饒海波

（電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，成都610054）

0 引 言

經(jīng)過近十多年的高速增長(zhǎng)，白色發(fā)光二極管（White Light-emitting Diodes，LED）已經(jīng)確立了在照明產(chǎn)業(yè)中的主導(dǎo)地位，2018年，我國(guó)半導(dǎo)體照明行業(yè)整體產(chǎn)值達(dá)到7 640億元［1-2］，現(xiàn)有白色LED照明技術(shù)方案中，以藍(lán)色LED芯片結(jié)合黃色熒光粉轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管（phosphor-converted light-emitting diodes，pc-LEDs）最簡(jiǎn)單易行，相關(guān)研究和開發(fā)應(yīng)用最早、也最廣泛［3-4］，特別是隨著近年來藍(lán)色LED芯片光效的迅速提升，目前先進(jìn)的商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到150 lm／W的水平，美國(guó)能源部（Department of Energy，DOE）的SSL 計(jì)劃報(bào)告預(yù)計(jì)其長(zhǎng)期目標(biāo)（光效潛能）將能達(dá)到255 lm／W［5］。

我國(guó)是全球半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)大國(guó)，特別是在白光LED封裝環(huán)節(jié)，目前全世界年銷售75億美元產(chǎn)品中的75%都是中國(guó)公司生產(chǎn)的［6］。

全球半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)對(duì)人才培養(yǎng)和技術(shù)進(jìn)步提出了更加迫切的要求，半導(dǎo)體照明技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，既契合國(guó)家當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和重點(diǎn)扶植方向，又能為學(xué)生提供接觸行業(yè)先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和科研技術(shù)前沿的機(jī)會(huì)，為國(guó)家LED照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)未來長(zhǎng)期發(fā)展培養(yǎng)和儲(chǔ)備人才［7-8］，同時(shí)又能為本校新設(shè)置專業(yè)《光源與照明》的實(shí)踐課程體系建設(shè)提供支撐，因而意義明確。

本項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)在于，以TracePro軟件為平臺(tái)，建立白光pc-LEDs的封裝技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生通過白光LED器件的光路仿真，對(duì)白光LED照明器件的原理、結(jié)構(gòu)和性能獲得全面深入的理解和掌握，進(jìn)而提升對(duì)專業(yè)的認(rèn)知。

1 方案設(shè)計(jì)

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件，能夠定義和跟蹤數(shù)百萬(wàn)條光線，實(shí)現(xiàn)圖形顯示、可視化操作以及提供3D實(shí)體模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，在光學(xué)系統(tǒng)特別是LED照明器件的模擬設(shè)計(jì)中獲得了廣泛的應(yīng)用［9-11］，同時(shí)其簡(jiǎn)便易學(xué)的使用特點(diǎn)，使其在光學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得了積極的推廣［12-15］，本實(shí)驗(yàn)的仿真器件結(jié)構(gòu)采用了目前白光LED照明技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)方案-藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉的pc-LEDs。應(yīng)用TracePro軟件建立白光pc-LEDs仿真模型，通過編輯光源（藍(lán)光LED芯片）和黃色熒光粉光譜參數(shù)，利用光線追蹤功能進(jìn)行藍(lán)、黃光的光路傳輸模擬，就能在設(shè)定的接收檢測(cè)表面上獲得相應(yīng)的仿真結(jié)果-照度圖。在本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中，采用了虛、實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方案，利用前期白光LED器件封裝實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)獲得的pc-LEDs燈珠的實(shí)際結(jié)構(gòu)和光譜參數(shù)，來進(jìn)行仿真模型參數(shù)的優(yōu)化，得到更接近實(shí)際器件性能的仿真結(jié)果。

2 白光pc-LEDs的仿真流程

創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體模型（Creating a Solid Model）；定義材料和表面的屬性（Defining Properties）；應(yīng)用屬性（Applying Properties）；追跡光線（Raytracing）；分析（Analysis）。

整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)過程如圖1的流程圖所示。

具體涉及如下主要環(huán)節(jié)：

（1）建立模型。雙擊Tracepro圖標(biāo)進(jìn)入軟件主界面，選擇Insert（插入菜單）的Primitive Solid，順序進(jìn)行基板、光源、熒光粉層、接收檢測(cè)表面幾何尺寸的設(shè)置，基板（5 mm×5 mm×0.5 mm）設(shè)置頁(yè)面如圖2所示。

圖1 仿真過程流程圖

圖2 基板參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

（2）LED光源（藍(lán)色芯片）的設(shè)定。點(diǎn)擊芯片選項(xiàng)，選擇下拉菜單中的surface 0，設(shè)定芯片的Surface0為發(fā)光面，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊surface 0，在菜單中選擇Properties（屬性），發(fā)射形式設(shè)為光通量，單位選擇光度學(xué)，場(chǎng)角分布選擇朗伯分布，光線為所有光線，定義適當(dāng)?shù)墓馔亢涂偣饩€數(shù)，如圖3所示。

其中藍(lán)色LED芯片的發(fā)光波長(zhǎng)及其權(quán)重可以調(diào)整，以達(dá)到盡可能反映真實(shí)器件的效果。

（3）編輯熒光粉性質(zhì)。在Utilities（工具程式）菜單中選擇Fluorescence Property Generator會(huì)出現(xiàn)圖4所示的插件，選擇新建目錄，建立熒光粉特性文檔。

圖4中的激發(fā)特性中，熒光份的轉(zhuǎn)換效率（Conversion Efficiency）、摩爾最高消光系數(shù)（吸收系數(shù)）、摩爾濃度等參數(shù)的設(shè)置往往需要依據(jù)實(shí)際器件的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

在Utilities（編輯屬性數(shù)據(jù)）菜單中選擇Fluorescence Property Generator（熒光屬性）選項(xiàng)，選擇發(fā)光波段分布及相應(yīng)波長(zhǎng)個(gè)數(shù)，都應(yīng)該以實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，達(dá)到對(duì)器件真實(shí)仿真的效果。

（4）建立接收檢測(cè)表面。在insert菜單中點(diǎn)擊擋光板，選擇表面surface1，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Properties，一般設(shè)置表面為Perfect Absorber（完全吸收），以降低受光面本身光反射、散射對(duì)光源空間光分布造成的影響。

圖3 光源（藍(lán)色LED芯片）參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖4 熒光材料編輯器頁(yè)面

（5）光線追跡。點(diǎn)擊光線追跡（R，retracing）菜單，確定光線追跡選項(xiàng)，analysis單位一般選擇幅度學(xué)，對(duì)于pc-LEDs器件，點(diǎn)選“熒光設(shè)定”，實(shí)現(xiàn)光源到熒光粉的藍(lán)黃光轉(zhuǎn)換，達(dá)到模擬白光產(chǎn)生的效果。

（6）結(jié)果與分析。選擇擋光板Surface1（觀察表面），點(diǎn)擊Analysis（分析）菜單，進(jìn)行Illuminance Options（照度選項(xiàng)）的設(shè)定，可以在照度圖中獲得各個(gè)區(qū)域的真實(shí)色彩圖像，并CIE色度圖上獲得相應(yīng)區(qū)域的色溫值。

點(diǎn)擊Analysis中的Candela Options選項(xiàng)，設(shè)定光強(qiáng)分析的區(qū)間大小和數(shù)目，獲得相應(yīng)的配光曲線。

3 參數(shù)優(yōu)化及仿真結(jié)果

要達(dá)到器件性能仿真的效果，在觀察面（擋光板）上實(shí)現(xiàn)真正的白光模擬，器件模型參數(shù)設(shè)置顯得尤其重要，實(shí)驗(yàn)中虛、實(shí)結(jié)合，通過擬合實(shí)測(cè)的白光LED燈珠光譜，進(jìn)行芯片和熒光粉的發(fā)光光譜參數(shù)的合理設(shè)置。

3.1 芯片發(fā)光光譜的設(shè)置

參考白光pc-LEDs燈珠的光譜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，藍(lán)光LED芯片的發(fā)光光譜設(shè)置如圖5所示（其中，藍(lán)光光線總數(shù)取為10 000條）。這樣的藍(lán)光參數(shù)設(shè)置在光譜分布上基本還原了一個(gè)以0.45 μm為主峰、半波峰寬（FWHM）為20 nm的藍(lán)光LED芯片的典型值。

3.2 熒光粉參數(shù)的設(shè)置

熒光粉屬性編輯頁(yè)面，根據(jù)常規(guī)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置轉(zhuǎn)換效率為80，摩爾最高消光系數(shù)為13 000，摩爾濃度由實(shí)驗(yàn)中典型的粉膠比數(shù)據(jù)計(jì)算而得到（0.563 mmol／m3）。

根據(jù)測(cè)試獲得的YAG：Ce3＋黃色熒光粉的發(fā)光光譜，選擇熒光粉發(fā)光的波段分布如圖6所示，波段數(shù)的多少對(duì)應(yīng)于相應(yīng)波段熒光強(qiáng)度，由于所選的黃色熒光粉光譜的主要成份集中在0.54～0.59 μm之間，因此主要的波段數(shù)設(shè)置在這個(gè)區(qū)間，同時(shí)考慮光譜中藍(lán)綠光的存在，因而在0.48～0.54 μm 波段也設(shè)置了一定的波段數(shù)，整體光譜的設(shè)置就是對(duì)YAG：Ce3＋熒光粉發(fā)光光譜的一種擬合。

圖5 芯片發(fā)光光譜設(shè)置

圖6 熒光粉波段數(shù)的設(shè)置

3.3 仿真結(jié)果與討論

通過擬合實(shí)測(cè)白光pc-LEDs燈珠的光譜分布，在Tracepro中設(shè)置好相關(guān)的芯片和熒光粉參數(shù)，點(diǎn)擊光線追跡，在選擇的輻照面（擋光板Surface1）上就能得到如圖7所示的照度圖，其中右圖的（x，y）為表征色彩的1931CIE色坐標(biāo)值。

圖7 輻照度和色度圖

左側(cè)的照度圖中的藍(lán)光、黃光、白光分別代表真實(shí)色彩，鼠標(biāo)點(diǎn)在照度圖中的一個(gè)區(qū)域，右側(cè)的CIE圖就會(huì)顯示出相應(yīng)光照區(qū)域的色溫。上述結(jié)果達(dá)到了對(duì)實(shí)際白光LED器件封裝真實(shí)效果的光學(xué)模擬。

這說明結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過TracePro軟件完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)白光pc-LEDs器件照明特性的模擬仿真，同時(shí)對(duì)藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉的白光工作機(jī)理實(shí)現(xiàn)了有效的驗(yàn)證，通過仿真過程，能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基于白光LEDs的半導(dǎo)體照明技術(shù)的理解和掌握。

結(jié)合實(shí)際需求，擬合不同光譜分布的藍(lán)光芯片＋熒光粉組合，實(shí)現(xiàn)不同色度學(xué)、光度學(xué)特性的白光器件的仿真設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際器件照明特性（色度、光度）開展有效的模擬計(jì)算仿真研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用虛、實(shí)結(jié)合的方法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的教學(xué)效果：關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置擬合實(shí)際器件，在模擬結(jié)果中能夠較準(zhǔn)確地反映真實(shí)器件的性能和效果，可通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、修改，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)、不同配置的真實(shí)器件的有效仿真設(shè)計(jì)。專業(yè)光學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件的引入，為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了高效的計(jì)算平臺(tái)。借助TracePro軟件模擬了pc-LEDs的白光產(chǎn)生過程，器件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、物理原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（結(jié)果）都能以圖形化的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前?；赥racePro軟件的光學(xué)仿真具有良好的可控性以及計(jì)算結(jié)果的直觀性等特點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)對(duì)色度學(xué)、光度學(xué)、白光LEDs器件工作原理和規(guī)律的理解和掌握，自行建立實(shí)體模型和設(shè)置光學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)出滿足不同照明特性要求的白光LEDs器件，并通過實(shí)驗(yàn)步驟的操作，加深對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)中相關(guān)內(nèi)容的理解，實(shí)現(xiàn)專業(yè)能力的鍛煉和提升。