LED一次光學設計課件

LED的一次光學設計LED的一次光學設計與二次光學設計概述引腳式LED的一次光學設計提高芯片發(fā)光強度與出光效率的方式LED的一次光學設計LED的一次光學設計與二次光學設計概述1LED的一次光學設計LED的一次光學設計與二次光學設計概述

1、一次光學設計

把LED芯片封裝成LED光電組件時，要先進行一次光學設計。故一次光學設計主要是針對芯片、支架、模粒這三要素的設計。

目的：提高出光效率、并解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分布、色溫的范圍與分布。LED的一次光學設計LED的一次光學設計與二次光學設計概述2LED的一次光學設計2、二次光學設計

二次光學設計是針對LED照明器具進行優(yōu)化設計，這是系統(tǒng)層面的設計。其目的是對整個系統(tǒng)的出光效果、光強、色溫分布進行設計。LED光源二次光學配光設計，對大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學設計技術，設計外加的反射杯與多重光學透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。二次光學設計模擬軟件有CodeV、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等，和機械建模軟件如：AutoCAD、Pro/E、UG、SOLIDWORKS等進行設計和光學仿真，不斷優(yōu)化而得到相應的光學透鏡。LED的一次光學設計2、二次光學設計3透鏡LED光學設計基本元件非球面反射鏡橢球面拋物面雙曲面折光板曲形折光板梯形折光板柱形折光板柱球形折光板一次光學設計芯片模粒支架折射式反射式折反射式背向反射式正向反射式光學設計結構圖透鏡LED光學設計基本元件非球面反射鏡橢球面拋物面雙曲面折光4LED的一次光學設計引腳式LED的一次光學設計模粒材料的種類LED透鏡的應用分類LED透鏡規(guī)格分類LED的一次光學設計引腳式LED的一次光學設計5LED的一次光學設計1、模粒材料的種類（1）硅膠透鏡

a.因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上。

b.一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm。（2）PMMA透鏡

a.光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗稱亞克力。

b.塑膠類材料，優(yōu)點：生產效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：溫度不能超過80°（熱變形溫度92度）。LED的一次光學設計1、模粒材料的種類6LED的一次光學設計（3）PC透鏡

a.光學級料Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯。

b.塑膠類材料，優(yōu)點：生產效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率稍低（3mm厚度時穿透率89%左右）；缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135度）。（4）玻璃透鏡光學玻璃材料，優(yōu)點：具有透光率高（97%）、耐溫高等特點；缺點：體積大質量重、形狀單一、易碎、批量生產不易實現、生產效率低、成本高等。不過目前此類生產設備的價格高昂，短期內很難普及。此外玻璃較PMMA、PC料易碎的缺點，還需要更多的研究與探索，以現在可以實現的改良工藝來說，只能通過鍍膜或鋼化處理來提升玻璃的不易碎特性。LED的一次光學設計（3）PC透鏡7LED的一次光學設計2、LED透鏡的應用分類

（1）一次透鏡

a.一次透鏡是直接封裝（或粘合）在LED芯片支架上，與LED成為一個整體。

b.LED芯片（chip）理論上發(fā)光是360度，但實際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180度（大于180°范圍也有少量余光），另外芯片還會有一些雜散光線，這樣通過一次透鏡就可以有效匯聚chip的所有光線并可得到如180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差別（一般的規(guī)律是：角度越大效率越高）。

c.一次透鏡一般用PMMA、PC、光學玻璃、硅膠等材料。LED的一次光學設計2、LED透鏡的應用分類8LED的一次光學設計（2）二次透鏡

a.二次透鏡與LED是兩個獨立的物體，但它們在應用時確密不可分。

b.二次透鏡的功能是將LED光源的發(fā)光角度再次匯聚光成5°至160°之間的任意想要的角度，光場的分布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形。c.二次透鏡材料一般用光學級PMMA或者PC；在特殊情況下可選擇玻璃。LED的一次光學設計（2）二次透鏡9LED的一次光學設計（3）透鏡的選擇及注意事項

a、LED透鏡作為光學級的產品，對透光性、熱穩(wěn)定性、密度、折射率均勻性、折射率穩(wěn)定性、吸水性、混濁度、最高長期工作溫度等都有嚴格的要求。因此，必須根據實際選擇透鏡的材料。原則上選擇光學級PMMA，如有特殊的需求可選擇光學級PC。目前為日本三菱PMMA材料為最好（VH001是經常選擇的牌號），三菱公司在中國的分廠南通麗陽就會稍遜一些；

b、必須配備萬級甚至更高級別的無塵車間，作業(yè)人員必須著防靜電服裝、戴手指套、戴口罩等防靜電防塵措施，并且定期對車間做檢驗與清理。

c、須有專業(yè)的光學注塑機如東芝、德馬格、海天、震雄等品牌的注塑機，并嚴格控制注塑工藝才能得到合格的產品。

d、產品檢驗：無氣泡、無凹陷、無縮痕、無流紋、無月牙；形狀精度Rt<0.005表面粗糙度Ra<0.0002。e、產品必須用防靜電防塵PVC包裝，并且須完全密封包裝，存放必須嚴格控制溫度與濕度，并且最好不要存放超過一年以上。LED的一次光學設計（3）透鏡的選擇及注意事項10LED的一次光學設計

透鏡封裝的光學系統(tǒng)具體分析為了提升出射光的比例，透鏡的外形或者環(huán)氧封裝的外形最好是拱形或半球形，這樣，光線從封裝材料射向空氣時，幾乎是垂直射到界面，入射角都會小于臨界角，因而減少產生全反射的幾率。如果對光強分布和出光角度有要求的話，那就要重新考慮，不同的透鏡形狀和封裝形狀會得到不同的結果。透鏡的光學分析：影響出光角度，一般說透鏡角度大出光角度大，透鏡角度小出光角度小。硅膠和透鏡的形狀：影響到封裝后的光強分布曲線以及出光量的多少LED的一次光學設計透鏡封裝的光學系統(tǒng)具體分析透鏡的光11軟件模擬與實際對比軟件模擬與實際對比12LED的一次光學設計3、LED反射杯規(guī)格分類（1）折射式特點：1、當LED光線經過透鏡時光線會發(fā)生折射而聚光，而且當調整透鏡與LED之間的距離時角度也會變化（角度與距離成反比），經過光學設計的透鏡光斑將會非常均勻，但由于透鏡直徑和透鏡模式的限制，LED的光利用率不高及光斑邊緣有比較明顯的黃邊；2、聚光面包含的立體角有限，約70%-80%的白光從側面泄露，發(fā)光效率低。3、提高出光率方法：增加反光杯面積，收集側面光線。4、聚光方法：增加透鏡曲率。5、一般應用在大角度（50°以上）的聚光，如臺燈、吧燈等室內照明燈具。

LED的一次光學設計3、LED反射杯規(guī)格分類特點：13LED的一次光學設計（2）反射式背向反射正向反射反射面為一鍍有反射膜的拋物面，管芯位于拋物面焦點。優(yōu)點：集光效率高，可以達到80%以上。缺點：芯片對光線有遮擋。要求芯片的縱橫比小，橫向尺寸：縱向尺寸>4正向反射式使用的是拋物面?zhèn)让鎱^(qū)域。優(yōu)點：工藝簡單，縱橫比適中。光束發(fā)散小，集光效80%以上，光線無遮擋。LED的一次光學設計（2）反射式背向反射正向反射反射面為14LED的一次光學設計（3）折反射式透鏡的設計在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側光全部收集并反射出去，而這兩種光線的重疊（角度相同）就可得到最完善的光線利用與漂亮的光斑效果比折反式集光提高兩倍這種透鏡集光效率高，對環(huán)氧樹脂透鏡的要求也高。

LED的一次光學設計（3）折反射式透鏡的設計在正前方用15LED的一次光學設計提高芯片發(fā)光強度與出光效率的方式1、表面粗化工藝將組件的內部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在組件內部的全反射，提升組件的光萃取率。1)表面平整時，大于臨界角的光線反射進內部有，會遇到雜質產生散射出光，但光程變化衰減很大。2)直接將表面打毛:損傷發(fā)光層,損傷透明電極.MQWW金屬反射層W襯底WWLED的一次光學設計提高芯片發(fā)光強度與出光效率的方式1、表16一般采用直接刻觸成型的方法粗化方法基本上是在組件的幾何形狀上形成規(guī)則的凹凸形狀，而這種規(guī)則分布的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在組件內設置凹凸形狀，另一種方式是在組件上方制作規(guī)則的凹凸形狀，并在組件背面設置反射層。目前若使用波長為400nm的紫外組件，可獲得35%外部量子效率，取出效率為60%，

表面粗化工藝是現在使用最方泛的方法。粗化的原理是增加發(fā)光面積。該方法適用于黃，綠，普紅，普黃。等GaPa基材的外延片，另外紅外LED也可采用該方法。這種方法一般可以提高30%。

一般采用直接刻觸成型的方法粗化方法基本上是在組件的172、使用ITO芯片，ITO（氧化銦錫）ITO是一種透明的幾型半導體薄膜1）Eg:3.5~4.3eV2）良好的導電性ρ=1.10×10-3Ω.cm3）可見光區(qū)透過率高80%4）化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性良好可使電極部分的光不被完全遮檔。2、使用ITO芯片，ITO（氧化銦錫）18LED的一次光學設計（3）透明襯底技術通常LED的襯底用GaAs材料，但GaAs是一種吸光材料，LED發(fā)出的光會被它吸收，降低出光效率。為此，在外延成PN結后，用腐蝕的方法GaAs襯底去除，然后在高溫條件下將能透光的GaP粘貼上去做襯底，使PN結射出光通過金屬底板反射出去，提高出光效率。這種方法在制作InGaAlP四元芯片時，在去除GaAs襯底后先用粘貼方法制作一層金屬鏡面反光層，然后再粘貼基板，這樣使射向襯底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。LED的一次光學設計（3）透明襯底技術19芯片黏貼之示意圖OsramOptoSemiconductors在2003年2月也發(fā)表了新的研究成果－ThinGaN，如圖2-5，可將藍光LED取光效率提升至75%，比起傳統(tǒng)提升了3倍。

芯片黏貼之示意圖OsramOptoSemiconduc20LED的一次光學設計襯底NMQWP4、改變芯片的幾何外形作用：1）、使內部反射的光從側壁的內部表面，再次傳播到上表面，以小于臨界角的角度出射，使大于臨界角的光重新從側面出射。2）、同時減少內部傳播路徑，減少吸收HP與Lumileds公司產品外部量子效率則大幅提升至55%，發(fā)光效率高達100lm/w，是第一個達到此目標的發(fā)光二極管。

LED的一次光學設計襯底NMQWP4、改變芯片的幾何外形H21LED一次光學設計ppt課件22LED一次光學設計ppt課件23LED的一次光學設計

5、芯片倒裝（Flip-chip）技術

藍光LED通常采用Al2O3用襯底硬度高、熱導率和電導率低，如果采用正裝結構，一方向會帶來防靜電的問題，另一方面，在大電流情況下散熱也會成為最主要的問題。同時由于正面電極朝上，會遮掉一部分光，發(fā)光