一次光学设计

LED的封装、检测与应用LED的一次光学设计

LED的一次光学设计LED的一次光学设计与二次光学设计概述引脚式LED的一次光学设计提高芯片发光强度与出光效率的方式LED的一次光学设计LED的一次光学设计与二次光学设计概述

1、一次光学设计

把LED芯片封装成LED光电组件时，要先进行一次光学设计。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LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。LED的一次光学设计2、二次光学设计二次光学设计是针对LED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出光效果、光强、色温分布进行设计。LED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多重光学透镜及非球面出光外表，可以提高器件的取光效率。二次光学设计模拟软件有CodeV、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：AutoCAD、Pro/E、UG、SOLIDWORKS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LED光学设计基本元件非球面反射镜椭球面抛物面双曲面折光板曲形折光板梯形折光板柱形折光板柱球形折光板一次光学设计芯片模粒支架折射式反射式折反射式背向反射式正向反射式光学设计结构图LED的一次光学设计引脚式LED的一次光学设计模粒材料的种类LED透镜的应用分类LED透镜规格分类LED的一次光学设计1、模粒材料的种类〔1〕硅胶透镜a.因为硅胶耐温高〔也可以过回流焊〕，因此常用直接封装在LED芯片上。b.一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。〔2〕PMMA透镜a.光学级PMMA〔聚甲基丙烯酸甲酯〕，俗称亚克力。b.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〔3mm厚度时穿透率93%左右〕；缺点：温度不能超过80°〔热变形温度92度〕。LED的一次光学设计〔3〕PC透镜a.光学级料Polycarbonate〔简称PC〕聚碳酸酯。b.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〔3mm厚度时穿透率89%左右〕；缺点：温度不能超过110°〔热变形温度135度〕。〔4〕玻璃透镜光学玻璃材料，优点：具有透光率高〔97%〕、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、生产效率低、本钱高等。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PMMA、PC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进工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。LED的一次光学设计2、LED透镜的应用分类〔1〕一次透镜a.一次透镜是直接封装〔或粘合〕在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。b.LED芯片〔chip〕理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度〔大于180°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会聚chip的所有光线并可得到如180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差异〔一般的规律是：角度越大效率越高〕。c.一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。LED的一次光学设计〔2〕二次透镜a.二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。b.二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次会聚光成5°至160°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。c.二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC；在特殊情况下可选择玻璃。LED的一次光学设计〔3〕透镜的选择及本卷须知a、LED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都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原那么上选择光学级PMMA，如有特殊的需求可选择光学级PC。目前为日本三菱PMMA材料为最好〔VH001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；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。c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度Rt<0.005外表粗糙度Ra<0.0002。e、产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须严格控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上。LED的一次光学设计

透镜封装的光学系统具体分析

透镜形状或者环氧形状的光学分析：由于光从封装材料射出到空气中也是从光密介质到光疏介质，所以同样也存在全反射现象，为了提升出射光的比例，透镜的外形或者环氧封装的外形最好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是垂直射到界面，入射角都会小于临界角，因而减少产生全反射的几率。如果对光强分布和出光角度有要求的话，那就要重新考虑，不同的透镜形状和封装形状会得到不同的结果。透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大，透镜角度小出光角度小。硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少软件模拟与实际比照LED的一次光学设计3、LED反射杯规格分类〔1〕折射式特点：1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化〔角度与距离成反比〕，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边；2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80%的白光从侧面泄露，发光效率低。3、提高出光率方法：增加反光杯面积，收集侧面光线。4、聚光方法：增加透镜曲率。5、一般应用在大角度〔50°以上〕的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。LED的一次光学设计〔2〕反射式背向反射正向反射反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面焦点。优点：集光效率高，可以到达80%以上。缺点：芯片对光线有遮挡。要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向尺寸>4正向反射式使用的是抛物面侧面区域。优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效80%以上，光线无遮挡。LED的一次光学设计〔3〕折反射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全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠〔角度相同〕就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高。LED的一次光学设计提高芯片发光强度与出光效率的方式1、外表粗化工艺现在使用最方泛的方法是进行外表粗化工艺。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GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高30%。MQWW金属反射层W衬底WW由于GaN的折射系数η1=2.3，与空气折射系数η1=1相差较大，其余反射临界角仅为25°，使大局部光不能逸出到空气中去，出光效率较低。为此，通过改变GaN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，这就是通过芯片外表粗化的方法来实现。LED的一次光学设计2、覆盖增透膜NIsinθ1=N2sinθ2θC=arcsinN2/N1

当θ1>=θC时光线全部被反射向晶体内部，如果在LED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θC。比方GaP的N1=3.3如果还没有介质层那么临界角θC=17.7度。覆盖一层N2=1.66的介质层后θC可能增大到了30.3度，光强可提高为2.5倍。LED的一次光学设计〔3〕透明衬底技术通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。LED的一次光学设计〔4〕芯片倒梯形结构CREE公司有一款芯片采用倒梯形结构后也提高了光强。由于这种结构的芯片其边缘局部的全反射临界角增大，光子逸出率提高，并能从碗腔射出，提高光强和出光效率。衬底NMQWPLED的一次光学设计〔5〕Flip-chip技术蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于正面电极朝上，会遮掉一局部光，发光效率会降低。大功率蓝光LED通过芯片倒装技术〔FLIPCHIP〕可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。晶片PN结的量子结构缺陷，导致局部量子复合为非辐射复合晶片上必须安装供电流通过的电极，而电极一般由不透光的金属材料制成，影响了局部光线的射出。由光的传播理论中的光线折射定律可知，两种不同材料的界面在折射系数不同时，将出现光线被反射的现象，发光ＬＥＤ的芯片与周围介质在折射系数上不同，因此必然导致光线不能全部逸出；根据折射定律，当入射角大于argsin〔n1/n2〕时，将发生全反射，光线将不会射出晶片而消耗在晶片内部。〔n1、n2为材料折射率〕改变晶片的几何形状，以改变光线的出射角度来增加光线的射出采用芯片倒装技术〔ＦＬＩＰＣＨＩＰ〕在硅衬底上制作出供共晶焊的金导线层及引出导线层〔超声金丝球焊点〕；然后，利用共晶焊接设备把芯片与硅衬底焊接在一起。由于倒装后的蓝宝石衬底朝上成为出光面，蓝宝石是透明的，同时两个电极倒装在下面不影响向上发光，因而提高了出光效率；在衬底上增加反射镜，让光线直接在外表射出。通过哪些芯片制造过程中的工艺技术措施，可以提高芯片发光强度与出光效率？LED的亮度主要取决于外延方法和外延质量好坏，在芯片制造过程中采取不同的方法也可提高一些光强即提高外量子效率，但是程度有限。现在使用最方泛的方法是进行外表粗化工艺。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GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高30%。另外有一种方法是覆盖一层增透膜。由于发光二极管晶体的折射率比较高，当光线射向晶体外表时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射。假设假定该晶体的折射率为N1，入射角为θ1，在空气折射率为N2，折射角为θ2时，如图29-1：N1

空气N3 空气折射光θ1

θ1

N2

θ2=90°N2

半导体表面半导体表面介质层折射光θ1212

θ

θ2

θ3N2

2N1abcc

图29-1 根据折射定律，可得：NIsinθ1=N2sinθ2(29-1)从式〔29-1〕知，当θ2=90°时的θ1称为入射临界的半角用θC表示，即θC=arcsinN2/N1(29-2)显然当θ1>=θC时光线全部被反射向晶体内部，如果在LED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θC。比方GaP的N1=3.3如果还没有介质层那么临界角θC=17.7度。覆盖一层N2=1.66的介质层后θC可能增大到了30.3度，光强可提高为2.5倍。目前通过工艺和结构上的改进可以提高芯片的出光效率，归纳起来有如下几种有效方法：透明衬底技术通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。芯片外表粗化法由于GaN的折射系数η1=2.3，与空气折射系数