大功率封装结构仿真设计

　第24 卷第1 期　　　　　　佛山科学技术学院学报 (自然科学版)　 V o l. 24 N o. 1 　2006 年1 月　 Jou rna l of Fo shan U n iversity (N atu ra l Science Edit ion) Jan. 2006 文章编号: 100820171 (2006) 0120029203 大功率L ED 封装结构的仿真 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 陈波1, 余彬海2 (1. 武汉理工大学 机电工程学院, 湖北 武汉 430070; 2. 广东佛山国星光电科技有限公司, 广东 佛山 528000) 摘要: 设计针对大功率L ED 的光学结构进行分析, 建立大功率L ED 的光学仿真模型, 模拟L ED 光强分布曲线, 对实测数据和仿真结果进行了比较, 重点说明L ED 封装结构设计方法和思路, 最后总结了仿真设计的意义。 关键词: 大功率L ED; 光学模型; 仿真 中图分类号: TN 29　　　　文献标识码: A 随着半导体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和封装工艺的提高, L ED 的光通量和出光效率逐渐提高, 从而使固体光源成为可 能, 已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域, 并且逐渐向普通照明领域过渡, 被公认为 有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。 不同应用领域对L ED 光源提出更高要求, 除了对L ED 出光效率、光色有不同的要求, 而且对出光角 度、光强分布有不同的要求。这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料, 提高芯片制作工艺, 设计出满足 要求的芯片, 而且对下游封装厂提出更高要求, 设计出满足一定光强分布的封装结构, 提高L ED 外部的 光利用率。 1　大功率L ED 光学特征 1. 1　L ED 光输出表示 　　L ED 光输出一般用辐射度学的光通量、光强表示。光通量用于 描述L ED 向外辐射能量的大小, 总光通量表示L ED 向各个方向辐射 光通量的总和, 一般用符号表示5 v。 光强用于描述L ED 发出的光沿空间各方向的分布, 用单位立体 角度内光通量来计算, 一般用符号 I v 表示, 单位坎德垃。立体角Ξ表 示为被照射面积与半径平方的比值, 即Ξ= A öR 2。为更形象说明两者 的关系, 假设一L ED 光源位于球心, 如图1 所示。取一个很小的立体 角Ξ, 对应照射面积为A , 光通量为 5 1, 则该方向光强为: I v = 5 1öΞ=5 1·R 2öA 。 图 1　光通量与光强示意图 1. 2　大功率L ED 配光曲线 　　L ED 配光曲线用于描述光强在空间的分布, 是将光强看成发光角度的分布函数得到的曲线。一般 L ED 出光沿光轴对称, 所以配光曲线可以简单的用相对光强沿空间角度二次函数来绘制。常用来描述 光强分布参量有半角值Η1ö2, 表示对应峰值光强一半时候的角度值, 如图2 所示。另外一个描述光强分布 的参数Ηv0. 9, 表示总光通量90% 对应的角度, 如图3 所示。 收稿日期: 2005211224 作者简介: 陈波 (19822) , 男, 湖北天门人。武汉理工大学硕士研究生。 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2　配光曲线与半角值示意图 图 3　大功率管结构示意图 2　大功率L ED 的光学模型 2. 1　L ED 光学结构分析 　　功率L ED 主要包括几个部分,L ED 发光芯片、反光杯、连 接正负极分金线、粘合剂、环氧树脂等。如图4 所示。 2. 2　光学模型的抽象与建立 从L ED 芯片出来的光, 要经过多层反射和折射, 从透镜 表面射出, 其光学模型比较复杂。影响反光二极管出光因素很 多, 忽略掉次要因素, 单个发光二极管的发光强度分布主要取 决于以下三个方面[ 2 ]: (1)L ED 芯片的大小和位置; (2) 支架 反射碗的形状和尺寸; (3)透镜的形状和尺寸。 图 4　角度与对应总光通量比值示意图 　　在建立L ED 光学模型时, 做出几点假设 (1) 光从芯片随机出射, 满足L am bert ian 分布; (2)考虑光线反射与折射的时候, 主要集中在芯 片与反射碗, 反射碗与树脂, 树脂与空气接触 面, 其它不予考虑; (3)分析光的传输的时候, 除 去光子的吸收、再循环、以及电性、温度的影 响[ 4 ]; (4)反射碗当成理想的全反射; (5) 环氧中 加入散射剂时当成体积散射处理。 　　基于以上抽象和假设, 根据大功率L ED 的 图 5　实测相对光强角度分布图 尺寸, 在光学仿真软件 t racep ro 中建立L ED 光学模型, 设置好各项属性, 仿真其出光效果图。 2. 3　样品仿真效果和实际测量效果的比较 对本公司生产的某种大功率管, 在L ED 光谱ö角度分布分析仪测量其光强分布图, 其相对光强角度 分布图如下。根据上述分析, 在 t racep ro 中建立好L ED 光学模型, 仿真其光强角度分布。 比较仿真结果和实际测量结果, 取10°, 20°, 30°处实测光强和仿真值的比较, 实测光强值占峰值的比 例分别是96% , 71% , 50% , 仿真结果光强相对峰值的比例分别为 96. 2% , 74. 4% , 51. 3% ; 因此, 仿真配 光曲线在一定误差范围内很好反映出光强分布走势, 对实际的封装设计有很好的指导意义。 3　封装结构设计方法 从以上分析, L ED 复杂的光学特性可以用简单的仿真模型模拟, 这对于根据用户要求的光强分布 设计L ED 封装结构提供一种有效的方法。 　　一般我们用L ED 都是沿光轴旋转对称的光强分布, 但是在实际的交通、照明领域, 有很多要求沿一 个方向光强分布角度范围大, 另一个角度小的特殊光强分布, 如图7 所示。例如这种L ED 能满足汽车照 明领域内沿水平方向角度分布广, 垂直上下方向角度小的特殊要求。如何调整芯片, 支架反射碗, 透镜的 大小及它们之间相对位置, 设计出满足用户要求的封装结构。一般对称芯片沿两个方向满足L am ber2 03 佛山科学技术学院学报 (自然科学版)　　　　　　　　　　　第24 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 6　仿真绝对光强值角度分布图 图 7　不对称光强分布图 t ian 分布, 其光强与相对与中心光轴角度的余弦成正比, 如果我们调整芯片的形状, 用菱形或者椭圆形 的芯片, 其出光将近似满足出光要求, 再芯片与反射碗的相对位置, 用不同的反射碗形状和透镜形状, 结 合几何光学的知识, 优化组合几种结构, 就很容易设计出满足用户要求的配光曲线的结构。 4　小结 　　试验证明: 在光学仿真软件中, 用简化的模型代替复杂的L ED 出光, 跟实际L ED 光强分布在一定误 差范围内很好的吻合, 比较真实反映出L ED 光强分布; 对优化L ED 封装结构, 设计出满足用户要求配光 曲线的封装结构, 预测光强分布提供了一种有效的简单方法。 图 8　封装结构设计思路 参考文献: [ 1 ]　王乐, 鲍超. 一种小型L ED 照明工具的设计方法研究[J ]. 光学仪器, 2005, 20 (1) : 23225. [2 ]　颜峻, 王素彬, 于映. 用蒙特卡罗法模拟L ED 光源光分布[J ]. 福州大学学报, 2003, 31 (4) : 1082110. [ 3 ]　吕正, 赵志丹, 王淘. 从L ED 的配光曲线谈起. 海峡两岸第十一届照明科技与营销研讨会专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 报告文集[C ]. 广东 [出版者不祥 ], 2004. [4 ]　林昭颖. 发光二极管导光机构之研究[D ]. 台北: 台湾国立中央大学光电科学研究所硕士论文, 2000: 52260. Sim ula t ion and design of h igh-power L ED’s package structure CH EN Bo 1, YU B in2hai2 (1. W uhan U niversity of T echno lgy, W uhan 430070, Ch ina; 2. Fo shan N ationstar Op toelectron ics Co. L td, Fo shan 528000, Ch ina) Abstract: In th is art icle, w e have analysed the op t ica l st ructu re of H igh2pow er L ED , developed the L ED ’s op t ica l package structu re sim u la t ion m odel, ob ta ined the L ED ’s ligh t d ist ribu t ion cu rve , cam pared the m odel’s sim u la t ion resu lts and the experim en ta l m easu rem en t resu lts, em phasized the m ethod and idea of the sim u la t ion design, and summ arized the pu rpo se of th is m ethod in the end. Key words: h igh2pow er L ED; op t ica l m odel; sim u la t ion 13第1 期　　　　　　　　　　陈波等: 大功率L ED 封装结构的仿真设计 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net