封裝透鏡尺寸對直插型LED光強(qiáng)分布的影響

周凱寧，周海燕，周賢菊，李登峰

(重慶郵電大學(xué)數(shù)理學(xué)院，重慶 400065)

發(fā)光二極管是一種場致發(fā)光光源，是將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件。LED不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上只需要白熾燈9%的能耗;與熒光燈相比，LED也只需要熒光燈45%的能耗。作為第四代光源，LED有著極其光明的發(fā)展前景，它具有功耗小、壽命長、體積小、發(fā)熱低、堅(jiān)固耐用、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)。

封裝透鏡對于LED不僅起著保護(hù)LED核心結(jié)構(gòu)的作用，同時作為第一次光學(xué)設(shè)計影響著LED燈珠的空間光強(qiáng)分布。對于應(yīng)用于不同照明領(lǐng)域的LED燈，應(yīng)考慮采用不同的封裝透鏡幾何尺寸以達(dá)到期望的光強(qiáng)分布。本文重點(diǎn)研究了LED封裝透鏡的幾何尺寸對光強(qiáng)分布和光通量的影響。實(shí)驗(yàn)制作了大小兩種子彈頭狀封裝透鏡的LED燈，檢測了兩種燈的光強(qiáng)分布和光通量，分析了由于尺寸對LED燈光強(qiáng)分布和光通量的影響［1－7］。

一、實(shí)驗(yàn)耗材和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的晶片型號是聯(lián)勝HPO-014MY-U-RC0黃光芯片，芯片N極和P極倒裝，芯片上表面尺寸是14 mil×14 mil，芯片高度225±25 μm，額定工作電壓2 V，額定工作電流20 mA。發(fā)光強(qiáng)度220～340 mcd。峰值波長586 nm，主波長582 nm，半高寬15 nm。環(huán)氧樹脂膠型號是RX-808A，RX-808B，按質(zhì)量1∶1配膠烘烤固化后的折射率為1．48。銀膠型號是TiCOR的TK129-L導(dǎo)電銀膠。金屬支架型號是2004-MD。大燈帽模具型號是Y001503-3．3，內(nèi)徑5 mm，帽沿高度 1．2 mm。小燈帽模具型號是 YG323-3．8，內(nèi)徑3 mm，帽沿高度1．2 mm。

封裝設(shè)備包括:科信超聲波金絲球焊機(jī)等。檢測設(shè)備包括:遠(yuǎn)方光電LED620光強(qiáng)分布測試儀、遠(yuǎn)方光電PMS-80紫外－近紅外光譜分析儀、0．3米積分球。

二、實(shí)驗(yàn)

本文主要研究封裝透鏡的幾何尺寸對LED燈發(fā)光強(qiáng)度及分布的影響。實(shí)驗(yàn)選擇封裝了兩種不同大小的子彈頭狀封裝透鏡，比較因?yàn)橥哥R尺寸對LED光強(qiáng)及分布的影響。兩種樣品的制備采用同樣的芯片、銀膠、金線、支架和封裝膠水，只是封裝透鏡的模具不同。封裝較大的透鏡采用Y001503-3．3型模具，制備出的樣品在本文中稱作大燈帽。封裝較小透鏡采用YG323-3．8型模具，制備出的樣品在本文中稱作小燈帽。按照標(biāo)準(zhǔn)的直插型LED封裝工藝流程，在LED封裝實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了封裝操作。封裝工藝流程為:翻晶、擴(kuò)晶、點(diǎn)膠、固晶、烘烤、焊線、配膠、粘膠、灌膠、支架植入模具、短烤、長烤、離模、一切、二切、測試。

在LED光性能檢測實(shí)驗(yàn)室，采用0．3米積分球和遠(yuǎn)方光電PMS-8紫外－近紅外光譜分析儀對兩種樣品的光通量和光譜進(jìn)行了測量。測量參數(shù)的設(shè)置為工作電流20 mA，工作電壓2 V，電功率40 W。采用遠(yuǎn)方光電LED620光強(qiáng)分布測試儀對兩種樣品的光強(qiáng)分布、最大光強(qiáng)、平均光強(qiáng)、法線方向光強(qiáng)、平均光強(qiáng)擴(kuò)散角進(jìn)行了測量。測量參數(shù)的設(shè)置為工作電流20 mA，工作電壓2 V，反向漏電流0．00 μA，電功率 40 mW。

三、結(jié)果討論

制作的兩種封裝透鏡，下部分是圓柱體，上部分是半球體。兩種封裝透鏡區(qū)別在于透鏡的尺寸比例不同。如圖1所示，左邊為大燈帽，右邊為小燈帽，大燈帽半球半徑2．5 mm，芯片距離半球球心距離2 mm。小燈帽半球半徑1．5 mm，芯片距離球心距離1 mm。使用光度計測定兩種燈帽的光強(qiáng)分布，并對最大光強(qiáng)、法線方向光強(qiáng)以及平均光強(qiáng)擴(kuò)散角做了統(tǒng)計對比，就對比結(jié)果做出了分析和解釋。

圖1 大燈帽與小燈帽封裝透鏡示意圖

(一)光強(qiáng)分布同封裝透鏡幾何形狀的關(guān)系

圖2(a，b)和圖3(a，b)分別是一個標(biāo)準(zhǔn)的大燈帽和小燈帽的光強(qiáng)分布曲線圖。大燈帽的光強(qiáng)分布更接近郎泊分布，法線方向附近光強(qiáng)較大，如圖2(a)。大燈帽偏離法線方向10度左右光強(qiáng)稍有上升，然后隨著出射角變大光強(qiáng)快速衰減，如圖2(b)。小燈帽的配光曲線圖呈關(guān)于法線對稱的“蝙蝠翼”分布如圖3(a)。小燈帽法線方向光強(qiáng)較兩側(cè)光強(qiáng)弱，在偏離法向方向約30°左右的方向上，光強(qiáng)達(dá)到最大值，如圖3(b)。

表1為大燈帽與小燈帽最大光強(qiáng)、法線方向光強(qiáng)和平均光強(qiáng)擴(kuò)散角的對比。對于大燈帽和小燈帽分別選取了7個樣品測量求平均值。此處平均光強(qiáng)擴(kuò)散角取為光強(qiáng)為最大光強(qiáng)50%處的出射角夾角。圖4，圖5是三項(xiàng)參數(shù)的對比圖。

圖2 大燈帽配光曲線

圖3 小燈帽配光曲線

表1 大燈帽與小燈帽的各主要光參數(shù)對比

圖4 大燈帽和小燈帽樣品最大光強(qiáng)和法線光強(qiáng)對比圖

圖5 大燈帽和小燈帽樣品平均光強(qiáng)擴(kuò)散角對比圖

由表1可知，大燈帽最大光強(qiáng)平均值為6 846 mcd，小燈帽最大光強(qiáng)平均值為2 002 mcd，大燈帽的最大光強(qiáng)明顯大于小燈帽的最大光強(qiáng)。大燈帽法線方向光強(qiáng)平均值為5 849 mcd，小燈帽法線方向光強(qiáng)平均值為1 009 mcd。大燈帽法線方向光強(qiáng)明顯大于小燈帽法線方向光強(qiáng)。大燈帽平均光強(qiáng)擴(kuò)散角為19．6°，光強(qiáng)分布集中在法線左右約15°以內(nèi)，光強(qiáng)半高寬較窄，見圖2(b)。小燈帽平均光強(qiáng)擴(kuò)散角為67．3°，光強(qiáng)分布集中在法線左右約40°以內(nèi)，光強(qiáng)半高寬較寬，見圖3(b)。

對于大燈帽，因?yàn)榉庋b透鏡的尺寸較大，芯片的長寬為14 mil，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于透鏡的直徑5 mm，可以近似將芯片作為點(diǎn)光源處理。對于點(diǎn)光源，裸芯片光強(qiáng)分布呈現(xiàn)朗泊分布。在封裝透鏡的作用下，其光線向法線匯聚，隨著光線偏離法線角度的增大，光強(qiáng)迅速減弱。所以對于大燈帽，光線主要沿法線方向出射，法線附近方向光強(qiáng)最強(qiáng)。但因?yàn)樾酒幸欢ǔ叽绱笮?，并非點(diǎn)理想光源，所以在偏離法線方向10°左右出射光強(qiáng)稍有增強(qiáng)。對于小燈帽，因?yàn)榉庋b透鏡的尺寸較小，透鏡直徑3 mm，芯片相對透鏡不能近似認(rèn)為是點(diǎn)光源，并且透鏡對芯片光線的匯聚作用不如大燈帽，光線的出射較為分散。因此，小燈帽最大光強(qiáng)遠(yuǎn)小于大燈帽，其平均光強(qiáng)擴(kuò)散角大于大燈帽。對于小燈帽光強(qiáng)分布呈現(xiàn)“蝙蝠翼”分布的解釋是，此次所用灌封膠的折射率為1．48，空氣的折射率約為1．00。根據(jù)折射定律可知，光線出射到界面處時發(fā)生全反射的臨界角是42．5°。芯片部分光線出射到透鏡圓柱體體壁部分，入射角將大于臨界角，此時會發(fā)生全反射，從法線另一側(cè)約30°方向出射，如圖1所示。因此，在距法線兩側(cè)約30°方向處，有芯片經(jīng)折射出射的光線，也有經(jīng)透鏡體壁全反射后再折射出射的光線，光強(qiáng)明顯大于法線方向光強(qiáng)［8］。

(二)光通量和封裝幾何形狀的關(guān)系

分別測量了7個大燈帽和小燈帽的光通量，結(jié)果列于表2。雖然大燈帽樣品的最大光強(qiáng)和法線方向光強(qiáng)遠(yuǎn)大于小燈帽樣品，但相反的是小燈帽樣品的光通量卻明顯大于大燈帽的光通量。小燈帽的光通量的平均值為2．453 lm，大燈帽的光通量的平均值為1．771 lm，小燈帽光通量平均值為大燈帽光通量平均值的1．4倍。

表2 大燈帽與小燈帽光通量對比

對于小燈帽光通量大于大燈帽光通量的解釋是，因?yàn)榇鬅裘毙酒嚯x封裝透鏡和空氣的界面較遠(yuǎn)，在光線傳播過程中部分光線被封裝膠吸收，更加劇了光強(qiáng)的衰減。對于小燈帽，因?yàn)樾酒嚯x透鏡和空氣的界面較近，出射的光線被封裝膠吸收較少，另外在側(cè)壁上發(fā)生全反射的光線也被重新收集從法線另一側(cè)約30°方向出射。因?yàn)橐陨显驅(qū)е滦裘钡墓馔繛榇鬅裘钡?．4倍［9－10］。

四、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)制備了兩種不同尺寸封裝透鏡的LED燈泡，在控制其他變量不變的情況下分析了透鏡尺寸對LED光強(qiáng)分布的影響。對于直徑更大的封裝透鏡，其對光線的匯聚作用明顯，光強(qiáng)分布接近朗泊分布。其主要光線集中在法線附近，且法線方向能達(dá)到較高的光強(qiáng)。大尺寸的封裝透鏡可以被應(yīng)用在對光方向性要求較高的領(lǐng)域，如信號燈。對于直徑更小的封裝透鏡，其光強(qiáng)分布具有“蝙蝠翼”形配光的特點(diǎn)，平均光強(qiáng)分散角更大。因?yàn)榉庋b透鏡側(cè)壁對偏離法線方向光線的全反射作用，重新收集了芯片側(cè)面的光線，并且較小的封裝尺寸使得封裝膠對光線的吸收更少，所以光通量較大尺寸封裝透鏡更大。小尺寸的封裝透鏡可以應(yīng)用在需要較大照射范圍的照明領(lǐng)域，如室內(nèi)照明。通過對封裝透鏡幾何尺寸的設(shè)計，可以很好的達(dá)到控制其光強(qiáng)分布的作用，為燈具的第二次光學(xué)設(shè)計提供條件［10］。

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