LED封裝結構對出光率的影響

張延君

摘 要：出光率是影響LED發(fā)光效率的重要因素之一，優(yōu)化LED出光率可以提高LED的器件發(fā)光效率。文章利用TracePro軟件模擬分析了封裝結構對LED出光率的影響，分析結果表明：封裝腔體的形狀與出光率關系不大，而封裝腔體的張角、封裝腔體頂面的凹凸性與出光率有較大關系，另外出光率還與腔體的高度、封裝腔體的反射率、腔體的母線均相關。

關鍵詞：LED；封裝結構；出光率

節(jié)約能源是當前全球面臨的重要問題。LED具有節(jié)能、結構牢固、壽命長、發(fā)光響應速度快等特點，已成為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦驼彰鞴庠?，未來半導體照明必將引領照明行業(yè)的一場綠色革命。

一、LED的封裝

1.新材料在封裝中的應用。耐高溫的環(huán)境耐受性，抗紫外線和低吸水率，更好的熱固性材料的電磁兼容性，熱塑性塑料PCT，改進的PPA和陶瓷塑料和其他材料將被廣泛使用。

2.芯片超電流密度應用。今后芯片超電流密度，將由350MA/nm 2發(fā)展為700MA/nm 2，甚至更高。

3.COB應用的普及。具有較低的熱電阻、光型、無焊接和低成本的優(yōu)勢，在未來的COM應用程序?qū)⒈粡V泛傳播的。

4.供電源方案（高壓LED）。未來的室內(nèi)照明將更加關注質(zhì)量和驅(qū)動器的成本因素。供應方案和高電壓LED充分滿足供電方案將逐漸成為可接受的產(chǎn)品，但它需要解決的是需要提高芯片可靠性。

5.多色LED光源照明方案。未來LED照明的在此廣泛普及需要依靠情景照明來實現(xiàn)，則情景照明將是LED照明的核心競爭力。

二、LED封裝結構的軟件模擬

1.在TracePro軟件中進行LED封裝腔體的結構設計，例如設計出3.0mm×2.5mm×1.5mm的LED，在模擬時需要封裝腔體的反射腔深度為0.8mm，頂面開口圓半徑為1.0mm，底面圓半徑約為0.5mm。

2.對LED封裝腔體的材料以及對腔體內(nèi)表面反射率進行定義，LED封裝材料可選用折射率為1.5的樹脂材料，封裝腔的內(nèi)表面反射率可定為80%，材料吸收率則為20%。

3.對LED發(fā)光芯片進行定義，同時進行光線追蹤。LED芯片發(fā)光面設置為lambertian發(fā)光，光通量為1lm。

4.模擬出candela光強分析圖并計算出光率，討論光效與結構的關系。

按照以上步驟分析LED封裝結構對出光率影響。設置一圓臺，底面圓半徑為0.5mm，頂面圓半徑為1.0mm，高度為0.8mm，圖1是LED封裝結構的外形圖。圓臺以材料樹脂填充，樹脂折射率為1.5。檢測體設置為一個底面半徑為1000mm，高10mm的圓柱體，測試面為圓面，測試面距離發(fā)光面40mm。利用軟件模擬得到candela光強分析圖，通過對圓臺體LED封裝腔體結構的設計與模擬可以得到LED的發(fā)光立體角，計算出LED的出光率。用同樣的方法可模擬橢圓臺體封裝腔、方臺體封裝腔等。

三、模擬結果與討論

1.封裝腔體形狀與出光率的關系。為了得到LED封裝腔體的形狀與出光率的關系，在設計封裝腔體時讓腔體高度相同，體積也大體相同。所設計的LED封裝結構有圓臺體、橢圓臺體、方臺體等。軟件模擬結果如表1所示。

通過表1可以看到，不同反射體形狀封裝的LED的出光率都基本相同。由于在設計時會存在體積誤差，所以不同形狀封裝的LED出光率會有所不同。腔體形狀不同時，受到直接影響的是出光的光強分布?？梢哉J為，反射體形狀與出光率關系不大，僅影響發(fā)光立體角度，所以在對LED進行封裝結構設計時，任何形狀的反射體均可；但考慮到實際加工的方便，常選用圓臺體形狀的反射體。

2.封裝腔體張角與出光率的關系。選擇封裝腔體的形狀為圓臺形，控制封裝腔體頂面圓半徑一定，高度一定。在底面圓半徑發(fā)生變化，即腔體的張角發(fā)生變化的情況下，模擬得到LED的出光率和發(fā)光立體角度，如表2所示。

通過表2可知，當LED封裝腔體底面圓半徑減小時，封裝腔體張角變大，出光率增大。由于底面圓半徑越小則張角越大，所以在光線從腔體內(nèi)出射時，腔體內(nèi)的反射次數(shù)減少，能量損失也大幅減少，出光率提高。同時可以看出，發(fā)光立體角隨著底面圓半徑的減小先增大后減小，其原因是隨著底面半徑的進一步減小，張角增大，當光從發(fā)光芯片射到封裝頂面時，是從光密介質(zhì)樹脂射入光疏介質(zhì)空氣，將會在腔體頂面發(fā)生全反射，因而發(fā)光立體角會減小。從以上分析可以看出，選擇合適的封裝腔體張角非常重要，封裝腔體的張角會影響出光率。

3.其他因素對出光效率的影響。模擬分析可知，隨著腔體深度的減小，出光率大幅提高，設置腔體深度為0.8，0.7，0.6mm時，出光率分別為60.01%、67.45%、75.25%；LED封裝腔體內(nèi)表面反射率增加時，出光率增大，設置腔體內(nèi)表面反射率為70%、80%、90%，則出光率分別為65.01%、70.25%、85.55%；封裝腔體母線為直線時，出光率最好，當用直線、圓弧、拋物線分別作為母線時，出光率分別為68.85%、60.55%、55.24%。因此，減小腔體高度、增大反射率、選擇直線母線均可以提高LED的出光率。

腔體中的光損耗可以解釋為封裝材料樹脂對光的吸收、反射腔體反射面對光的吸收以及腔體頂面發(fā)生全反射的影響，因此可以通過選擇封裝材料和封裝結構設計來提高LED的出光率。

參考文獻：

[1]李倩.照明用LED光學系統(tǒng)的計算機輔助設計[J].半導體光電，2015

[2]毛毅.GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析[J]. 2015