林 丞

(1.廈門大學 物理學博士后流動站，福建 廈門 361005；2.廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 361006)

引言

LED已經(jīng)成為新一代固態(tài)照明光源，具有低能耗、快速響應、長壽命、環(huán)境保護等方面的優(yōu)點[1-3]。近年來，大功率多芯片COB LED因其具有更高的封裝密度、更好的熱穩(wěn)定性、更大的發(fā)光角度和可定制化設計等優(yōu)點，已經(jīng)成為工業(yè)設計生產(chǎn)的重要趨勢之一[4-6]。但是COB LED多為平面設計，較大角度的光線易在平面上發(fā)生全反射，難以取出，因此其取光率較低。此外，多芯片串并聯(lián)形成的電路其復雜性更高，某顆芯片或金絲出現(xiàn)問題，就會導致整體產(chǎn)品失效，使其可靠性下降。為了提高LED取光率，主要通過提高LED內(nèi)量子效率與外量子效率。目前已報道了對芯片級的技術改進(即提高內(nèi)量子效率)，如對芯片出光面進行倒金字塔型[7]、圖形化紋理[8]、光子晶體[9]和陣列半球化處理[10]等工藝，可大幅提高芯片的取光率。而提高外量子效率主要通過合理的透鏡設計和優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)得以實現(xiàn)。針對COB LED，除提高芯片的內(nèi)量子效率外，目前主要的方案是采用新的封裝結(jié)構(gòu)與新的透鏡設計，以改善光分布和提高光線利用率。現(xiàn)已報道了非成像光學的自由曲面透鏡[11]、半球透鏡[12]、微透鏡陣列[13]、陣列式連體透鏡[14]等對LED取光率的提高和光線分布的改善。陣列式透鏡的研究多集中于微米級透鏡，加工方法包括激光微加工法[15]、灰階光罩法[16]、壓印法[17]、微液滴發(fā)[18]、等離子刻蝕[19]等，但這些方案目前均難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本文從微型透鏡陣列出發(fā)，針對0.5 mm～1 mm尺寸的圓錐、半橢球、四棱錐和半圓球硅膠透鏡陣列進行仿真，以提高COB LED的外量子效率，進而提高整個光源的取光率，討論不同透鏡尺寸封裝LED對其取光率與光分布的影響。最后采用具有產(chǎn)業(yè)化應用前景的開模灌膠法，制作透鏡并封裝了紅光芯片、藍光芯片、綠光芯片的RGB多芯片LED樣品，并測試了取光效果的改善情況。

1 LED與透鏡模型的建立

COB LED模型采用1919 COB LED作為模板，1919是COB LED的一種封裝規(guī)格，主要用于大功率筒燈、射燈，規(guī)格尺寸為19 mm×19 mm×0.9 mm，以尺寸命名。模型尺寸如圖1所示，利用建模軟件進行建模，主要包括芯片、支架、灌封膠等。透鏡模型有4種類型：陣列式圓錐、半橢球、四棱錐和半圓球，同樣利用建模軟件建立并與之前模型進行組合，形成最終模型，如圖2所示。

圖1 1919 COB LED結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of 1919 COB LED

圖2 透鏡封裝LED模型三維示意圖Fig.2 Schematic diagrams of COB LED packaging

2 光學模擬與分析

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。許多透鏡的光學仿真研究工作都依據(jù)此軟件開展[11, 14,20]。本研究采用該軟件對設計的模型進行光學仿真實驗。將圖1、圖2設計的封裝LED光源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)成sat文件導入軟件之中，設置芯片光通量，定義表面屬性、材料屬性。具體設置：(i)忽略裝架的絕緣膠、金絲、電極、焊盤等，排除這些材料的干擾。整體模型不考慮電性能、溫度、濕度等環(huán)境影響；(ii)表面光源設置。由于COB LED是陣列芯片發(fā)光，可以近似于一個發(fā)光面，以減少仿真的計算量。因此在芯片裝架區(qū)設置一個發(fā)光體，其上表面作為表面光源，出射光線2×105條，朗伯型分布，光通量為100 lm；(iii)表面屬性設置。反光面設置為鏡面即反射率為94.9%。支架其余部分設置為白色平面涂層(flat white paint)，忽略支架對光線的吸收；(iv)材料設置。灌封膠與透鏡都設置為硅膠，折射率為1.41。

2.1 不同尺寸陣列式圓錐透鏡取光率的提高

光通量的總體變化趨勢是隨著封裝圓錐透鏡的直徑增大而增大，隨著高度的減小而增大。直徑0.9 mm，高度0.5 mm時，光通量最大(84.3 lm)，較平面結(jié)構(gòu)COB LED(光通量67 lm)取光率提高25.8%，如圖3所示。這表明圓錐陣列透鏡可明顯提高LED的取光率，透鏡可有效提高光線利用率。

圖3 不同尺寸陣列式圓錐透鏡取光增長率三維輪廓圖Fig.3 Contour diagram of increment in light extraction efficiency with cone array lens at different sizes

2.2 不同尺寸陣列式半橢球透鏡取光率的提高

與之前圓錐仿真結(jié)果類似，半橢球透鏡的光通量總體變化趨勢是隨著橢球剖面直徑的增大而增大，隨著高度的減少而增大，如圖4所示。直徑0.9 mm，高度0.5 mm時，光通量最大(83.8 lm)，較平面結(jié)構(gòu)取光率提高25.1%。陣列圓錐透鏡效果與圓錐陣列相比略低一些。

圖4 不同尺寸陣列式半橢球透鏡取光增長率三維輪廓圖Fig.4 Contour diagram of increment in light extraction efficiency with half-ellipsoid arrays at different sizes

2.3 陣列式四棱錐透鏡取光率的提高

與之前圓錐、半橢圓球仿真結(jié)果類似，四棱錐透鏡的光通量總體變化趨勢是隨著四棱錐的棱長增大而增大，隨著高度的減小而增大，如圖5所示。直徑0.9 mm，高度0.5 mm時，光通量最大(84.1 lm)，較平面結(jié)構(gòu)取光率提高25.5%。陣列四棱錐透鏡效果，介于圓錐陣列與半橢球陣列之間。

圖5 不同尺寸陣列式四棱錐透鏡取光增長率三維輪廓圖Fig.5 Contour diagram of increment in light extraction efficiency with rectangular pyramid arrays lens at different sizes

2.4 陣列式半圓球透鏡取光率的提高

陣列半圓球透鏡直徑0.6 mm到0.7 mm時，光通量顯著增大。當直徑大于0.7 mm后增長率變化緩慢。直徑為0.8 mm的半圓球透鏡光通量最大(84.0 lm)，較平面結(jié)構(gòu)取光率提高25.3%，如圖6所示。

圖6 陣列式半球透鏡取光率增長率與直徑的關系圖Fig.6 Curve of increment in light extraction efficiency with hemisphere arrays lens at different diameters

以上透鏡均可提高LED的出光率，其主要原因是透鏡的圓錐、半橢圓球、四棱錐、半圓球結(jié)構(gòu)的出光面均有利于減小入射角，從而減少全反射帶來的光損耗，提高光線的利用率[20]。從結(jié)果上看，陣列透鏡的形貌對最終的取出效果影響較小，而透鏡尺寸變化對取光率的影響顯著。

2.5 各結(jié)構(gòu)最優(yōu)化條件下的光分布模擬對比

除了光源的取光率外，光源的光分布直接影響最終應用產(chǎn)品的使用。陣列圓錐透鏡、陣列橢圓球透鏡、陣列四棱錐和陣列半圓球透鏡封裝LED光分布仿真圖如圖7所示。陣列圓錐透鏡與陣列式四棱錐的光分布相似，類似蝙蝠翼型分布，發(fā)光角度約130°。陣列橢圓球透鏡和陣列半圓球透鏡封裝光源的光分布曲線類似，其光分布較為均勻， 發(fā)光角度約130°。

圖7 封裝COB LED光分布仿真圖Fig.7 Light distribution simulation diagrams of COB LED packaging

3 陣列式半圓球透鏡封裝COB LED實際樣品的取光率改善結(jié)果

從上文中可見陣列式圓錐透鏡的取光率最高，但是與其他形貌相比差異不大。此外，半圓球透鏡的模具開模更為簡單可行，而圓錐透鏡的制作難度以及開模成功率都較低。因此在實際樣品實驗中，主要考察了陣列式半圓球透鏡，結(jié)合當前的加工精度選擇其直徑為1.0 mm。COB樣品選擇了藍光、紅光、綠光芯片一同封裝的COB LED進行測試，封裝透鏡前與封裝后的樣品實物照片，如圖8所示。LED分3路控制，每一路分別為6顆45 mil×45 mil的藍光芯片、6顆45 mil×45 mil的綠光芯片和6顆40 mil×40 mil的紅光芯片，調(diào)節(jié)各路電流，將色溫調(diào)節(jié)至3 000 K，測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，樣品的光通量提高了18.8%。雖然與仿真結(jié)果的25%左右還有一定差距，但透鏡的取出效果仍十分顯著。其原因可能是仿真是理想化的模型，且仿真中的光源為一個面光源型的表面光源，而實際樣品為陣列芯片的點光源形成的面光源，此外，樣品中的各種表面屬性、材料屬性也是理想化的數(shù)據(jù)，與理想情況還有偏差。

圖8 封裝透鏡前后的RGB多芯片COB LED實物照片(左為封裝透鏡前，右為封裝后)Fig.8 Photographs of RGB mutil-chip COB LEDs packaging without (left) and with lens(right)

表1 封裝透鏡前后的RGB多芯片COB LED光學參數(shù)對比Table 1 Comparison of optical parameters of RGB mutil-chip COB LEDs packagingwith and without lens package

4 結(jié)論

本研究以1919 COB LED及陣列式微型透鏡組合為研究對象，利用光學仿真軟件考察了不同尺寸的陣列式圓錐透鏡、半橢球透鏡、四棱錐形透鏡和半圓球透鏡對LED取光率與光分布的影響。仿真實驗在優(yōu)化條件下，圓錐狀陣列透鏡封裝的LED取光率可提高25.8%，光分布均勻，發(fā)光角度達130°最后制作的陣列半圓球透鏡封裝RGB多芯片LED樣品，其取光率較平面結(jié)構(gòu)提高18.8%。這種透鏡封裝RGB COB LED的結(jié)構(gòu)，可顯著提高LED的取光率，對于情景照明、智能照明方面的應用具有推廣價值。

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