大功率集成封裝LED的一次光學設計

張 曼

揚州市職業大學電子工程學院，江蘇 揚州 225009

0 引言

LED具有光效高、耗能低、壽命長、顯色性好、響應速度快、控制靈活等優點，已成為國際新興戰略產業界的競爭熱點。目前，LED已廣泛用于室內外照明、汽車照明、顯示、背光、指示等領域。LED按功率可分為普通功率型和大功率型，輸入功率＜1 W的LED為普通功率LED，輸入功率≥1 W的LED為大功率LED，不同功率的LED可以應用于不同場合。常見的大功率LED封裝結構主要有兩種形式，一種是單芯片封裝大功率LED，另一種是多芯片集成封裝大功率LED[1-2]。

LED產業鏈主要包括上游、中游和下游，上游包括襯底材料、外延片、芯片設計與制造，中游包括芯片的封裝與測試，下游為LED顯示、照明、燈具等產品的應用。大功率LED的封裝是產業鏈中非常重要的一環，是推進半導體照明和顯示走向實用化的核心制造技術。但是目前大功率LED器件的封裝工藝依然存在一些出光不均勻和出光效率較低的問題。單芯片封裝工藝由于反光碗和透鏡的制造工藝比較復雜，成本較高；而集成封裝工藝雖然成本低，具有芯片排布靈活等特點，但芯片的出光效率較低[3]。

為了提高芯片的出光效率（外部量子效率），可以采用兩種方式：一是優化襯底和工藝，改進材料質量，提高散熱性能和內量子效率；二是優化光學結構，采用一次光學設計的優化方案來提高LED的出光效率[4]。文章將利用TracePro仿真軟件從反光碗的底部半徑、深度、硅膠的折射率等方面進行一次光學設計，探討集成封裝的結構對LED芯片出光效率的影響。

1 基于TracePro的集成光源模型建立

LED的基本結構如圖1所示，主要包括芯片、支架（反光碗）、透鏡等結構。LED芯片屬于出光面發光，具有明顯的指向性，并且出光呈現朗伯型分布；反光碗一般會涂敷金屬材料，以減少對光的吸收；透鏡使用的材料一般是PC、亞克力、硅膠、環氧樹脂等，形狀可以是半圓形、平形或拋物面形。

圖1 LED的基本結構示意圖

為了進行出光（配光曲線）設計，利用仿真軟件（如TracePro、Lighttools等）進行光學設計。LED的光學設計包括一次和二次光學設計，一次光學設計指對LED的封裝結構進行設計，以提高出光效率；二次光學設計包括透鏡和反光杯設計，是將LED發出的光進行重新分配，以滿足不同場合的需求[5]。一次光學設計是二次光學設計的基礎，沒有較高的出光效率，也無法達到光學設計的目的。大功率LED的集成封裝方式包括先將多顆芯片進行電氣連接，后直接進行二次配光設計，也可以先對單顆芯片進行一次配光設計，再進行二次配光設計。

通過對單顆芯片進行一次配光，研究反光碗的底部半徑、深度、硅膠的折射率對LED集成封裝的出光效率的影響。文章使用BXCE4545型芯片，為了減少軟件的計算時長，將芯片的尺寸進行簡化，芯片是尺寸為1 mm×1 mm×0.1 mm的方塊，功率為1 W，反光碗初步設置為底部半徑為1.2 mm、頂部半徑為1.4 mm、深度為0.4 mm的圓錐形，由8顆1 W的芯片以圓形組合排列，結構如圖2所示。

圖2 8 W LED集成光源模型示意圖

2 模擬仿真分析

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，即頂部半徑為1.4 mm、底部半徑為1.2 mm、深度為0.4 mm，內部涂敷鋁層，反射比為0.83。常見金屬反射比如表1所示。LED芯片尺寸為1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm，放置在反光碗底部中央，然后將8顆1 W大功率LED分別以半徑為10 mm、11 mm、12 mm、14 mm的圓形進行排列，并進行光線追跡，分析輻照度結果和配光曲線，結果如表2所示。從表2可以看出，8顆大功率LED芯片以圓形進行排列時，圓形半徑尺寸的變化對出光情況影響較小，可以根據法向最大光強值選定圓形半徑尺寸。

表1 常見金屬反射比

表2 不同圓形半徑排列的仿真結果

2.2 反光碗尺寸的影響

根據上述結果，選定LED圓形排列的半徑為10 mm，分別討論底部半徑（張角）、深度對LED芯片出光的影響，反光碗模型如圖3所示。反光碗的初始尺寸為頂部半徑1.4 mm、深度0.4 mm，底部半徑分別為1.2 mm、1.0 mm、0.9 mm、0.8 mm，進行建模仿真分析。4種底部半徑的反光碗的配光仿真結果如圖4、表3所示。從出光效率、最大光強等綜合結果可以看出，隨著底部半徑的減小，出光效率會有所增加，這是因為張角越大，反光碗內壁的反射次數會減少，而且法向方向的最大光強會先增大后減小。經綜合比較，底部半徑為1.0 mm時，出光效果最佳。

表3 不同反光碗底部半徑的出光仿真結果

圖3 反光碗模型輪廓圖

圖4 不同反光碗底部半徑的配光曲線

選定底部半徑為1.0 mm，分別以1.0 mm、0.8 mm、0.6 mm、0.4 mm為深度進行反光碗建模仿真，配光曲線結果如圖5所示，出光結果如表4所示。可以看出，隨著深度的不斷減小(相當于反光碗張角不斷增大)，出光效率有所增加，但是最大光強會先增大后減小。

表4 不同反光碗深度的出光仿真結果

圖5 不同反光碗深度的配光曲線

2.3 硅膠折射率的影響

集成封裝時需要使用環氧樹脂或硅膠等材料將芯片包封起來，以免芯片電極在空氣中氧化。綜合比較硅膠與環氧樹脂的耐紫外線、壽命、透光率等性質后，選用硅膠作為包封材料。根據上述建模仿真結果，選用底部半徑為1.0 mm、深度為0.6 mm的反光碗，硅膠的透光率為98%。為了降低硅膠透鏡形狀對出光的影響，將硅膠進行反光碗平面填充，分別設置硅膠的折射率為1.44、1.58、1.60，研究不同折射率的硅膠對芯片出光的影響。建模仿真結果如圖6、表5所示。從仿真結果可以看出，硅膠的折射率越大，出光效率越小。

表5 不同硅膠折射率的出光仿真結果

圖6 不同硅膠折射率的配光曲線

3 結論

文章分別以反光碗底部尺寸、深度、硅膠折射率為變量，研究LED的封裝結構對芯片出光效率和法向最大光強的影響。通過一次配光建模仿真設計發現，反光碗底部半徑越小、深度越深，出光效率越高，法向最大光強先增大后減小；硅膠折射率越小，出光效率越高，法向最大光強越大。最終得到最優的仿真設計，即反光碗底部半徑為1.0 mm、深度為0.6 mm、硅膠折射率為1.44時，出光效率最高，為76.5%，法向最大光強為2 130 cd。文章的研究規律對LED的封裝工藝具有實際意義。