LED的封装、检测与应用和LED的一次光学设计

1、LED的封装、检测与应用的封装、检测与应用LED的一次光学设计的一次光学设计 LED的一次光学设计的一次光学设计 LEDLED的一次光学设计与二次光学设计的一次光学设计与二次光学设计概述概述 引脚式引脚式LEDLED的一次光学设计的一次光学设计 提高芯片发光强度与出光效率的方提高芯片发光强度与出光效率的方式式 LED的一次光学设计的一次光学设计 LED的一次光学设计与二次光学设的一次光学设计与二次光学设计概述计概述 1 1、一次光学设计、一次光学设计 把把LED LED 芯片封装成芯片封装成LEDLED光电零组件时，要先进行一次光学设计光电零组件时，要先进行一次光学设计。故一次光学设计主要是针

2、对芯片、支架、模粒这三要素的设计。故一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。 目的：提高出光效率、并解决目的：提高出光效率、并解决LEDLED的出光角度、光强、光通量的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。大小、光强分布、色温的范围与分布。LED的一次光学设计的一次光学设计 色温色温 光源所发出的光的颜色与光源所发出的光的颜色与“黑体黑体”在某一温度下的颜色相在某一温度下的颜色相同时，同时，“黑体黑体”的温度就称为色温，单位开尔文的温度就称为色温，单位开尔文K K。色温是白。色温是白光光LEDLED的特有参数。的特有参数。 色温表征：色温越高，说明光源光谱中蓝色

3、成分多，红色色温表征：色温越高，说明光源光谱中蓝色成分多，红色成分少；反之，则光源光谱中蓝色成分少，红色成分多。成分少；反之，则光源光谱中蓝色成分少，红色成分多。色温色温光色光色气氛气氛5000K5000K清凉（带蓝的白色）清凉（带蓝的白色）冷气氛冷气氛330033005000K5000K中间（白色）中间（白色）爽快爽快3300K3300K温暖（带红的白色）温暖（带红的白色）稳重稳重LED的一次光学设计的一次光学设计 2 2、二次光学设计、二次光学设计 二次光学设计是针对二次光学设计是针对LEDLED照明器具进行优化设计，这是系统层照明器具进行优化设计，这是系统层面的设计。其目的是对整个系统的

4、出光效果、光强、色温分布进面的设计。其目的是对整个系统的出光效果、光强、色温分布进行设计。行设计。LEDLED光源二次光学配光设计，对大面积投光和泛光照明配光源二次光学配光设计，对大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。 二次光学设计模拟软件有二次光学设计模拟软件有Code VCode V、ZEMAXZEMAX、TraceProTracePro、ASAPASAP、LighToolsLighToo

5、ls等，和机械建模软件如：等，和机械建模软件如：Auto CADAuto CAD、Pro/EPro/E、UGUG、SOLIDWORKSSOLIDWORKS等进行设计和光学仿真，不断优化而得到相应的光学等进行设计和光学仿真，不断优化而得到相应的光学透镜。透镜。透镜透镜LED光学设计基本元件光学设计基本元件非球面反射镜非球面反射镜椭球面椭球面抛物面抛物面双曲面双曲面折光板折光板曲形折光板曲形折光板梯形折光板梯形折光板柱形折光板柱形折光板柱球形折光板柱球形折光板一次光学设计一次光学设计芯片芯片模粒模粒支架支架折射式折射式反射式反射式折反射式折反射式背向反射式背向反射式正向反射式正向反射式光学设计结构

6、图光学设计结构图LED的一次光学设计的一次光学设计 引脚式引脚式LED的一次光学设计的一次光学设计 模粒材料的种类模粒材料的种类 LED LED透镜的应用分类透镜的应用分类 LED LED透镜规格分类透镜规格分类 LED的一次光学设计的一次光学设计 1 1、模粒材料的种类、模粒材料的种类（1 1） 硅胶透镜硅胶透镜 a. a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LEDLED芯片上。芯片上。 b. b. 一般硅胶透镜体积较小，直径一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm3-10mm。（2 2）PMMAPMMA透镜透镜 a. a.

7、 光学级光学级PMMAPMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。 b .b .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（）；透光率高（3mm3mm厚度时穿透率厚度时穿透率93%93%左右）；缺点：温度不能超左右）；缺点：温度不能超过过8080（热变形温度（热变形温度9292度）。度）。LED的一次光学设计的一次光学设计 （3 3）PCPC透镜透镜 a. a. 光学级料光学级料PolycarbonatePolycarbonate（简称（简称PCPC）聚碳酸酯。）聚碳酸酯。 b. b. 塑

8、胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（成）；透光率稍低（3mm3mm厚度时穿透率厚度时穿透率89%89%左右）；缺点：温度不左右）；缺点：温度不能超过能超过110110（热变形温度（热变形温度135135度）。度）。 （4 4）玻璃透镜）玻璃透镜 光学玻璃材料，优点：具有透光率高（光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%97%）、耐温高等特点；）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格

9、高昂，短期产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较内很难普及。此外玻璃较PMMAPMMA、PCPC料易碎的缺点，还需要更多的料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。LED的一次光学设计的一次光学设计 2 2、 LEDLED透镜的应用分类透镜的应用分类 （1 1）一次透镜）一次透镜 a. a. 一次透镜是直接封装（或粘合）在一次透镜是直接封装（或粘合）在LEDLED芯片支架上，与芯片支架上，与LED

10、LED成成为一个整体。为一个整体。 b. LEDb. LED芯片（芯片（chipchip）理论上发光是）理论上发光是360360度，但实际上芯片在放度，但实际上芯片在放置于置于LEDLED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180180度度（大于（大于180180范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chipchip的所有光线并可得到如的所有光线并可得到如180180、160160、140140、120120、9090、606

11、0等不同的出光角度，等不同的出光角度，但是不同的出光角度但是不同的出光角度LEDLED的出光效率有一定的差别（一般的规律是的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。：角度越大效率越高）。 c. c. 一次透镜一般用一次透镜一般用PMMAPMMA、PCPC、光学玻璃、硅胶等材料。、光学玻璃、硅胶等材料。LED的一次光学设计的一次光学设计 （2 2）二次透镜）二次透镜 a. a. 二次透镜与二次透镜与LEDLED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。可分。 b. b. 二次透镜的功能是将二次透镜的功能是将LEDLED光源的发光角度再次汇聚

12、光成光源的发光角度再次汇聚光成5 5至至160160之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。圆形、矩形。 c. c. 二次透镜材料一般用光学级二次透镜材料一般用光学级PMMAPMMA或者或者PCPC；在特殊情况下可；在特殊情况下可选择玻璃。选择玻璃。LED的一次光学设计的一次光学设计 （3 3）透镜的选择及注意事项）透镜的选择及注意事项 a a、 LEDLED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等

13、都有率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMAPMMA，如有特殊的需求可选择光学级，如有特殊的需求可选择光学级PCPC。目前为日本三菱。目前为日本三菱PMMAPMMA材料为最材料为最好（好（VH001VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊一些；逊一些； b b、 必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必

14、须着防静电服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理。清理。 c c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。 d d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度度 RtRt0.005 0.005 表面粗糙度表面粗糙度 Ra0.0002Ra4 4 正向反射式使用的是抛物面侧面区

15、正向反射式使用的是抛物面侧面区域。域。优点：工艺简单，纵横比适中。光优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效束发散小，集光效80%80%以上，光线无以上，光线无遮挡。遮挡。 LED的一次光学设计的一次光学设计 （3 3） 折反射式折反射式透镜的设计在正前方用穿透式透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；亮的光斑效果；这种透镜集光效率高，对环氧这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也

16、高。树脂透镜的要求也高。 LED的一次光学设计的一次光学设计 提高芯片发光强度与出光效率的方式提高芯片发光强度与出光效率的方式1 1、表面粗化工艺、表面粗化工艺 现在使用最方泛的方法是进行表面粗化工艺。粗化的原理现在使用最方泛的方法是进行表面粗化工艺。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等GaPaGaPa基材的外延片，另外红外基材的外延片，另外红外LEDLED也可采用该方法。这种方法也可采用该方法。这种方法一般可以提高一般可以提高30%30%。 MQWW金属反射层W衬 底WW 由于由于GaNGaN的折射系数的折射系数1=2

17、.31=2.3，与空气，与空气折射系数折射系数1=11=1相差较大，其余反射临界相差较大，其余反射临界角仅为角仅为2525，使大部分光不能逸出到空，使大部分光不能逸出到空气中去，出光效率较低。为此，通过改气中去，出光效率较低。为此，通过改变变GaNGaN与空气的介面的几何形状，使全反与空气的介面的几何形状，使全反射临界角增大，提高出光效率，这就是射临界角增大，提高出光效率，这就是通过芯片表面粗化的方法来实现。通过芯片表面粗化的方法来实现。 LED的一次光学设计的一次光学设计 2 2、覆盖增透膜、覆盖增透膜 NIsin1=N2sin2 C=arcsinN2/ N1 当当1=1=CC时光线全部被反

18、射向晶体内部，如果在时光线全部被反射向晶体内部，如果在LEDLED晶体与空气之间镀一层中等折射率的介质层可增晶体与空气之间镀一层中等折射率的介质层可增大临界角大临界角CC。比如。比如GaPGaP的的N1=3.3N1=3.3如果还没有介质层则如果还没有介质层则临界角临界角CC=17.7=17.7度。覆盖一层度。覆盖一层N2=1.66N2=1.66的介质层后的介质层后CC可能增大到了可能增大到了30.330.3度，光强可提高为度，光强可提高为2.52.5倍。倍。 LED的一次光学设计的一次光学设计 （3 3）透明衬底技术）透明衬底技术 通常通常LEDLED的衬底用的衬底用GaAsGaAs材料，但材料，但GaAsGaAs是一种吸光材料，是一种吸光材料，LEDLED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PNPN结后结后，用腐蚀的方法，用腐蚀的方法GaAsGaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的衬底去除，然后在高温条件下将能透光的GaPGaP粘贴上去做衬底，使粘贴上去做衬底，使PNPN结射出光通过金属底板反射出去，结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。提高出光效率。 这种方法在制作这种方法在制作InGaAlPInGaAlP四元芯片时，在去除四元芯片时，在去除GaAsGaAs衬底后先衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层