LED封裝的一次光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
研發(fā)光學(xué)特性優(yōu)異、可靠性高的封裝技術(shù)是照明用發(fā)光二極管(LED)走向?qū)嵱没谋亟?jīng)之路,而依靠經(jīng)驗開模對LED封裝進行優(yōu)化,成本是極其巨大的。因此,用數(shù)值方法設(shè)計性能優(yōu)異的一次光學(xué)系統(tǒng),對LED的封裝意義重大,也是優(yōu)化LED一次光學(xué)系統(tǒng)的唯一途徑。
LED光學(xué)系統(tǒng)屬于一種非成像光學(xué)系統(tǒng),不同于傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng),它注重于能量的分配而不是信息的傳遞。LED光學(xué)系統(tǒng)可以分為三個部分:光源、光學(xué)系統(tǒng)和光能接收面。光源和發(fā)光器件的內(nèi)部系光學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成所謂的一次光學(xué)系統(tǒng)。光能接收面作為一種評價界面存在于被研究的光學(xué)系統(tǒng)之外,對LED封裝及絕大多數(shù)照明光學(xué)系統(tǒng)來說,光能接收面所評價的大多是光亮度及其分布情況。
本文將首先對LED發(fā)光芯片進行體光源的面發(fā)光特性簡化建模,然后參照實際常用LED的封裝結(jié)構(gòu)形式,設(shè)定反射碗的形狀描述函數(shù),并改變反射碗、環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的相關(guān)形狀、位置和材料參數(shù),對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行非序列光線追跡,來模擬得到不同封裝參數(shù)條件下的光能接收面的光亮度分布。最后,本文還將對模擬的結(jié)果做較為詳細的對比分析,得到該一次光學(xué)系統(tǒng)的一組優(yōu)化結(jié)果。
1、LED環(huán)氧封裝的一次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
1.1 LED發(fā)光芯片的實體簡化建模
光源的實體模型又稱為光源幾何造型,它是光源大小、形狀、位置、方向、材料的綜合表示,還反映光源的反射、折射、吸收等相關(guān)特性。LED內(nèi)部的發(fā)光芯片是LED一次光學(xué)系統(tǒng)的光源,因此LED發(fā)光芯片的模型是LED整體光學(xué)建模的基礎(chǔ)。通常,LED芯片內(nèi)部包括限制層、有源層、基底、電極等幾個部分。從有源層出射的光子是隨機的,即光子在空間各個方向都有可能出射。
光子離開LED芯片表面時的出射點在芯片表面上隨機分布,且在芯片6個面均有不同程度出射。但芯片外圍的反光碗會改變從LED芯片邊緣出射的光子路徑,同時芯片底部的電極也會吸收部分光子,因而我們用一個立方體來表示LED芯片,該立方體的上表面為主要發(fā)光源。
由于芯片的厚度相對于主要發(fā)光面非常小,芯片側(cè)面的發(fā)光可以忽略不計。發(fā)光點在主要發(fā)光面上隨機分布,也就是將六個面的發(fā)光特性集中定義在其一個面上,而這個面也同時向反射碗底出射光子。這樣可提高光線追跡效率,并保證足夠的準確度。
定義該發(fā)光面出射的光線角度分布I(θ)符合朗伯余弦定律:
I(θ)=I0cosθ(1)
式中,θ為該方向與平面法向的夾角,I0為法向光強。該面的發(fā)光特性如圖1所示。
1.2 反光碗的模型設(shè)計
由于LED發(fā)光芯片已構(gòu)成標準的體光源,反射碗的面積相對來說非常小,因此本文采用目前通用的分段直線反光碗模型。反光碗的材料應(yīng)有較高的反射率,將由其對應(yīng)的反射和漫射指數(shù),以及它作為高斯散射體的參數(shù)σ值來定義。LED封裝的一次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計還必須確定反光碗的大小和位置參
數(shù),我們用底部直徑、頂部直徑、外徑、臺基厚度和碗深來表示其形狀和大小,如圖2所示。反光碗的碗底與發(fā)光芯片的位置重合。
1.3 環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計
按發(fā)光二極管的封裝分類,有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu),本文將采用白光LED目前較常用的全環(huán)氧封裝。該LED封裝后的外形由一個柱面和一個半球面(實際上是二次曲面)組成,較長的環(huán)氧樹脂柱面是它的一個顯著特點。這就是目前流行的炮彈型LED,這種外形制造方便,得到了廣泛的使用。
由于LED結(jié)構(gòu)的特殊性,可供測量的實體參數(shù)較少,只有其環(huán)氧樹脂柱面和半球面的幾何參數(shù)可較準確得到。環(huán)氧樹脂里面的LED芯片、反光碗的形狀和位置都是無法準確測量的,但所有參數(shù)對封裝結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計是可以實現(xiàn)的,并且在開模之前很容易確定上述環(huán)氧樹脂封裝和反光碗及芯片的位置和形狀參數(shù)。依靠遺跡光線可得到該封裝模型的空間亮度分布,而通過改變這些參數(shù)進行模擬,可實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的目的。
將LED的環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)拆解為頂部的二次曲面和周圍的柱面,幾何形狀和大小由總高度、外徑、內(nèi)徑和二次曲面常數(shù)c決定,其材質(zhì)同樣由對應(yīng)材料的折射率確定。對應(yīng)的二次曲面通式為
F(x,y,z)=α11x2+α22y2+α33z2+2α12xy+2α23yz+2α11zx+2α14x+2α24y+2α34z+α44 (2)
采用矩陣形式可表述為
F(x,y,z)=[x,y,z,1]A[x y z 1]T (3)
式中,A為系數(shù)矩陣,A唯一確定了空間二次曲面的形式,本文模型設(shè)ai,j≡c,則二次曲面由常數(shù)c唯一確定。
LED封裝的計算機模型設(shè)計及其坐標系示意圖如圖3所示,三維坐標的原點均在環(huán)氧結(jié)構(gòu)的頂部,xy平面在結(jié)構(gòu)的底平面上。其中圖3(b)的經(jīng)緯線所在球面為光能接收面。
同樣,發(fā)光芯片的幾何參數(shù)與位置也需要確定。我們采用正方形芯片,用深度、邊長來決定,深度即為離開外殼頂部的距離,也就是反射碗碗底平面所在的位置。
1.4 非序列光線追跡
光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學(xué)的反射定律和折射定律。LED光學(xué)系統(tǒng)屬于非成像光學(xué)系統(tǒng),光線與系統(tǒng)中各個界面相交的順序是未知的,從LED芯片發(fā)出的光在出射時的位置、方向也是未知的,因此幾何光學(xué)法在這里將不再適用。LED光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)氧封裝和二次光學(xué)設(shè)計都需要追跡大量的光線來達到光學(xué)系統(tǒng)性能分析的準確性。與序列光線追跡不同的是,非序列光線追跡的分析需要對從光源發(fā)出的按一定空間光強分布的隨機光線的位置、方向以及行進過程中與各界面所產(chǎn)生的反射、折射、散射、吸收用蒙特卡羅方法來模擬。
LED封裝的光學(xué)結(jié)構(gòu)模型由芯片(光源)、反光碗、封裝環(huán)氧樹脂與空氣界面組成,芯片出射光由球空間均勻分布隨機數(shù)向量發(fā)生器模擬,反光碗、環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)與空氣界面則可以由二次曲面方程、柱面方程和反光碗的錐面方程取不同的參數(shù)和不同邊界條件來獲得。用蒙特卡羅方法來模擬非序列光線追跡的流程如圖4所示。
2、模擬結(jié)果
基于上述LED的光學(xué)模型與非序列光線追跡方法,對LED的封裝進行不同參數(shù)條件下的光亮度數(shù)值模擬,光能接收面為以(0,0,-5)為圓心、200mm為半徑的球面,如圖 3(b)所示。為使程序的運算時間不致過長,光線追跡的初始光子數(shù)設(shè)為25000。設(shè)定一組 LED的初始參數(shù),如表1所示。
對應(yīng)上述參數(shù)的LED光亮度分布模擬結(jié)果如圖5所示。圖5中光亮度的單位為瓦/球面度,最終出射粒子數(shù)已進行歸一化,見右邊的柱狀顯示,由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部多次反射消耗了部分內(nèi)俘獲光子,最終出射的歸一化光子數(shù)小于1。
從圖5的模擬結(jié)果來看,LED封裝后的發(fā)光亮度分布是較為合理的,中心最亮,四周最暗,同一緯度不同經(jīng)度亮度分布較為均勻,與真實LED從沿-z方向觀察的結(jié)果一致,而且數(shù)值在合理的范圍。
但圖5顯示z軸法向的方向光強并沒有達到最大,而是出現(xiàn)了暗斑,同時,光能在半球面上的分布范圍很大,非法向的能量損失較嚴重。這是有悖于此類炮彈型LED設(shè)計原則的,即盡量保證法向(z方向)光強的最大值,并盡量減少非法向方向的光能損耗。這也是此類LED的重要設(shè)計目標。
為了研究環(huán)氧封裝結(jié)構(gòu)和反光碗形狀變化對出射光亮度空間分布的影響,令表1中的二次曲面常數(shù)c=-0.25,反光碗深度變?yōu)?.35mm,其他條件和參數(shù)不變,進行同樣的運算,得到的光亮度分布如圖6所示。圖6所示的亮度分布明顯得到了改善,法向亮度的最大值較圖5有了提高,非法向的光能分布范圍也有了明顯的減小。雖然法向的中心暗斑依然存在,但法向附近的光能更加集中。這說明為了達到良好的出射效果,LED封裝的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化及其重要。
為了研究反光碗與發(fā)光芯片在環(huán)氧封裝結(jié)構(gòu)中位置的變化對出射光強分布的影響,我們在圖6的基礎(chǔ)上對芯片深度進行了調(diào)整。固定其他參數(shù),得到優(yōu)化的深度值在5mm左右,此時的亮度分布模擬結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化反光碗與發(fā)光芯片位置后的LED亮度分布較圖6有了較明顯的改善,其法向最大亮度有了提高,中心暗斑已經(jīng)不明顯,出射光的主要能量
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