一次透镜封装的单片集成LED光源

唐文婷，张 瑞，陈宝瑨,，李树琪，王保兴，孙云飞，闵嘉华，齐萨仁，蔡 勇

（1.上海大学 材料科学与工程学院，上海 200072；2.中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室，江苏 苏州 215123；3.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；4.宁波天炬光电科技有限公司，浙江 宁波 315301）

引言

近年来，具有良好性能的LED 受到了广泛的关注[1-3]。随着其性能的持续提升和成本的不断下降，LED 被应用于许多不同的领域，而不同的应用往往需要不同的光场。将具有特定光场形状的LED光源应用于某一特定的场合，不仅可以提高光的利用效率，节约能源，降低成本，还能增加人眼的舒适度。光场的研究由来已久，目前光场的研究主要集中在单颗小芯片和LED 芯片阵列上，如板上芯片(chip on board,COB）[4]。

一般LED光源的光场是朗伯型光场，它的光束角一般是120°。光束角的定义是二分之一最大光强所对应的角度范围。朗伯型光场在一些应用中是有优势的，但在大部分情况下都需要被调整，但是调整具有如此大光束角LED光源的光场会带来二次光学系统设计难度和成本增加的问题。传统荧光粉涂覆的白光LED 封装由芯片、荧光粉和基板组成[5]。由于芯片和荧光粉产生的2 种光的光场不匹配，作为衡量人眼舒适度的重要性能要素的空间光色分布均匀性将会受到严重影响，这也使得光学透镜的设计更具挑战性[6]。空间光色分布均匀性一般有两种表示方法：一种是用全空间中色温（correlated color temperature,CCT）随角度变化的曲线表示[7-8]；另一种是用远场中黄光光输出功率与蓝光光输出功率之比（P(B)/P(Y)）随角度变化的曲线表示[9-11]。

当前大部分的研究都集中在二次自由表面光学系统上。Hu 等人[12]构造了二次双自由曲面透镜的拟合曲线。Le 等人[13]提出了一种改进的网格方法来设计具有花瓣状光场的二次自由曲面透镜。基于几何光学分析和自由曲面构造，Chen 等人[14]设计了一个二次LED 准直自由曲面透镜。与二次光学系统相比，一次光学透镜更紧凑，体积更小，质量更轻，还能提高LED光源的光提取效率（light extraction efficiency,LEE）。随着芯片面积的扩大，一次光学透镜的优势将会更加明显。目前有关LED 一次透镜的研究报道很少，Wang 等人[4]报道了用于道路照明应用的一次光学透镜封装的LED 芯片阵列的仿真。Lee 等人[15]研究了带有一次光学透镜的芯片阵列的颜色混合。而关于用一次光学透镜调控单片集成发光二极管（monolithically integrated light-emitting diode,MI-LED）光源光场的实验研究则没有报道。

本文用Tracepro 仿真软件设计了用于50 W 氮化镓基MI-LED 芯片的一次光学透镜，根据仿真结构模型制备了封装有一次透镜的荧光粉涂覆的白光LED光源，用光谱仪和光电测试系统对其进行了表征。

1 大功率单片集成发光二极管

MI-LED 芯片内部包含1 个由相互电学隔离的单胞（即1 个基本的二极管单元）通过金属互联连接而成的拓扑结构[16-17]。MI-LED 芯片内单胞的制作和电学连接是在微米级半导体工艺中形成的，MI-LED 芯片具有比芯片阵列更紧凑和功率密度更大的优点。相同功率下，尺寸更小的MI-LED 更适合用于一次透镜封装，这样可以减小一次透镜的体积。如图1所示，本研究中使用的50 W 氮化镓基蓝光MI-LED 芯片包含1 个由36 个单胞串联连接组成的拓扑结构。表1 列出了50 W 氮化镓基蓝光MI-LED 芯片的主要参数。

图1 50 W 氮化镓基蓝光MI-LED 芯片Fig.1 50 W GaN-base blue light MI-LED chip

表1 50 W 氮化镓基蓝光MI-LED 芯片参数Table 1 50 W GaN-base blue light MI-LED chip parameters

2 一次透镜设计

一次光学透镜的结构和参数分别如图2 和表2所示。一次光学透镜具有2 个表面：顶部球面和侧面抛物面。如图2所示，透镜的上直径用L1 表示，下直径用L2 表示，R是球面的半径，H是球面的高度，抛物线焦点位于透镜的下表面内。如图3（a）所示，光从荧光粉层入射到透镜时，大角度的光首先被侧面抛物面反射到光轴方向，然后被顶部球面折射出去，而小角度的光则通过顶部球面朝光轴方向直接会聚。

图2 一次透镜结构参数网格图Fig.2 Grid diagram of structural parameters of primary optical lens

表2 一次透镜结构参数Table 2 Structural parameters of primary optical lens

图3 仿真效果图Fig.3 Effect diagram of simulation

光线在透镜中的传播通过光线追踪软件（Tracepro）进行模拟。仿真LED光源的结构模型和光在透镜中传播的示意图如图3（a）所示，封装有一次透镜LED光源的光迹追踪示意图如图3（b）所示。表3 列出了仿真LED光源的几何模型参数。

表3 仿真LED光源模型的关键参数Table 3 Key parameters of simulated LED light source model

这项工作的目的是初步验证一次光学透镜对大功率白光MI-LED光源光场调控的实验可行性，而不在于用专业的光学设计原理设计复杂的透镜结构。

3 实验

为了验证一次透镜对光场的调控效果，首先基于模具倒模技术制备了与仿真透镜结构参数一样的4 个硅胶透镜，然后将硅胶透镜无缝粘贴于LED光源表面，从而得到加一次透镜的白光LED光源。制作加一次透镜的白光LED光源主要有3 步：第1 步是准备白光LED光源。通过银环氧树脂粘合剂将蓝光MI-LED 芯片粘贴在沉金的铜芯PCB 上，然后将硅胶滴在蓝光MI-LED 芯片周围形成围坝。金线键合后，将混合有黄光Ce∶YAG磷光体晶体的硅树脂滴到蓝光MI-LED 芯片上，在90 ℃的烤箱中加热2 h，在180 ℃的烤箱加热1 h。第2 步是制备硅胶透镜。制备透镜的倒模模具如图4所示，为了方便加工，将模具设计分为上、下2 个独立的部分。上面的A 部分包括4 个可拆卸部分，每个部分都定义了一种抛物面结构，下面的B 部分是限定4 种透镜顶部表面形状的整体。基于倒模技术制备了4 个不同结构的硅胶透镜，透镜的制作过程包括：1）将硅胶（n=1.4）注入到倒模模具中；2）抽真空除去气泡；3）加热固化；4）冷却并取出透镜。第3 步，将4 个硅胶透镜无缝地连接到白光LED光源（即没有加载一次透镜的白光LED光源，如图5所示）上得到如图6所示的LED光源。加一次透镜的LED光源在点亮和不点亮时的俯视图如图7所示。

图4 用于制备一次透镜的倒模模具视图Fig.4 View of inverted mold used for preparation of primary optical lens

图5 没有加载一次透镜的白光LED光源Fig.5 White light LED light source without primary optical lens

图6 加不同结构一次透镜的白光LED光源Fig.6 White light LED light source with primary optical lens of different structures

图7 加一次透镜的白光LED光源的俯视图Fig.7 Top view of white light LED light source with primary optical lens

4 结果与分析

4.1 光提取效率

由于氮化镓芯片（n=2.35）与空气（n=1）之间的折射率差异，大部分光不能入射到空气中，导致LED光取出效率低。对于COB 白光LED光源，LED 芯片表面的混合有荧光粉的有机树脂层（n=1.4）可以提高蓝光的光取出效率。但是仍然有一些蓝光和黄光受到平坦表面引起的全内反射（total internal reflection,TIR）的影响无法逃逸到空气中，导致LED光源的LEE 不高。由于一次透镜可以在一定程度上破坏TIR 条件，所以可以提高LED光源的LEE。

LED光源的光提取效率如表4所示，加一次硅胶透镜的LED光源E1、E2、E3 和E4 的光提取效率分别提高了8.19%、9.89%、7.23%和6.22%。研究表明，LED光源的光提取效率主要取决于一次透镜的结构，即抛物线曲率、抛物面高度以及球心与荧光粉层之间的距离。同时在设计的光学透镜中，还应考虑蓝光和黄光的转换机理以及蓝光和黄光的空间分布。抛物线曲率越大，抛物面高度越小，球心与荧光粉层之间的距离越短，光提取效率越高。

表4 LED光源的光提取效率Table 4 Light extraction efficiency of LED light source

4.2 光场分布

仿真和实验LED光源的归一化光场分布曲线如图8所示。方案1 仿真结果表示加一次透镜的仿真LED光源；方案1 实测结果表示加一次透镜的实验LED光源；无透镜实测结果表示没有加一次透镜的实验LED光源。实验制备的LED光源E（i）（i=1,2,3,4）与仿真时的LED光源S（i）具有相同结构参数的一次透镜。如图8所示，仿真和实验光场基本重合，说明实验结果与仿真结果之间具有良好的一致性。从表5 的仿真和实验LED光源的光束角数据可知，加具有相同结构参数一次透镜的实验LED光源和仿真LED光源的光束角大小基本一致。存在一定差距的原因如下：1）仿真LED光源模型经过了简化处理。例如：蓝光光源和黄光光源被设置为两个独立的发光表面，没有设置荧光粉晶体对光的散射作用的相关系数；2）光迹追踪的光线数不够；3）实验制备的硅胶透镜表面不够光滑存在光的散射。

图8 极坐标下LED光源的归一化光场分布曲线Fig.8 Distribution curves of LED light source in polar coordinates under normalized optical field

表5 仿真和实验LED光源的光束角Table 5 Beam angles of simulated LED light source and experimental LED light source

从表5 中可知，样品E1、E2、E3 和E4 的光束角分别为48°、72°、60°和55°。在50 W 白光LED光源中，由于MI-LED 芯片更加紧凑，所以透镜的尺寸较小。应该指出的是，本次工作的一次透镜是未完全优化的，如果透镜被完全优化，透镜尺寸将会进一步缩小。

4.3 空间光色分布

本实验使用的光源是蓝光芯片加黄光荧光粉得到的白光LED光源。受测试设备的限制，本实验表征空间光色均匀性采用的是较为简单的黄、蓝光光功率之比P(Y)/P(B)随角度的变化曲线[18]。在相同的驱动电流下，在探测器前面分别加黄光和蓝光滤光片进行测试，最终得到两种光的空间分布曲线，然后通过计算得到P(Y)/P(B)随角度的变化曲线。

实验制备的LED光源的空间光色分布曲线如图9所示，实线表示加一次透镜的LED光源，虚线表示没有加一次透镜的LED光源。在0°～85°范围内，曲线单调递增，P(Y)/P(B)增加了75%，在−60°～60°光束角范围内，P(Y)/P(B)增加了40%。在荧光粉涂覆的白光LED光源中，蓝光由芯片产生，黄光由混合在硅胶层中的荧光粉激发产生。根据Snell 定理，射到空气中的蓝光和黄光的光场都是朗伯型光场，但是蓝光的光束角比黄光的光束角小。这一差距来源于氮化镓与空气的折射率差大于氮化镓与硅胶的折射率差[19]，所以蓝光在小角度上更加集中。换句话说，这种白光光源在小角度上更像是“冷光源”，在大角度上更像是“暖光源”。加一次透镜后LED光源的P(Y)/P(B)在全空间中的变化幅度比没有加一次透镜LED光源的P(Y)/P(B)小，说明加一次透镜后LED光源的空间光色分布更加均匀，所设计的4 个一次透镜能提高LED光源的光品质。

图9 LED光源的空间光色分布曲线Fig.9 Spatial light color distribution curves of LED light source

5 结论

本文对一次光学透镜调控白光MI-LED光源光场进行了初步实验研究。实验结果表明4 个一次透镜将白光MI-LED光源的光束角从120°降到了48°～72°范围内。初步研究显示一次透镜不仅能够调控白光MI-LED光源的光场，还能提高LED 的光取出效率，增加空间光色分布的均匀性。值得一提的是本文中透镜并未完全优化，完全优化的透镜有望进一步地减小体积并提高LED光源的性能。

由于成本低、结构紧凑和集成度高的优点，MI-LED 在未来大功率照明应用中具有巨大的潜力。随着LED 向高质量和小型化方向发展，LED的一次光学透镜封装将有望得到应用。