COB結(jié)構(gòu)功率LED封裝取光效率的研究_圖文

1、coB結(jié)構(gòu)功率LE嘣裝J/x光效率的研究COB結(jié)構(gòu)功率LED封裝取光效率的研究寧俊李小紅柴儲芬劉學(xué)林廈門華聯(lián)電子有限公司 361008摘 要:本文根據(jù)COB封裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了COB封裝LED光源的光路及影響COB封裝取光效率的主要因素。針對關(guān)鍵的幾個要素,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過光學(xué)模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證探討了提高COB封裝功率LED取光效率的途徑。關(guān)鍵詞:C08、功率LED、封裝取光效率照明應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庠刺岢隽藬?shù)百、數(shù)千、 甚至上萬流明的光通量要求,這是單只功率 LED難以實(shí)現(xiàn)的。因此,功率LED的集成封裝 已成為適應(yīng)照明應(yīng)用的技術(shù)趨勢。功率LE D的 集成封裝主要有燈集成和芯片集成兩大類

2、。板 載芯片集成封裝(Ch i p一0nB0a1-d,縮寫為 COB源自于集成電路封裝技術(shù),近幾年來在 半導(dǎo)體LED光源中被廣泛應(yīng)用。COB封裝的LED結(jié)構(gòu)及制作過程是:先在印 刷電路板(PCB上直接制作反光杯,后將LED 芯片粘結(jié)在PCB板的反光杯底部,再通過鍵合 工藝將金屬引線連接LED芯片與PCB板的電極, 完成電氣連接,最后用有機(jī)封裝材料(如硅 膠覆蓋芯片和電極,形成封裝保護(hù)和初步的 光學(xué)結(jié)構(gòu)?！?】采用COB技術(shù)封裝的功率LED光源結(jié)構(gòu)簡 單,制造工藝容易實(shí)現(xiàn),初期開發(fā)費(fèi)用較低。 具有體積小、重量輕、易于進(jìn)行模組裝配等特 點(diǎn)。但是,COB封裝的功率LED的光學(xué)結(jié)構(gòu)往 往是平面結(jié)構(gòu),而

3、且功率LED芯片集中封裝在 很小的區(qū)域之中,因此,LED芯片發(fā)出的光面 臨著從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)必然要遇到的反射問 題和COB封裝LED小區(qū)域熱量集聚需要解決的散 熱問題。上述問題降低了COB封裝功率LED光 源的發(fā)光效率和封裝取光效率。COB封裝的LED 要獲得良好的光效,達(dá)到應(yīng)用到照明領(lǐng)域要 求,還有一些關(guān)鍵技術(shù)需要解決。本文通過對 COB封裝功率LED光學(xué)結(jié)構(gòu)及相關(guān)工藝分析,找 出影響COB封裝功率LED取光效率的(散熱影 響暫不在本文討論主要因素,探討提高C 0B 封裝功率LED光效的途徑。二,影響C 0B封裝功率L E D取光效 率的主要因素COB封裝功率LED的單元結(jié)構(gòu)如下:-95

4、-陶瓷、金幅線路板 圖1COB封裝功率LED單元結(jié)構(gòu)圖籌囂鞴登籌鬻蒜討會COB封裝功率LED的光學(xué)結(jié)構(gòu)包括反光杯、 L囂芯冀、熒光膠、硅膠以及透鏡幾部分。如 圖1所示。這幾個部分都能影響L E D的光效。 下砸我們運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)理論,結(jié)合試驗(yàn)對這些 影響COB封裝功率LED光效的因素進(jìn)幸亍具體分 析;1、芯片位置的影響芯片的位置不同就意味著發(fā)光區(qū)的位置不一 樣,這必然會影響剜整個光學(xué)設(shè)計(jì),我們制佟 了兩個芯片封裝位置不同的樣晶,如圖2所 一刁o R、樣晶I的芯片位溉h以及入射熊0, ,通 過三憊形的計(jì)算公式可求出焦度轟,再已知樣 品2的芯片移動H后,根據(jù)三角形計(jì)算公式即 可算出0。,當(dāng)H移動到一

5、定值后,把具體數(shù) 值代入褥剽0。 為42度。根據(jù)折射定律,光 線蓯光密介質(zhì)入射到光疏分質(zhì)時,警入射角達(dá) 到一定值,即大于等于臨界角時,會發(fā)生全發(fā) 射,我們試驗(yàn)用的硅膠折射率為I.53,它跟 空氣的|巍賽焦為4l度,也就意味蔫樣最l的光 線可以射出到空氣中麗樣品2的光線會被反射回 來,也就是說2號樣鼯會有更多的光線損失在1號樣品 2號樣品圖2LED芯片不同位最封裝結(jié)構(gòu)示意圖表l 不閼慈垮位置封裝的LED的試驗(yàn)溯試數(shù)據(jù):,注:所參與試驗(yàn)的樣品封裝前均經(jīng)過光功率、波長、正向電壓的測試挑選,挑 選參數(shù)相近的芯冀進(jìn)行封裝對比試驗(yàn)。以下試驗(yàn)的樣品同樣挑選過,不再一一 注明。 從表1的數(shù)據(jù)可以看到不同芯片位

6、置對出光效率的影響。我們具體分析一下光通量存在差 異的原因:如匿2所示,兩條光線麩l號囂2號芯片射出,能量和方向都一樣,假設(shè)樣潞l 出光點(diǎn)的位置為h,射出的光線到達(dá)硅膠與宅 氣的分界面時的入射角0。為35度,當(dāng)樣晶2的芯冀的位置鋏上移了玨時,我餐可以通過計(jì) 算得到樣品2的光線到達(dá)硅膠與空氣的分界面時 的入射角0.,如圖3所示,已知透鏡的半徑 硅膠中,光效會更低,分析結(jié)果與樣品的測試 數(shù)據(jù)橫吻合。(臨霧角計(jì)算公式0O=ar e s i魏 (n,/n,其中n,和n,為兩臨界_面的折射率 我們利用光學(xué)軟件建模仿真,模擬出來的 光強(qiáng)分布以及光通量結(jié)果如下:r2樣潞l酶模擬結(jié)采:光通量為84.48、半

7、值角約為135度,樣晶2的模擬結(jié)果:光通量為81.37、半OOB結(jié)構(gòu)功率tEV 取光效率的研究值角約為148度,仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果基 本一致。廠 、I 。、 f圖3e:計(jì)算簡圖芯片一,一硅膠 /。它進(jìn)入空氣時的入射角25.8度它才能射出到 晶體外面,但是在這個過程中大部分的光都已 經(jīng)損失掉了,只有很少的一部分能夠射出。因 此,為了提高LED產(chǎn)品封裝的取光效率,必須 提高n。的值,以提高芯片的反射臨界角,從而 提高芯片的發(fā)光效率。白光LED中直接與芯片 接觸的一般都是熒光膠(硅膠與熒光粉的混合 物,所以熒光膠的材料和形狀就成為影響光 效的一個重要因素。由于硅膠混熒光粉的情況 會比較復(fù)雜,我們

8、先分析芯片直接覆蓋硅膠的 情況(如圖4,/屬線路板硅膠點(diǎn)成圓弧曲面圖4硅膠的不同封裝形狀表2采用不同折射率的硅膠以及不同的封裝形狀得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù):樣品編號 硅膠形狀 光通量(1m 臨界角芯片一硅膠 臨界角辭股一宅氣 1平面 10.6738o 45。 l 圓弧曲面 12.2338。 45o 加B硅膠(n=.53后藍(lán)光數(shù)據(jù)樣品編號 硅膠形狀 光通量(1m 臨界角甚片一硅膠 臨界角矸膠.中氣 2平面 9.7642。 41o 2圓弧曲面 12.8342。 41o 注:樣品1、2都足硅膠先點(diǎn)成平面然后直接再點(diǎn)成圓弧曲面。2、熒光膠的形狀和材料的影響對于GaN芯片,其材料的折射率是2.3。根 據(jù)折射定律,

9、臨界角e o=frc sil"1(n。/13,由 此計(jì)算得到光線從芯片射出到空氣的臨界角00約為25.8度。能直接射出的光只有入射角 25.8度這個空間立體角內(nèi)的光,而大于這個角 度的光會在晶體內(nèi)部形成反射,直到某一時刻從表2的數(shù)據(jù)中,我們可以看到硅膠點(diǎn)成平 面時,使用低折射率硅膠的1號樣品反而比高折 射率的2號樣品的取光效率要好;而硅膠點(diǎn)成 圓弧曲面時,兩種硅膠的取光效率都有提高, 此時使用高折射率硅膠的樣品2才比樣品1的取 光效率要好。下面就對上列的情況進(jìn)行分析:硅膠點(diǎn)成平面的情況(如圖5,h硅膠中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會光電器件分會第十一屆全國LED產(chǎn)業(yè)與技術(shù)研討會圖5、壘鼓蘑曩的

10、折射率為1.41,那么芯片到硅膠的臨界角就 約為38度,光從硅膠進(jìn)入空氣的臨界角約為45度,也就是說能直接從硅膠射出到空氣中的光 只有入射角45度這個空間立體角內(nèi)的光。我 們在看一下B硅膠,它的折射率為1.53,那么 芯片到硅膠的臨界角就約為42度,要比A硅膠 的大,按理來說最后的光通量應(yīng)該會比加A硅 膠的要高,但實(shí)際數(shù)據(jù)卻更小,這是因?yàn)楣鈴?B硅膠進(jìn)入空氣的臨界角要比A硅膠的要小,它 的臨界角約為4l度。如圖5的示意圖,一光 線以42度的入射角從A硅膠射到空氣中,由于 臨界角為45度,所以它可以折射到空氣中(如 圖中的光線2,但如果換成B硅膠,它跟空 氣的臨界角為41度,那么同樣是上面那條光

11、線 就會被反射回來(如圖中的光線1,也就是 說會有更多的光線損失在硅膠中。所以從試驗(yàn) 數(shù)據(jù)中就可以看到點(diǎn)A硅膠的樣品的光通量會比 點(diǎn)B硅膠的光通量要高一點(diǎn)。硅膠點(diǎn)成圓弧曲面的情況(如圖6,一 光線以與芯片成40度角的方向進(jìn)入硅膠,如果瓷、金屬線路板 圖6是硅膠點(diǎn)成平面的情況,它和界面的入射角就 為50度,那么無論是A硅膠還是B硅膠的硅膠, 這條光線都會被反射回去。但如果是如圖6所 示的情況,硅膠的形狀點(diǎn)成圓弧曲面,那么當(dāng) 這條光線射到硅膠和空氣的分解面時,它與法 線的角度可能不到20度,也就是說入射角小于 20度,在這種情況下無論是A硅膠還是B硅膠, 這條光線都可以折射進(jìn)入空氣(如圖中的光線

12、l和光線2。也就是說有更多的光線可以從硅 膠中直接射出到空氣當(dāng)中,因此,從試驗(yàn)數(shù)據(jù) 中看到,在硅膠點(diǎn)成圓弧曲面的情況下,光通 量要明顯高于硅膠點(diǎn)成平面的情況。用光學(xué)軟件仿真模擬的結(jié)果:A硅膠點(diǎn)成平面的結(jié)果:光通量為10.29lm; A硅膠點(diǎn)成圓弧曲面的結(jié)果:光通量為11.211m:后者光通量大于前者與試驗(yàn)結(jié)果吻合。 B硅膠點(diǎn)成平面的結(jié)果:光通量為8.97lm, 比A硅膠要小:B硅膠點(diǎn)成圓弧曲面的結(jié)果:光通量為11. 651m,比A硅膠要大,均與試驗(yàn)結(jié)果吻合。表3使用上面兩種方式點(diǎn)熒光膠的情況:熒光膠:A膠+熒光粉樣品編號 熒光膠形狀 光通量(1m 色溫(K l 點(diǎn)成平面 37.665472 2

13、點(diǎn)成圓弧曲面 40.045238熒光膠:B膠十熒光粉cobi繕功率LEB封裝取光效率的研究從表3中的數(shù)據(jù)可以看到,用A硅膠配熒光 膠時,在點(diǎn)成圓弧曲面的情況下光通量要比點(diǎn) 成平面的情況下略高一些。再看用B硅膠配熒 光膠時,同樣在點(diǎn)成圓弧曲面的情況下光通量 要比點(diǎn)成平面的情況下高,效果明顯。這是因 為B硅膠的折射率比A高,它的取光效率就要 高,也就是說有更多的藍(lán)光可以進(jìn)入到熒光膠 中,對熒光粉的激發(fā)效率也就高,再加上硅膠 形狀為圓弧曲面,使得大部分激發(fā)出來的光都 能以小角度或者垂直射到界面,不會產(chǎn)生全反 射。因此樣品的發(fā)光效率就較高。其原理與上 3、出光面或者透鏡的形狀和尺寸以及硅膠的 選擇圖7

14、、圖8所示的為加上透鏡,并填充硅 膠后樣品的情況,圖7圓頭透鏡 圖8平頭透鏡表4選用不同硅膠時的測試數(shù)據(jù)如下熒光膠:A膠+熒光粉、圓頭透鏡樣品編號 熒光膠形狀 填充硅膠 光通量 色溫 1點(diǎn)成圓弧曲面 A 40.576110 2點(diǎn)成圓弧曲面 B 40.26265熒光膠:B膠+熒光粉、圓頭透鏡樣品編號 熒光膠形狀 填充硅膠 光通量 色溫 3點(diǎn)成圓弧曲面 A 47.265915 4點(diǎn)成圓弧曲面 B 46.3l 6013表5選用不同透鏡時的情況,測試數(shù)據(jù)如下:熒光膠:B膠+熒光粉、平頭透鏡樣品編號 熒光膠形狀 填充硅膠 光通最 色溫 5點(diǎn)成圓弧曲面 A 43.116314 6點(diǎn)成圓弧曲面 B 42.9

15、l 6283面所論述的直接覆蓋硅膠基本一致,不過熒光膠里含有熒光粉顆粒,用光學(xué)理論分析起來將會比較復(fù)雜,這里就不多作論述了。從表3中我們還可以看到在點(diǎn)成圓弧曲面的情況下色溫要比點(diǎn)成平面的情況下略低,這是因?yàn)闊晒饽z點(diǎn)成平面時全反射比較嚴(yán)重,有很大一部分黃光沒有直接射出。而在熒光膠點(diǎn)成圓弧曲面后更多的黃光可以從熒光膠中射出來,所以色溫會降低。4 膠根據(jù)表4、表5可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)果: (1在透鏡和熒光膠相同的情況下,用不同 的填充硅膠最后得到的光通量區(qū)別不大。(2用B膠混熒光粉封裝后的光通量要比A膠大。(3用圓頭透鏡封裝要比用平頭透鏡封裝光通 量大。結(jié)果分析如下:第一點(diǎn),由于配熒光膠和填充膠的折射

16、率 差別不大(1.53/I.41,即使光從大折射率的硅群篡茹囂鬻篇討會 膠進(jìn)入小折射率的硅膠，它們的臨界角為 總而言之，就是要使光線盡可能多的從封 裝材料射向空氣，最大限度的提高取光效率。 除此之外，散熱處理不好也會制約結(jié)構(gòu)功 率封裝取光效率的提高，封裝設(shè)計(jì)時要將 熱量管理放在重要位置。 度，大部分光還是可以直接射出的。從上面的 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到和，以及和的光通量 差別不大，所以說同樣熒光膠形狀的樣品用不 同的填充硅膠最后得到的光通量差別不大。 第二點(diǎn)，前面已經(jīng)介紹了用膠混的熒光膠 在點(diǎn)成圓弧曲面時光通量就較大，也就是有更 多的光線射到空氣中，再蓋上圓頭透鏡，取光 效率也不會減少，反而會增加，

17、因?yàn)閳A頭透鏡 有利于光線的射出。 第三點(diǎn)，由于透鏡變成了平頭面，從前面 的分析就可以知道這對光線的取出是不利的， 平頭透鏡比圓頭透鏡更容易發(fā)生全反射，也就 是說會有更多的光線損失在硅膠中。最后封裝 四結(jié)語 結(jié)構(gòu)的功率封裝技術(shù)在不斷進(jìn)步， 但要進(jìn)入通用照明領(lǐng)域，還有很多技術(shù)改進(jìn)工 作要做。本文通過對 封裝光學(xué)結(jié)構(gòu)及相關(guān) 工藝分析，探討了影響光效的主要因素及光學(xué) 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。良好的封裝設(shè)計(jì)，需要對 光學(xué)、熱學(xué)、材料和工藝等方面進(jìn)行深入的研 究，需要對光、電、熱、結(jié)構(gòu)等方面統(tǒng)籌考 慮。如何在功率封裝設(shè)計(jì)過程中把這些方 面有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而最大極限地提高封裝取光效 率，是封裝業(yè)界要研究的課題。相信只要 我們不懈的努力，采用新的材料，新的工藝， 新的思路，光源將在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域占 有重要的位置。 出來的光通量也是用平頭透鏡的要低。 用光學(xué)軟件仿真，結(jié)果如下： 圓頭透鏡不同硅膠時的情況：用硅膠封裝 的光通量為，而用硅膠封裝的 光通量為 ，兩者光通量差別不大， 與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。 相同硅膠，圓頭透鏡封裝的光通量為 ，平頭透鏡封裝的光通量為 。 參考文獻(xiàn)： 圓頭透鏡封裝的光通量要比平頭透鏡 李炳乾基于金屬線路板的新型大功 率及其光電特性研究光子學(xué)報， （）： 要高。模擬結(jié)果