COB结构功率LED封装取光效率的研究要点.docx

COB结构功率LED封装取光效率的研究要点.docx

《COB结构功率LED封装取光效率的研究要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《COB结构功率LED封装取光效率的研究要点.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

COB结构功率LED封装取光效率的研究要点

coB结构功率LE嘣装J/x光效率的研究

COB结构功率LED封装取光效率的研究

宁俊李小红柴储芬刘学林

厦门华联电子有限公司361008

摘要:

本文根据COB封装的结构特点,分析了COB封装LED光源的光路及影响COB

封装取光效率的主要因素。

针对关键的几个要素,进行了结构光学优化设计,并通

过光学模拟和试验验证探讨了提高COB封装功率LED取光效率的途径。

关键词:

C08、功率LED、封装取光效率

一.引言

照明应用领域对光源提出了数百、数千、甚至上万流明的光通量要求,这是单只功率LED难以实现的。

因此,功率LED的集成封装已成为适应照明应用的技术趋势。

功率LED的集成封装主要有灯集成和芯片集成两大类。

板载芯片集成封装（Chip一0n—B0a1-d,缩写为COB源自于集成电路封装技术,近几年来在半导体LED光源中被广泛应用。

COB封装的LED结构及制作过程是:

先在印刷电路板（PCB上直接制作反光杯,后将LED芯片粘结在PCB板的反光杯底部,再通过键合工艺将金属引线连接LED芯片与PCB板的电极,完成电气连接,最后用有机封装材料（如硅胶覆盖芯片和电极,形成封装保护和初步的光学结构。

【1】

采用COB技术封装的功率LED光源结构简单,制造工艺容易实现,初期开发费用较低。

具有体积小、重量轻、易于进行模组装配等特点。

但是,COB封装的功率LED的光学结构往往是平面结构,而且功率LED芯片集中封装在很小的区域之中,因此,LED芯片发出的光面临着从光密介质到光疏介质必然要遇到的反射问题和COB封装LED小区域热量集聚需要解决的散热问题。

上述问题降低了COB封装功率LED光源的发光效率和封装取光效率。

COB封装的LED要获得良好的光效,达到应用到照明领域要求,还有一些关键技术需要解决。

本文通过对COB封装功率LED光学结构及相关工艺分析,找出影响COB封装功率LED取光效率的（散热影响暂不在本文讨论主要因素,探讨提高C0B封装功率LED光效的途径。

二,影响C0B封装功率LED取光效率的主要因素

COB封装功率LED的单元结构如下:

-95-

~陶瓷、金幅线路板图1COB封装功率LED单元结构图

@筹嚣鞴登筹鬻蒜讨会

COB封装功率LED的光学结构包括反光杯、L嚣》芯冀、荧光胶、硅胶以及透镜几部分。

如图1所示。

这几个部分都能影响LED的光效。

下砸我们运用光学设计理论,结合试验对这些影响COB封装功率LED光效的因素进幸亍具体分析;

1、芯片位置的影响

芯片的位置不同就意味着发光区的位置不一样,这必然会影响剜整个光学设计,我们制佟了两个芯片封装位置不同的样晶,如图2所一

刁≮oR、样晶I的芯片位溉h以及入射熊0,,通过三惫形的计算公式可求出焦度轰,再已知样品2的芯片移动H后,根据三角形计算公式即可算出0。

当H移动到一定值后,把具体数值代入褥剽0。

为42度。

根据折射定律,光线苁光密介质入射到光疏分质时,警入射角达到一定值,即大于等于临界角时,会发生全发射,我们试验用的硅胶折射率为I.53,它跟空气的|巍赛焦为4l度,也就意味蔫样最l的光线可以射出到空气中丽样品2的光线会被反射回来,也就是说2号样鼯会有更多的光线损失在

1号样品2号样品

图2LED芯片不同位最封装结构示意图

表l不阏慈垮位置封装的LED的试验溯试数据:

样品珏编号光通量（1m色温（K光功率（mW半值角（度l84.66527277.5136.5

28王。

26816270。

i145.6

注:

所参与试验的样品封装前均经过光功率、波长、正向电压的测试挑选,挑选参数相近的芯冀进行封装对比试验。

以下试验的样品同样挑选过,不再一一注明。

‘‘

从表1的数据可以看到不同芯片位置对出光

效率的影响。

我们具体分析一下光通量存在差异的原因:

如匿2所示,两条光线麸l号嚣2号芯片射出,能量和方向都一样,假设样潞l出光点的位置为h,射出的光线到达硅胶与宅气的分界面时的入射角0。

为35度,当样晶2的芯冀的位置铗上移了珏时,我餐可以通过计算得到样品2的光线到达硅胶与空气的分界面时的入射角0.,如图3所示,已知透镜的半径硅胶中,光效会更低,分析结果与样品的测试数据横吻合。

（临雾角计算公式0O=aresi魏（n,/n,其中n,和n,为两临界_面的折射率我们利用光学软件建模仿真,模拟出来的光强分布以及光通量结果如下:

r2]

样潞l酶模拟结采:

光通量为84.48、半值角约为135度,

样晶2的模拟结果:

光通量为81.37、半

OOB结构功率tEV取光效率的研究

值角约为148度,仿真结果与试验测试结果基本一致。

厂、、、

I。

、◆f

图3e:

计算简图

芯片一\,一硅胶\/。

它进入空气时的入射角≤25.8度它才能射出到晶体外面,但是在这个过程中大部分的光都已经损失掉了,只有很少的一部分能够射出。

因此,为了提高LED产品封装的取光效率,必须提高n。

的值,以提高芯片的反射临界角,从而提高芯片的发光效率。

白光LED中直接与芯片接触的一般都是荧光胶（硅胶与荧光粉的混合物,所以荧光胶的材料和形状就成为影响光效的一个重要因素。

[。

]由于硅胶混荧光粉的情况会比较复杂,我们先分析芯片直接覆盖硅胶的情况（如图4,

/

/

’

/

/属线路板

硅胶点成圆弧曲面

图4硅胶的不同封装形状

表2采用不同折射率的硅胶以及不同的封装形状得出的试验数据:

加A硅胶（n=1.41后蓝光数据

样品编号硅胶形状光通量（1m临界角芯片一硅胶临界角辞股一宅气1平面10.6738o45。

l圆弧曲面12.2338。

45o加B硅胶（n=]..53后蓝光数据

样品编号硅胶形状光通量（1m临界角甚片一硅胶临界角矸胶.中气2平面9.7642。

41o2圆弧曲面12.8342。

41o注:

样品1、2都足硅胶先点成平面然后直接再点成圆弧曲面。

2、荧光胶的形状和材料的影响

对于GaN芯片,其材料的折射率是2.3。

根据折射定律,临界角eo=frcsil"1（n。

/13,由此计算得到光线从芯片射出到空气的临界角00约为25.8度。

能直接射出的光只有入射角≤25.8度这个空间立体角内的光,而大于这个角度的光会在晶体内部形成反射,直到某一时刻

从表2的数据中,我们可以看到硅胶点成平面时,使用低折射率硅胶的1号样品反而比高折射率的2号样品的取光效率要好;而硅胶点成圆弧曲面时,两种硅胶的取光效率都有提高,此时使用高折射率硅胶的样品2才比样品1的取光效率要好。

下面就对上列的情况进行分析:

硅胶点成平面的情况（如图5,h硅胶

中国光学光电子行业协会光电器件分会

第十一届全国LED产业与技术研讨会

图5

、垒■鼓蘑曩

的折射率为1.41,那么芯片到硅胶的临界角就约为38度,光从硅胶进入空气的临界角约为45度,也就是说能直接从硅胶射出到空气中的光只有入射角≤45度这个空间立体角内的光。

我们在看一下B硅胶,它的折射率为1.53,那么芯片到硅胶的临界角就约为42度,要比A硅胶的大,按理来说最后的光通量应该会比加A硅胶的要高,但实际数据却更小,这是因为光从B硅胶进入空气的临界角要比A硅胶的要小,它的临界角约为4l度。

如图5的示意图,一光线以42度的入射角从A硅胶射到空气中,由于临界角为45度,所以它可以折射到空气中（如图中的光线2,但如果换成B硅胶,它跟空气的临界角为41度,那么同样是上面那条光线就会被反射回来（如图中的光线1,也就是说会有更多的光线损失在硅胶中。

所以从试验数据中就可以看到点A硅胶的样品的光通量会比点B硅胶的光通量要高一点。

硅胶点成圆弧曲面的情况（如图6,一光线以与芯片成40度角的方向进入硅胶,如果

瓷、金属线路板图6

是硅胶点成平面的情况,它和界面的入射角就为50度,那么无论是A硅胶还是B硅胶的硅胶,这条光线都会被反射回去。

但如果是如图6所示的情况,硅胶的形状点成圆弧曲面,那么当这条光线射到硅胶和空气的分解面时,它与法线的角度可能不到20度,也就是说入射角小于20度,在这种情况下无论是A硅胶还是B硅胶,这条光线都可以折射进入空气（如图中的光线l和光线2。

也就是说有更多的光线可以从硅胶中直接射出到空气当中,因此,从试验数据中看到,在硅胶点成圆弧曲面的情况下,光通量要明显高于硅胶点成平面的情况。

用光学软件仿真模拟的结果:

A硅胶点成平面的结果:

光通量为10.29lm;A硅胶点成圆弧曲面的结果:

光通量为11.211m:

后者光通量大于前者与试验结果吻合。

B硅胶点成平面的结果:

光通量为8.97lm,比A硅胶要小:

B硅胶点成圆弧曲面的结果:

光通量为11.651m,比A硅胶要大,均与试验结果吻合。

表3使用上面两种方式点荧光胶的情况:

荧光胶:

A胶+荧光粉

样品编号荧光胶形状光通量（1m色温（Kl点成平面37.6654722点成圆弧曲面40.045238荧光胶:

B胶十荧光粉

样品编号荧光胶形状光通量（1m色温（K3点成平面40.257804点成圆弧曲面45.775088

cobi缮功率LEB封装取光效率的研究

从表3中的数据可以看到,用A硅胶配荧光胶时,在点成圆弧曲面的情况下光通量要比点成平面的情况下略高一些。

再看用B硅胶配荧光胶时,同样在点成圆弧曲面的情况下光通量要比点成平面的情况下高,效果明显。

这是因为B硅胶的折射率比A高,它的取光效率就要高,也就是说有更多的蓝光可以进入到荧光胶中,对荧光粉的激发效率也就高,再加上硅胶形状为圆弧曲面,使得大部分激发出来的光都能以小角度或者垂直射到界面,不会产生全反射。

因此样品的发光效率就较高。

其原理与上3、出光面或者透镜的形状和尺寸以及硅胶的选择

图7、图8所示的为加上透镜,并填充硅胶后样品的情况,

图7圆头透镜图8平头透镜

表4选用不同硅胶时的测试数据如下

荧光胶:

A胶+荧光粉、圆头透镜

样品编号荧光胶形状填充硅胶光通量色温1点成圆弧曲面A40.5761102点成圆弧曲面B40.26265荧光胶:

B胶+荧光粉、圆头透镜

样品编号荧光胶形状填充硅胶光通量色温3点成圆弧曲面A47.2659154点成圆弧曲面B46.3l6013

表5选用不同透镜时的情况,测试数据如下:

荧光胶:

B胶+荧光粉、平头透镜

样品编号荧光胶形状填充硅胶光通最色温5点成圆弧曲面A43.1163146点成圆弧曲面B42.9l6283

面所论述的直接覆盖硅胶基本一致,不过荧光

胶里含有荧光粉颗粒,用光学理论分析起来将

会比较复杂,这里就不多作论述了。

从表3中

我们还可以看到在点成圆弧曲面的情况下色温要

比点成平面的情况下略低,这是因为荧光胶点

成平面时全反射比较严重,有很大一部分黄光

没有直接射出。

而在荧光胶点成圆弧曲面后更

多的黄光可以从荧光胶中射出来,所以色温会

降低。

[4]胶

根据表4、表5可以得出以下几点结果:

（1在透镜和荧光胶相同的情况下,用不同的填充硅胶最后得到的光通量区别不大。

（2用B胶混荧光粉封装后的光通量要比A胶大。

（3用圆头透镜封装要比用平头透镜封装光通量大。

结果分析如下:

第一点,由于配荧光胶和填充胶的折射率差别不大（1.53/I.41,即使光从大折射率的硅

＠群篡茹嚣鬻篇讨会胶进入小折射率的硅胶，它们的临界角为６７总而言之，就是要使光线尽可能多的从封装材料射向空气，最大限度的提高取光效率。

除此之外，散热处理不好也会制约ＣＯＢ结构功率ＬＥＤ封装取光效率的提高，封装设计时要将热量管理放在重要位置。

度，大部分光还是可以直接射出的。

从上面的试验数据可以看到１和２，以及３和４的光通量差别不大，所以说同样荧光胶形状的样品用不同的填充硅胶最后得到的光通量差别不大。

第二点，前面已经介绍了用Ｂ胶混的荧光胶在点成圆弧曲面时光通量就较大，也就是有更多的光线射到空气中，再盖上圆头透镜，取光效率也不会减少，反而会增加，因为圆头透镜有利于光线的射出。

第三点，由于透镜变成了平头面，从前面的分析就可以知道这对光线的取出是不利的，平头透镜比圆头透镜更容易发生全反射，也就是说会有更多的光线损失在硅胶中。

最后封装四．结语ＣＯＢ结构的功率ＬＥＤ封装技术在不断进步，但要进入通用照明领域，还有很多技术改进工作要做。

本文通过对Ｃ０Ｂ封装光学结构及相关工艺分析，探讨了影响光效的主要因素及光学优化设计方案。

良好的ＬＥＤ封装设计，需要对光学、热学、材料和工艺等方面进行深入的研究，需要对光、电、热、结构等方面统筹考虑。

如何在功率ＬＥＤ封装设计过程中把这些方面有机结合，进而最大极限地提高封装取光效率，是ＬＥＤ封装业界要研究的课题。

相信只要我们不懈的努力，采用新的材料，新的工艺，新的思路，ＬＥＤ光源将在通用照明应用领域占有重要的位置。

出来的光通量也是用平头透镜的要低。

用光学软件仿真，结果如下：

圆头透镜不同硅胶时的情况：

用Ａ硅胶封装的ＬＥＤ光通量为４４．９３ｌｍ，而用Ｂ硅胶封装的ＬＥＤ光通量为４４．２１ｌｍ，两者光通量差别不大，与试验数据吻合。

相同硅胶，圆头透镜封装的ＬＥＤ光通量为４４．００９１ｍ，平头透镜封装的ＬＥＤ光通量为４１．６７２ｌｍ。

参考文献：

圆头透镜封装的光通量要比平头透镜［１］李炳乾．基于金属线路板的新型大功率ＬＥＤ及其光电特性研究［Ｊ］．光子学报，２００５，３４（３）：

３７２－３７４要高。

模拟结果与试验结果基本吻合。

三．提高ｃＯＢ封装功率Ｌ率的主要途径ＥＤ取光效［２］颜峻，王素彬，于映．用蒙特卡罗法模拟ＬＥＤ光源光分布［Ｊ］．福州大学学报，２００３，３１（４）：

１０８－“０通过对影响ＣＯＢ封装功率ＬＥＤ取光效率因素的分析，我们认为提高取光效率主要有如下途径：

①芯片位置应与整体封装结构配合设计；②混合荧光粉的硅胶及用来灌封的硅胶的折射率要与ＧａＮ材料尽量接近；③荧光胶的形状最好为圆弧曲面或半球形；④产品封装的形状或者透镜的形状，最好是圆弧曲面或半球形；［３］陈明祥，罗小兵，马泽涛，刘胜．大功率白光ＬＥＤ封装设计与研究进展［Ｊ］．半导体光电，２００６，２７（６）：

６５３—６５８［４］钱可元，胡飞，吴慧颖．大功率白光…ＬＥＤ封装技术研究［Ｊ］．半导体光电，２００５，２６（２）：

１１８一ｌ２Ｏ．一１００—