LED的封裝、檢測(cè)與應(yīng)用和LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)

1、LED的封裝、檢測(cè)與應(yīng)用的封裝、檢測(cè)與應(yīng)用LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) LEDLED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)與二次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì)與二次光學(xué)設(shè)計(jì)概述概述 引腳式引腳式LEDLED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 提高芯片發(fā)光強(qiáng)度與出光效率的方提高芯片發(fā)光強(qiáng)度與出光效率的方式式 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)與二次光學(xué)設(shè)的一次光學(xué)設(shè)計(jì)與二次光學(xué)設(shè)計(jì)概述計(jì)概述 1 1、一次光學(xué)設(shè)計(jì)、一次光學(xué)設(shè)計(jì) 把把LED LED 芯片封裝成芯片封裝成LEDLED光電零組件時(shí)，要先進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)光電零組件時(shí)，要先進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)。故一次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是針

2、對(duì)芯片、支架、模粒這三要素的設(shè)計(jì)。故一次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)芯片、支架、模粒這三要素的設(shè)計(jì)。 目的：提高出光效率、并解決目的：提高出光效率、并解決LEDLED的出光角度、光強(qiáng)、光通量的出光角度、光強(qiáng)、光通量大小、光強(qiáng)分布、色溫的范圍與分布。大小、光強(qiáng)分布、色溫的范圍與分布。LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 色溫色溫 光源所發(fā)出的光的顏色與光源所發(fā)出的光的顏色與“黑體黑體”在某一溫度下的顏色相在某一溫度下的顏色相同時(shí)，同時(shí)，“黑體黑體”的溫度就稱為色溫，單位開爾文的溫度就稱為色溫，單位開爾文K K。色溫是白。色溫是白光光LEDLED的特有參數(shù)。的特有參數(shù)。 色溫表征：色溫越高，說(shuō)明光源光譜中藍(lán)色

3、成分多，紅色色溫表征：色溫越高，說(shuō)明光源光譜中藍(lán)色成分多，紅色成分少；反之，則光源光譜中藍(lán)色成分少，紅色成分多。成分少；反之，則光源光譜中藍(lán)色成分少，紅色成分多。色溫色溫光色光色氣氛氣氛5000K5000K清涼（帶藍(lán)的白色）清涼（帶藍(lán)的白色）冷氣氛冷氣氛330033005000K5000K中間（白色）中間（白色）爽快爽快3300K3300K溫暖（帶紅的白色）溫暖（帶紅的白色）穩(wěn)重穩(wěn)重LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 2 2、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、二次光學(xué)設(shè)計(jì) 二次光學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)二次光學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)LEDLED照明器具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是系統(tǒng)層照明器具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)。其目的是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的

4、出光效果、光強(qiáng)、色溫分布進(jìn)面的設(shè)計(jì)。其目的是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的出光效果、光強(qiáng)、色溫分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。行設(shè)計(jì)。LEDLED光源二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)，對(duì)大面積投光和泛光照明配光源二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)，對(duì)大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)外加的反射杯與光需求尤為迫切。通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。多重光學(xué)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(xué)設(shè)計(jì)模擬軟件有二次光學(xué)設(shè)計(jì)模擬軟件有Code VCode V、ZEMAXZEMAX、TraceProTracePro、ASAPASAP、LighToolsLighToo

5、ls等，和機(jī)械建模軟件如：等，和機(jī)械建模軟件如：Auto CADAuto CAD、Pro/EPro/E、UGUG、SOLIDWORKSSOLIDWORKS等進(jìn)行設(shè)計(jì)和光學(xué)仿真，不斷優(yōu)化而得到相應(yīng)的光學(xué)等進(jìn)行設(shè)計(jì)和光學(xué)仿真，不斷優(yōu)化而得到相應(yīng)的光學(xué)透鏡。透鏡。透鏡透鏡LED光學(xué)設(shè)計(jì)基本元件光學(xué)設(shè)計(jì)基本元件非球面反射鏡非球面反射鏡橢球面橢球面拋物面拋物面雙曲面雙曲面折光板折光板曲形折光板曲形折光板梯形折光板梯形折光板柱形折光板柱形折光板柱球形折光板柱球形折光板一次光學(xué)設(shè)計(jì)一次光學(xué)設(shè)計(jì)芯片芯片模粒模粒支架支架折射式折射式反射式反射式折反射式折反射式背向反射式背向反射式正向反射式正向反射式光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

6、圖光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 引腳式引腳式LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 模粒材料的種類模粒材料的種類 LED LED透鏡的應(yīng)用分類透鏡的應(yīng)用分類 LED LED透鏡規(guī)格分類透鏡規(guī)格分類 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 1 1、模粒材料的種類、模粒材料的種類（1 1） 硅膠透鏡硅膠透鏡 a. a. 因?yàn)楣枘z耐溫高（也可以過(guò)回流焊），因此常用直接封裝在因?yàn)楣枘z耐溫高（也可以過(guò)回流焊），因此常用直接封裝在LEDLED芯片上。芯片上。 b. b. 一般硅膠透鏡體積較小，直徑一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm3-10mm。（2 2）PMMAPMMA透鏡透鏡 a. a.

7、 光學(xué)級(jí)光學(xué)級(jí)PMMAPMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗稱亞克力。（聚甲基丙烯酸甲酯），俗稱亞克力。 b .b .塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑、擠塑完成塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑、擠塑完成）；透光率高（）；透光率高（3mm3mm厚度時(shí)穿透率厚度時(shí)穿透率93%93%左右）；缺點(diǎn)：溫度不能超左右）；缺點(diǎn)：溫度不能超過(guò)過(guò)8080（熱變形溫度（熱變形溫度9292度）。度）。LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) （3 3）PCPC透鏡透鏡 a. a. 光學(xué)級(jí)料光學(xué)級(jí)料PolycarbonatePolycarbonate（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱PCPC）聚碳酸酯。）聚碳酸酯。 b. b. 塑

8、膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑、擠塑完塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑、擠塑完成）；透光率稍低（成）；透光率稍低（3mm3mm厚度時(shí)穿透率厚度時(shí)穿透率89%89%左右）；缺點(diǎn)：溫度不左右）；缺點(diǎn)：溫度不能超過(guò)能超過(guò)110110（熱變形溫度（熱變形溫度135135度）。度）。 （4 4）玻璃透鏡）玻璃透鏡 光學(xué)玻璃材料，優(yōu)點(diǎn)：具有透光率高（光學(xué)玻璃材料，優(yōu)點(diǎn)：具有透光率高（97%97%）、耐溫高等特點(diǎn)；）、耐溫高等特點(diǎn)；缺點(diǎn)：體積大質(zhì)量重、形狀單一、易碎、批量生產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)、生缺點(diǎn)：體積大質(zhì)量重、形狀單一、易碎、批量生產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。不過(guò)目前此類生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格

9、高昂，短期產(chǎn)效率低、成本高等。不過(guò)目前此類生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格高昂，短期內(nèi)很難普及。此外玻璃較內(nèi)很難普及。此外玻璃較PMMAPMMA、PCPC料易碎的缺點(diǎn)，還需要更多的料易碎的缺點(diǎn)，還需要更多的研究與探索，以現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)的改良工藝來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)鍍膜或研究與探索，以現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)的改良工藝來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)鍍膜或鋼化處理來(lái)提升玻璃的不易碎特性。鋼化處理來(lái)提升玻璃的不易碎特性。LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 2 2、 LEDLED透鏡的應(yīng)用分類透鏡的應(yīng)用分類 （1 1）一次透鏡）一次透鏡 a. a. 一次透鏡是直接封裝（或粘合）在一次透鏡是直接封裝（或粘合）在LEDLED芯片支架上，與芯片支架上，與LED

10、LED成成為一個(gè)整體。為一個(gè)整體。 b. LEDb. LED芯片（芯片（chipchip）理論上發(fā)光是）理論上發(fā)光是360360度，但實(shí)際上芯片在放度，但實(shí)際上芯片在放置于置于LEDLED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180180度度（大于（大于180180范圍也有少量余光），另外芯片還會(huì)有一些雜散光線范圍也有少量余光），另外芯片還會(huì)有一些雜散光線，這樣通過(guò)一次透鏡就可以有效匯聚，這樣通過(guò)一次透鏡就可以有效匯聚chipchip的所有光線并可得到如的所有光線并可得到如180180、160160、140140、120120、9090、606

11、0等不同的出光角度，等不同的出光角度，但是不同的出光角度但是不同的出光角度LEDLED的出光效率有一定的差別（一般的規(guī)律是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）。：角度越大效率越高）。 c. c. 一次透鏡一般用一次透鏡一般用PMMAPMMA、PCPC、光學(xué)玻璃、硅膠等材料。、光學(xué)玻璃、硅膠等材料。LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) （2 2）二次透鏡）二次透鏡 a. a. 二次透鏡與二次透鏡與LEDLED是兩個(gè)獨(dú)立的物體，但它們?cè)趹?yīng)用時(shí)確密不是兩個(gè)獨(dú)立的物體，但它們?cè)趹?yīng)用時(shí)確密不可分?？煞?。 b. b. 二次透鏡的功能是將二次透鏡的功能是將LEDLED光源的發(fā)光角度再次匯聚

12、光成光源的發(fā)光角度再次匯聚光成5 5至至160160之間的任意想要的角度，光場(chǎng)的分布主要可分為：圓形、橢之間的任意想要的角度，光場(chǎng)的分布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形。圓形、矩形。 c. c. 二次透鏡材料一般用光學(xué)級(jí)二次透鏡材料一般用光學(xué)級(jí)PMMAPMMA或者或者PCPC；在特殊情況下可；在特殊情況下可選擇玻璃。選擇玻璃。LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) （3 3）透鏡的選擇及注意事項(xiàng)）透鏡的選擇及注意事項(xiàng) a a、 LEDLED透鏡作為光學(xué)級(jí)的產(chǎn)品，對(duì)透光性、熱穩(wěn)定性、密度、折射透鏡作為光學(xué)級(jí)的產(chǎn)品，對(duì)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(zhǎng)期工作溫度等

13、都有率均勻性、折射率穩(wěn)定性、吸水性、混濁度、最高長(zhǎng)期工作溫度等都有嚴(yán)格的要求。因此，必須根據(jù)實(shí)際選擇透鏡的材料。原則上選擇光學(xué)級(jí)嚴(yán)格的要求。因此，必須根據(jù)實(shí)際選擇透鏡的材料。原則上選擇光學(xué)級(jí)PMMAPMMA，如有特殊的需求可選擇光學(xué)級(jí)，如有特殊的需求可選擇光學(xué)級(jí)PCPC。目前為日本三菱。目前為日本三菱PMMAPMMA材料為最材料為最好（好（VH001VH001是經(jīng)常選擇的牌號(hào)），三菱公司在中國(guó)的分廠南通麗陽(yáng)就會(huì)稍是經(jīng)常選擇的牌號(hào)），三菱公司在中國(guó)的分廠南通麗陽(yáng)就會(huì)稍遜一些；遜一些； b b、 必須配備萬(wàn)級(jí)甚至更高級(jí)別的無(wú)塵車間，作業(yè)人員必須著防靜電必須配備萬(wàn)級(jí)甚至更高級(jí)別的無(wú)塵車間，作業(yè)人員必

14、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(duì)車間做檢驗(yàn)與服裝、戴手指套、戴口罩等防靜電防塵措施，并且定期對(duì)車間做檢驗(yàn)與清理。清理。 c c、須有專業(yè)的光學(xué)注塑機(jī)如東芝、德馬格、海天、震雄等品牌的注、須有專業(yè)的光學(xué)注塑機(jī)如東芝、德馬格、海天、震雄等品牌的注塑機(jī)，并嚴(yán)格控制注塑工藝才能得到合格的產(chǎn)品。塑機(jī)，并嚴(yán)格控制注塑工藝才能得到合格的產(chǎn)品。 d d、產(chǎn)品檢驗(yàn)：無(wú)氣泡、無(wú)凹陷、無(wú)縮痕、無(wú)流紋、無(wú)月牙；形狀精、產(chǎn)品檢驗(yàn)：無(wú)氣泡、無(wú)凹陷、無(wú)縮痕、無(wú)流紋、無(wú)月牙；形狀精度度 RtRt0.005 0.005 表面粗糙度表面粗糙度 Ra0.0002Ra4 4 正向反射式使用的是拋物面?zhèn)让鎱^(qū)

15、正向反射式使用的是拋物面?zhèn)让鎱^(qū)域。域。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，縱橫比適中。光優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，縱橫比適中。光束發(fā)散小，集光效束發(fā)散小，集光效80%80%以上，光線無(wú)以上，光線無(wú)遮擋。遮擋。 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) （3 3） 折反射式折反射式透鏡的設(shè)計(jì)在正前方用穿透式透鏡的設(shè)計(jì)在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側(cè)光聚光，而錐形面又可以將側(cè)光全部收集并反射出去，而這兩全部收集并反射出去，而這兩種光線的重疊（角度相同）就種光線的重疊（角度相同）就可得到最完善的光線利用與漂可得到最完善的光線利用與漂亮的光斑效果；亮的光斑效果；這種透鏡集光效率高，對(duì)環(huán)氧這種透鏡集光效率高，對(duì)環(huán)氧樹脂透鏡的要求也

16、高。樹脂透鏡的要求也高。 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 提高芯片發(fā)光強(qiáng)度與出光效率的方式提高芯片發(fā)光強(qiáng)度與出光效率的方式1 1、表面粗化工藝、表面粗化工藝 現(xiàn)在使用最方泛的方法是進(jìn)行表面粗化工藝。粗化的原理現(xiàn)在使用最方泛的方法是進(jìn)行表面粗化工藝。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。等是增加發(fā)光面積。該方法適用于黃，綠，普紅，普黃。等GaPaGaPa基材的外延片，另外紅外基材的外延片，另外紅外LEDLED也可采用該方法。這種方法也可采用該方法。這種方法一般可以提高一般可以提高30%30%。 MQWW金屬反射層W襯 底WW 由于由于GaNGaN的折射系數(shù)的折射系數(shù)1=2

17、.31=2.3，與空氣，與空氣折射系數(shù)折射系數(shù)1=11=1相差較大，其余反射臨界相差較大，其余反射臨界角僅為角僅為2525，使大部分光不能逸出到空，使大部分光不能逸出到空氣中去，出光效率較低。為此，通過(guò)改氣中去，出光效率較低。為此，通過(guò)改變變GaNGaN與空氣的介面的幾何形狀，使全反與空氣的介面的幾何形狀，使全反射臨界角增大，提高出光效率，這就是射臨界角增大，提高出光效率，這就是通過(guò)芯片表面粗化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)芯片表面粗化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) 2 2、覆蓋增透膜、覆蓋增透膜 NIsin1=N2sin2 C=arcsinN2/ N1 當(dāng)當(dāng)1=1=CC時(shí)光線全部被反

18、射向晶體內(nèi)部，如果在時(shí)光線全部被反射向晶體內(nèi)部，如果在LEDLED晶體與空氣之間鍍一層中等折射率的介質(zhì)層可增晶體與空氣之間鍍一層中等折射率的介質(zhì)層可增大臨界角大臨界角CC。比如。比如GaPGaP的的N1=3.3N1=3.3如果還沒(méi)有介質(zhì)層則如果還沒(méi)有介質(zhì)層則臨界角臨界角CC=17.7=17.7度。覆蓋一層度。覆蓋一層N2=1.66N2=1.66的介質(zhì)層后的介質(zhì)層后CC可能增大到了可能增大到了30.330.3度，光強(qiáng)可提高為度，光強(qiáng)可提高為2.52.5倍。倍。 LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)的一次光學(xué)設(shè)計(jì) （3 3）透明襯底技術(shù)）透明襯底技術(shù) 通常通常LEDLED的襯底用的襯底用GaAsGaAs材料，但材料，但GaAsGaAs是一種吸光材料，是一種吸光材料，LEDLED發(fā)出的光會(huì)被它吸收，降低出光效率。為此，在外延成發(fā)出的光會(huì)被它吸收，降低出光效率。為此，在外延成PNPN結(jié)后結(jié)后，用腐蝕的方法，用腐蝕的方法GaAsGaAs襯底去除，然后在高溫條件下將能透光的襯底去除，然后在高溫條件下將能透光的GaPGaP粘貼上去做襯底，使粘貼上去做襯底，使PNPN結(jié)射出光通過(guò)金屬底板反射出去，結(jié)射出光通過(guò)金屬底板反射出去，提高出光效率。提高出光效率。 這種方法在制作這種方法在制作InGaAlPInGaAlP四元芯片時(shí)，在去除四元芯片時(shí)，在去除GaAsGaAs襯底后先襯底后先用粘貼方法制作一層金屬鏡面反光層