1、LED的封装、检测与应用,LED的一次光学设计,LED的一次光学设计,LED的一次光学设计与二次光学设计概述 引脚式LED的一次光学设计 提高芯片发光强度与出光效率的方式,LED的一次光学设计,LED的一次光学设计与二次光学设计概述 1、一次光学设计 把LED 芯片封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计。故一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。 目的：提高出光效率、并解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。,LED的一次光学设计,色温 光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下的颜色相同时，“黑体”的温度就称为色温，单位开尔文K。色温是白光L
2、ED的特有参数。 色温表征：色温越高，说明光源光谱中蓝色成分多，红色成分少；反之，则光源光谱中蓝色成分少，红色成分多。,LED的一次光学设计,2、二次光学设计 二次光学设计是针对LED照明器具进行优化设计，这是系统层面的设计。其目的是对整个系统的出光效果、光强、色温分布进行设计。LED光源二次光学配光设计，对大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。 二次光学设计模拟软件有Code V、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：Auto CAD、Pro/E、UG、SO
3、LIDWORKS等进行设计和光学仿真，不断优化而得到相应的光学透镜。,光学设计结构图,LED的一次光学设计,引脚式LED的一次光学设计 模粒材料的种类 LED透镜的应用分类 LED透镜规格分类,LED的一次光学设计,1、模粒材料的种类（1） 硅胶透镜 a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。 b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。（2）PMMA透镜 a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。 b .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80（热变形温度92度）。,L
4、ED的一次光学设计,（3）PC透镜 a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。 b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110（热变形温度135度）。 （4）玻璃透镜 光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。,LED
5、的一次光学设计,2、 LED透镜的应用分类 （1）一次透镜 a. 一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。 b. LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如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别（一般的规律是：角度越大效率越高）。 c. 一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。,LED的一次
6、光学设计,（2）二次透镜 a. 二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。 b. 二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5至160之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。 c. 二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC；在特殊情况下可选择玻璃。,LED的一次光学设计,（3）透镜的选择及注意事项 a、 LED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMA，如有特殊的需求可选择光学级PC。目前为日本三菱PMM
7、A材料为最好（VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊一些； b、 必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理。 c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。 d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度 Rt0.005 表面粗糙度 Ra4,正向反射式使用的是抛物面侧面区域。优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效80%以上，光线无遮挡。,LED的一次光学设计,（3） 折反射式,透镜的设计在正前方用穿透式聚
8、光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高。,LED的一次光学设计,提高芯片发光强度与出光效率的方式1、表面粗化工艺 现在使用最方泛的方法是进行表面粗化工艺。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高30%。,由于GaN的折射系数1=2.3，与空气折射系数1=1相差较大，其余反射临界角仅为25，使大部分光不能逸出到空气中去，出光效率较低。为此，通过改变GaN与空气的介面的几何形状，使全反射
9、临界角增大，提高出光效率，这就是通过芯片表面粗化的方法来实现。,LED的一次光学设计,2、覆盖增透膜,NIsin1=N2sin2 C=arcsinN2/ N1,当1=C时光线全部被反射向晶体内部，如果在LED晶体与空气之间镀一层中等折射率的介质层可增大临界角C。比如GaP的N1=3.3如果还没有介质层则临界角C=17.7度。覆盖一层N2=1.66的介质层后C可能增大到了30.3度，光强可提高为2.5倍。,LED的一次光学设计,（3）透明衬底技术 通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除
10、，然后在高温条件下将能透光的GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。 这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。,LED的一次光学设计,（4）芯片倒梯形结构 CREE公司有一款芯片采用倒梯形结构后也提高了光强。由于这种结构的芯片其边缘部分的全反射临界角增大，光子逸出率提高，并能从碗腔射出，提高光强和出光效率。,LED的一次光学设计,（5）Flip-chip技术 蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于正面电极朝上，会遮掉一部分光，发光效率会降低。大功率蓝光LED通过芯片倒装技术（FLIP CHIP）可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。,
