多芯片集成封裝發光二極管的設計和優化

李 婷，吳克躍，孔 敏，秦廣龍

（1．皖西學院材料與化工學院，安徽 六安237012；2．安徽科發信息科技有限公司，安徽 六安237200）

近年來，大功率多芯片集成封裝因具有光通量高、熱穩定性高等優點已成為研究的熱點［1-2］。但將其應用于照明領域中還亟需解決一些關鍵問題，如LED的取光效率的提高、LED的散熱等［3-5］。其中提高LED的取光效率對實際的照明應用具有重要的意義。影響LED的取光效率的關鍵在于封裝結構的優化。目前多芯片集成封裝多為平面結構，由于封裝用的硅膠折射率（n＝1．54）與空氣的折射率（n＝1）相差很大，從芯片發出的光在硅膠和空氣交界處會發生全反射，進而影響LED器件整體的取光率。為了提高集成封裝LED的取光率，Wu等通過封裝硅膠平面加上不同微結構，提高了LED的取光率［6］；Lee等人通過芯片表面粗化、芯片襯底沉積有圖案的銀反射層等技術來提高LED取光率［7］；最近，李宗濤等人則提出圖案化基板，如圖1所示，LED出光率提高了42%，他們研究了反光杯角度對出光率的影響［8］。但是構筑基板圖形化的反光杯間距以及封裝硅膠的結構對多芯片集成封裝LED的取光率的影響研究甚少。

圖1 圖案化基板原理圖

本文基于圖案化基板微結構的多芯片集成封裝，研究了形成基板圖案的反光杯間距離和封裝硅膠微結構與LED取光率之間的規律。

1 多芯片集成封裝結構的仿真分析

采用Trancepro光學仿真軟件，分析多芯片集成封裝LED的取光效率。圖2為帶有圖案的基板，基板尺寸為22mm＊22mm＊2mm，圖案是由半徑為1 mm，深度為0．5mm的倒錐形構成的。

倒置的錐形間距離分別為0．75mm、1．00mm、1．25mm、1．50mm、1．75mm、2．00mm，如圖3所示。光源采用尺寸為1mm＊1mm＊0．1mm；功率為1W的大功率芯片，LED的頂面為發光面，芯片發出的光滿足朗伯分布。芯片間距為5mm，整列分布。

2 模擬結果與討論

圖4為取光率與圖案型基板封裝倒圓錐間距之間的關系圖。從圖中可以看出，隨著圓錐間距的增加，取光率先增加后減小。圓錐間距為0．75mm時，取光率為65%；圓錐間距為1．25mm時，取光率增為75%；當圓錐間距增加到2mm時，取光率減弱為55%。

圖2 圖案化基板封裝示意圖

圖3 倒置圓錐周期性結構截面示意圖

圖4 LED出光率與倒圓錐間距關系圖

倒圓錐交疊的程度影響著基板圖案的分布，當倒圓錐間距為0．75mm時，22＊22mm基板上分布著29＊29重疊的倒圓錐；當倒圓錐間距為2mm時，同樣大小的基板只有11＊11重疊的倒圓錐。當間距為0．75mm時，分析發現由硅膠-空氣界面全反射回來的光線在圖案反射次數增多，能量損失增大。當倒圓錐間距為2mm時，分析發現基板上存在部分平面結構，不利光線的出射。

LED的封裝材料一般選擇硅膠，封裝硅膠的微觀結構對LED的取光率也起著重要的作用［9-10］。前面分析基板圖案間距對取光率的影響時，硅膠為平面結構。為了進一步提高多芯片集成封裝的取光率，筆者設計了平面、凹面和凸面結構的硅膠，并研究結構對取光率的影響。設定硅膠的折射率設為1．54，平面硅膠的厚度為2mm；凸型硅膠的中心厚度為2 mm；凹型硅膠中心厚度為1mm，兩邊厚度為2mm，如圖5所示。

圖5 不同硅膠封裝結構的示意圖

仿真結果如表1所示。

表1 封裝硅膠微結構與出光率

當封裝膠體為平面時（如圖5（a）所示），LED取光率為75%；當硅膠結構為外凹面時（如圖5（b）所示），取光率降為70%；當封裝膠體結構為外凸面時（如圖5（c）所示），取光率增加為78%；當封裝硅膠結構變成內凹外凸型時（如圖5（d）所示），LED的取光率進一步增加，達到80%。通過上述仿真結果可知，改變封裝硅膠的微觀結構可以有效地提高多芯片集成封裝LED的取光率。

3 結論

對多芯片集成封裝LED的取光率進行了仿真分析，分別討論了在倒圓錐型圖案間間距、封裝硅膠微觀結構對取光率的影響。倒圓錐間距為1．25mm時，得到了最優的取光率75%；在此條件下，對封裝硅膠的結構進行了優化，發現內凹外凸的硅膠結構更有利于提高LED的取光率。本文的研究結果對多芯片集成LED的封裝具有一定的指導意義。

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