.0 mm、深度为0.6 mm、硅胶折射率为1.44时，出光效率最高，为76.5%，法向最大光强为2 130 cd。文章的研究规律对LED的封装工艺具有实际意义。