LED 光学效率【ＬＥＤ封装结构的光学模拟与设计】

　　摘要：总结用CAD软件对LED封装结构进行模拟的一般步骤，建立实际LED封装产品的模型并模拟其光学特性，通过实例提供了一些设计经验。 　　关键词：LED封装结构；光学模拟
　　
　　1介绍
　　
　　计算机辅助设计(CAD)正大量地渗入到工程和产品设计中，为降低成本、提高效率发挥着重要的作用。新兴的半导体照明产业，亦应分享科技进步带来的实惠。传统的光学设计方法中，繁杂的计算及精密的实验、调试使做出理想的产品变得相当困难；陆续涌现的光学设计辅助软件，为工程设计人员减轻劳动、缩短设计周期和提高设计质量提供了有效的支持。
　　可做光学设计的CAD软件有诸如CODE V、OSLO、ZEMAX、TRACEPRO及ASAP等，本文就LED封装中的光学设计，采用TRACEPRO作为辅助设计软件，对现有产品进行光学模拟，并用于新产品的光学设计。
　　
　　2模拟步骤
　　
　　2.1绘制3D结构图
　　使用Solidworks、Pro/E等软件，根据被模拟LED封装产品的结构尺寸，精确画好并导入TRACEPRO中。或使用软件自带的绘图功能，绘制结构简单的图形。一般而言，支架、晶片、透镜分开成单体以便于设置属性及调整相对位置。晶片可以是简化的模型，可用一个长方体替代。需要注意的是，各个单体间的相对位置比较重要，应尽量与实际的一致。
　　
　　2.2设置属性
　　需要设置属性的有：碗杯（如果是平台也需设置）的表面属性，通常表面设置为mirror或根据实际自行定义；晶片的发光属性，包括Flux、光线追迹数量和发光的角度分布等；透镜（或填充胶）的材料属性，主要是折射率和透光率。若这些属性能够贴近现实中物料的属性，则对一般的LED封装设计而言，这些属性已经能够模拟得比较准确了。
　　
　　2.3光线追迹及结果分析
　　在远场处设置、选择一平面去观察光学模型的Far field pattern，包括发光强度分布（Candela图）及出光效率等数值。
　　
　　３LED封装产品的光学模拟实例
　　
　　在LED封装产品的光学模拟中，绘制精密尺寸的3D图、获取并设定准确的属性是取得良好模拟效果的保证。
　　
　　3.1雷曼某大功率LED的模拟
　　雷曼某款大功率LED结构如图1所示，其蓝光灯仔的发光角度为120°。
　　(1)根据其尺寸、结构，分别绘制晶片、支架碗杯、胶体（填充碗杯，一般情况下为平杯），并设定了0.02mm的底胶高度（即长方体底面与支架碗杯底的距离），见图2。
　　
　　(2)设定属性：碗杯表面均设定为70％吸收的Table类型表面属性，胶体部分折射率1.54、透光率95％，晶片发光表面为Flux（Absorptance）及140°的发光角度。
　　(3)发光角度模拟结果：在距离灯仔正面300mm远处设一测试面，观察Candela分布图（见图3），可以测算得到其2θ1/2发光角度约为120°，与雷曼实测的发光角度是比较一致的。
　　(4)探讨：若对材料的性质不了解，改变诸如碗杯的表面属性、填充胶的折射率、晶片的发光面属性都会对模拟结果产生影响。见图4，这是改变晶片表面发光属性（发光角度变为120°）后所得到的矩形Candela图，模拟出来的发光角度约110°，已有较大的失真。
　　
　　3.2某公司大功率LED的发光角度模拟
　　对不清楚材料属性的LED封装产品，我们也可以尝试做光学模拟。图5、图6是台湾某公司生产的大功率LED之结构及其矩形Candela 图。
　　绘制其结构见图7，假定透镜、填充胶的折射率都是1.55，碗杯的表面为100％反光，晶片发光角度140度，所得的Candela图如图8，可知发光角度约40°，这与其规格标定的45°仍有差距。
　　造成这种差距的原因有：透镜的尺寸无法精确绘制（与实际有差别），另外折射率的不确定也影响了模拟结果的准确性。改变透镜和填充胶的折射率，发现两者的折射率是1.50时所得到的发光角度约为44°，见图9。
　　以上两个实例说明，要取得预期的模拟效果，准确的材料属性、表面属性是很重要的。如TRACEPRO里的Lambertian发光角度属性一般被作为默认的晶片表面发光属性，其发光角度为120°，一些晶片的实际发光角度可能与此有差异，故经实际测量再设定晶片的表面发光属性是必要的。
　　
　　4设计应用
　　
　　LED封装的光学模拟中，晶片、支架碗杯、透镜（或填充胶体）为三大要素。就封装设计而言，晶片特性宜保持不变，改变碗杯结构、透镜结构及属性，通过模拟可以寻得所需的设计结果。以下取雷曼大功率LED为样本，通过改变碗杯结构、透镜形状来模拟寻求最佳的出光效率，并设计发光角度为60°的封装产品。
　　
　　４.１出光效率
　　（1） 改变支架碗杯内壁（反射锥母线）的形状
　　a.直线（即碗杯为圆锥台模子的形状）
　　见图10，为了更直接地得到模拟的效果，对碗杯底部及侧面均设置了100％的反光效果，且不做胶体填充处理。模拟所得的Candela图见图11，其发光角度约130°，效率为87.95％。
　　b.圆弧向里
　　见图12，属性设置同上。模拟所得的Candela图见图13，其发光角度约40°，效率为100％。
　　c.圆弧向外
　　见图14，也采用上述属性设置。模拟所得的Candela图见图15，其发光角度约130°，效率为88.35％。
　　 以上三者对比可得，圆弧向里的设计结果最为理想，光的取出最为有效。当然，需要再配合填充胶及其胶量、碗杯的深度等调整弧度，才能得到最为理想的出光效率。
　　（2）改变填充胶的胶量（胶体在碗口处的高低变化）
　　在实际的封装中，受物料一致性、制程稳定性等影响，未能确保填充胶的胶量在碗杯口处显得一致，即胶体或有凹入或有凸起情形。通过模拟，可以大致了解到相关参数的变化，为工程制定标准胶量提供依据。
　　
　　a.凸起
　　如图16所示，设定凸起是高度为0.1mm的球缺，模拟可得发光角度及出光效率分别为122°、39.53％（见图17）。
　　b.凹入
　　如图18所示，设定凹入是深度为0.15mm的球缺，模拟可得发光角度及出光效率分别为110°、36.28％（见图19）。
　　C．与碗杯口齐平
　　如图20所示，使胶体表面与碗杯口齐平，模拟可得发光角度及出光效率分别为116°、36.15％（见图21）。
　　比较三种情形，可知凸起的胶体对出光效率更为有利，发光角度的大小与填充胶体的高低（多少）的光系是正相关的。从应用光学理论的角度可以对此做简略的解释：光从光密介质射入光疏介质时会在一定的入射角条件下发生全反射现象；就本例而言，胶体与碗杯口齐平或凹入，其发生全反射的表面积都比胶体凸起的大，因此对出光效率更为不利。
　　
　　4.2发光强度分布
　　在实际的产品应用中，对LED封装产品的发光角度有特定的要求。以下为在不改变现有支架结构的情况下，对雷曼大功率LED进行60°发光角度产品的设计：
　　改变凸起透镜的形状，逐一模拟，可最终寻得合适的设计。图22中a、b、c透镜分别为不同形状的凸起透镜结构示意图，对应的Candela图分别如图23、图24和图25所示。
　　对比三者的模拟结果（见表1），可知出光效率并没有明显的区别。c类型的透镜所得的发光角度约为60°，符合本次光学设计要求。
　　
　　
　　5结语
　　
　　面对日益细分化的客户需求，通过CAD软件对LED封装设计进行模拟，这是工程设计工作非常有益的补充。能否准确模拟光学效果，从而提高设计质量和效率、减少新产品开发成本，是工程设计人员最为关注的，这需要对物料属性及软件特性不断地深入了解，在实践中积累经验。本文提供了一些用简化模型模拟LED封装结构的操作思路和经验，欢迎同行交流、指导。