李偉平，謝志國,2，吳建國

（1.佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000；2.中山大學光學工程博士后流動站，廣州 510640）

1 引言

近年來，在LED器件系列中的COB（Chip on Board）系列應用高速增長。目前市面上COB模塊封裝主要使用熒光膠覆蓋芯片和電極，形成封裝保護和初步光學結構。COB封裝的LED模塊在基板上安裝了多顆LED小芯片，使用多顆芯片不但能夠提高模塊的亮度，而且有助于實現(xiàn)LED芯片的合理配置，通過降低單顆LED芯片的輸入電流量以確保高效率。從成本和應用角度來看，COB成為未來燈具設計的主流方向之一。功率密度隨著模塊中芯片數(shù)量的增多而增大，如果采用的散熱方式不當，急劇積聚的熱量不僅影響LED的電子性能，也影響LED的亮度及顏色，隨著芯片溫度升高，光譜發(fā)生紅移，發(fā)光效率下降[1]。研究表明，高分子復合材料的混合物導熱系數(shù)隨著摻雜的顆粒濃度升高而增大[2]。提高熒光膠的濃度，可以有效提高膠體的熱導率。此外，不同的封裝結構對模塊的取光效率有重大的影響。特別地，由于封裝膠體折射率與空氣的折射率相差過大，在界面上發(fā)生的全發(fā)射將嚴重影響器件整體的光萃取[3～5]。因此，相對于常用的平面結構，采用外封自由曲面透鏡結構，可以明顯提高模塊的光萃取，提高出光效率。同時，COB封裝還可以實現(xiàn)特定光學分布[6]。

本文提出了一種基于保形涂覆技術以及自由曲面透鏡陣列的新型COB封裝結構方案。通過保形涂覆技術在芯片表面涂覆一層熒光粉層，再對應每顆芯片模具灌封一個經(jīng)過合理設計的自由曲面透鏡，提高模塊的光萃取并實現(xiàn)特定的光學分布。

2 新型COB封裝結構

現(xiàn)在市場上COB的結構種類齊全，主要都是在完成管芯安放以及金線鍵合的基板上灌封熒光膠，對管芯以及金線等形成機械保護。同時通過調控熒光膠量，形成平面或圓弧面的光學結構。圖1為市面上主流COB封裝結構示意圖。由圖1我們可以知道，這類COB封裝結構通過大面積覆蓋熒光膠，形成面光源，整體發(fā)光。

圖1 傳統(tǒng)COB封裝結構示意圖

由于該種COB技術封裝的LED模塊光源結構簡單，制作工藝簡單，光線柔和，因此在市場上使用非常廣泛，但也存在著一些問題。第一，雖然通過控制膠量，使熒光膠中間稍微隆起，形成凸透鏡提高出光效率。但光線在膠體和空氣界面仍然存在反射問題。尤其對遠離中心的芯片，凸透鏡的作用更加微弱。第二，灌封膠是由有機封裝材料（如硅膠等）以及熒光粉按照一定比例混合而成，散熱效果較差。實驗中，在配有散熱器的前提下，正常點亮的COB模塊膠體表面的溫度高達幾十攝氏度，甚至某些功率較大的器件高達一百多攝氏度。第三，正常工作時，由于膠體有較高的溫度，對硅膠以及熒光粉造成嚴重的影響。隨著溫度的升高，硅膠內部的熱應力增大，硅膠的折射率隨之降低，從而影響器件的光學分布，并降低出光效率。

針對上面提到的問題，我們提出一個新型的COB封裝結構方案，其結構見圖2。

圖2 新型COB封裝結構示意圖

該種結構是在已完成芯片安放以及金線鍵合等前道工序的基板上，通過保形涂覆技術在芯片表面覆蓋一層熒光粉（熒光膠），然后再在每個芯片上外封經(jīng)過特定設計的自由曲面透鏡，可以實現(xiàn)特定的光學分布（如近朗伯分布、均勻照明等），并且避免光線在硅膠與空氣界面的全反射發(fā)生，提高器件的光萃取。同時，由于每一個自由曲面透鏡相鄰很近，且光學分布是一致的，通過眾多自由曲面透鏡的光場疊加，在遠場觀測時，不會出現(xiàn)點光效應。

在器件的色溫一定的前提下，采用保形涂覆技術的熒光膠的濃度要遠遠高于普通COB封裝結構中的熒光膠濃度。因此，新型結構的熒光膠的導熱性能有很大的提升。同時，由于熒光膠僅涂覆在芯片表面，所覆蓋的范圍很小，熒光粉工作所產(chǎn)生的熱量可以快速通過芯片傳到基板進行散熱。從而避免膠體溫升對熒光粉以及硅膠的物理特性造成影響。

3 自由曲面透鏡光學設計

理想情況下，芯片的出光為朗伯光源且為點光源。忽略硅膠材料的吸收以及硅膠與空氣界面的反射、漫透射、漫反射等因素，僅考慮硅膠透鏡的曲面以及芯片與透鏡的相對位置等關鍵因素對LED出光分布的影響[7～8]。

通常設計該類外封一次光學透鏡，采用如圖3所示的結構。假定光源（芯片）位于坐標原點O，以芯片發(fā)光面為XY平面，芯片平面的法線方向為Z軸。光線經(jīng)過自由曲面P(r, θ)折射后，符合我們所需的光學分布。根據(jù)能量守恒定律以及Snell折射定律，通過求解微分方程，從而計算出自由曲面P(r, θ)。

因為整個透鏡為旋轉對稱，故只考慮二維情況，以XZ平面為例。矢量形式的折反射定理可以表示為[9～10]：

其中，n、n’分別為硅膠透鏡以及空氣的折射率；N為自由曲面在光線入射點的單位法向量，而Q、Q’分別為入射和出射光線的單位矢量。

自由曲面P(r, θ)的法向微分形式為[10]：

根據(jù)能量守恒定律，光源的輻射通量與經(jīng)過自由曲面后的出射光通量相等，即：

其中，I(θ)、I’(θ)分別為光源光強分布與折射后出光的光強分布。

一般光源設定為朗伯體光源，即：

出射光的光強分布，根據(jù)不同的實際需要，有不同的表達形式。例如，類朗伯體光源[11]，則：

其中，m由發(fā)散半角θ1/2決定：

如果出射光要在目標面上實現(xiàn)大角度均勻照明，根據(jù)余弦三次方定理可得：

其中，E0為目標面的平均照度，L為光源與目標面的距離。

圖3 自由曲面透鏡設計結構

由圖3可知，初始條件為P=P0(R0,0)，R0為初始透鏡高度。根據(jù)初始條件并聯(lián)立方程(2)～(5)，或者聯(lián)立(2)～(4)以及(7)，運用龍格-庫塔法或其他數(shù)學算法可以解出一系列數(shù)據(jù)點P0(R0,0)，P(R1,θ1)，……，P(Rn,,θn)。利用三維建模軟件將點集擬合為曲線，建立三維透鏡模型。最后導入Tracepro軟件可以獲得我們所期望的光學模型，經(jīng)過設置參數(shù)并進行仿真模擬優(yōu)化可以得到我們所需的配光效果。

4 實驗與結果分析

4.1 仿真實驗

這里以在目標面實現(xiàn)均勻照明為例。假設每個芯片均為點光源，功率為1W。9顆芯片成3×3陣列，行列距均為1.25mm。透鏡的初始高度R0=0.4mm，折射率為1.5，在15mm的距離外實現(xiàn)均勻照明，照明的范圍為直徑60mm的圓。經(jīng)過計算得到的單個自由曲面透鏡形貌如圖4（a）所示。我們把計算得到的數(shù)據(jù)點集在建模軟件SolidWorks里面擬合為曲線并建立如前面參數(shù)設定的COB透鏡陣列模型。將該COB透鏡的三維模型導入Tracepro軟件進行仿真，根據(jù)上面假定條件設置透鏡的折射率以及芯片發(fā)光特性等相關參數(shù)，并在距透鏡15mm外建立100mm×100mm的接收面。為保證接收面上照度分布的準確性，我們使用Tracepro軟件對透鏡追跡150萬條光線，得到COB透鏡陣列的目標光場分布如圖4（b）所示。

圖4 單個透鏡形貌（a）及COB光場分布圖（b）

從圖4（b）可以看出光線的追跡模擬結果達到了預期結果，絕大部分的光線均照射在直徑60mm的圓形區(qū)域內。單個自由曲面透鏡的結構能量利用率為96%，COB自由曲面透鏡整列的結構能量利用率高于90%。可見，采用自由曲面透鏡結構后，其能量利用率遠高于現(xiàn)有的平面結構以及微凸結構的利用率[2～4]。

一般照明的均勻度被定義為目標面內最小照度值與最大照度值之間的比值[12]：

在模擬結果圖4（b）中，均勻度為98.3%。

4.2 實測實驗

為了驗證上述結構的可行性，根據(jù)上述仿真結果，我們進行了實驗論證。我們采用0.889mm的芯片，9顆芯片成3×3陣列，行列距均為2.8mm，外封經(jīng)過優(yōu)化的自由曲面透鏡結構，制得的實物如圖5（a）所示。將器件點亮，在遠離光源15mm外的接受屏的光斑如圖5（b）所示。

圖5 COB實物（a）及實際光場分布圖（b）

從圖5（b）可以看出，絕大部分光線落在預定的直徑60mm的圓形區(qū)域內，光斑均勻。實際效果與前面仿真結果非常吻合。

5 結論

文章介紹了新型LED模塊COB封裝的結構特點以及自由曲面透鏡的設計方法。通過保形涂覆技術完成熒光粉涂覆，有利于模塊整體散熱，避免膠體溫升對熒光粉以及硅膠的物理特性造成影響。在已知光源發(fā)光特性以及所需的照明要求的前提下，根據(jù)能量守恒定律以及Snell方程建立方程組，運用數(shù)值解法直接得到自由曲面。依據(jù)芯片的間距等參數(shù)，在其上外封計算得到的自由曲面透鏡陣列，從而有效避免光線在硅膠與空氣界面的全反射的發(fā)生，并能實現(xiàn)特定光學分布。光學仿真結果表明，該方案能取得較好的設計效果，可以實現(xiàn)近朗伯體出光以及均勻照明等出光效果，且結構出光效率高于90%，高于常用的平面結構。實物光場分布的實驗結果與仿真效果非常吻合。理論上，此結構設計方案適用于所有類型的LED，設計時通過更改程序中對應參數(shù)可得到所需的出光光學分布，因而該結構具有廣闊的應用范圍。

[1]黃春英，王曉軍.多芯片陣列組合白光LED封裝研究[J].電子與封裝，2010,10(2)：7-10.

[2]I. A. Furgel’, O. V. Molin,V. E. Borshch, E. M. Sigal,and M.A. Tyrtsakova．Thermal conductivity of polymer composites with a disperse filler[J]. Journal of engineering physics and thermophysics,1992,62(3) ：335-340.

[3]寧俊，李小紅，柴儲芬，劉學林. COB結構功率LED封裝取光效率的研究[C]. 第十一屆全國LED產(chǎn)業(yè)研討與學術會議論文集. 2008：95-100.

[4]寧磊，史永勝，史耀華，陳陽陽. LED封裝結構對出光率的影響[J]. 液晶與顯示,2010,25(6)：822-825.

[5]A. I. Zhmakin. Enhancement of light extraction from light emitting diodes[J]. Physics Reports ,2011,498, 189-241.

[6]祁姝琪，丁申冬，鄭鵬，秦會斌.COB封裝對LED光學性能影響的研究[J]. 電子與封裝，2012,12(3)：6-9.

[7]夏勛力，余彬海， 麥鎮(zhèn)強．近朗伯光型LED透鏡的光學設計[J]. 光學技術應用, 2010，25(1)：22-25，37.

[8]Wei Tai, Rudolf Schwarte. Design of an aspherical lens to generate a homogenous irradiance for three dimensional sensors with a light emitting diode source[J]. Applied Optics, 2000,39( 31)：5801-5805.

[9]Ying Ding. Secondary optical design for LED illumination using freeform lens[C]. SPIE, 7103：1-8.

[10]謝志國，吳建國， 李程， 余彬海. 基于雙自由曲面的LED大角度光學透鏡設計[J]. 光學與光電技術, 2012,10(2)：61-64.

[11]I.Moreno，M.Avendano-Alejo，and R.I.Tzonchev.Designing LED arrays for uniform near-field irradiance[J].Appl.Optics ,2006(45)：2265-2272.

[12]郝翔. 基于自由曲面的LED照明系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2008.