封裝透鏡尺寸對直插型LED光強分布的影響

周凱寧，周海燕，周賢菊，李登峰

(重慶郵電大學數理學院，重慶 400065)

發光二極管是一種場致發光光源，是將電能直接轉化為光能的半導體器件。LED不依靠燈絲發熱來發光，能量轉化效率非常高，理論上只需要白熾燈9%的能耗;與熒光燈相比，LED也只需要熒光燈45%的能耗。作為第四代光源，LED有著極其光明的發展前景，它具有功耗小、壽命長、體積小、發熱低、堅固耐用、環保、節能等特點。

封裝透鏡對于LED不僅起著保護LED核心結構的作用，同時作為第一次光學設計影響著LED燈珠的空間光強分布。對于應用于不同照明領域的LED燈，應考慮采用不同的封裝透鏡幾何尺寸以達到期望的光強分布。本文重點研究了LED封裝透鏡的幾何尺寸對光強分布和光通量的影響。實驗制作了大小兩種子彈頭狀封裝透鏡的LED燈，檢測了兩種燈的光強分布和光通量，分析了由于尺寸對LED燈光強分布和光通量的影響［1－7］。

一、實驗耗材和設備

實驗使用的晶片型號是聯勝HPO-014MY-U-RC0黃光芯片，芯片N極和P極倒裝，芯片上表面尺寸是14 mil×14 mil，芯片高度225±25 μm，額定工作電壓2 V，額定工作電流20 mA。發光強度220～340 mcd。峰值波長586 nm，主波長582 nm，半高寬15 nm。環氧樹脂膠型號是RX-808A，RX-808B，按質量1∶1配膠烘烤固化后的折射率為1．48。銀膠型號是TiCOR的TK129-L導電銀膠。金屬支架型號是2004-MD。大燈帽模具型號是Y001503-3．3，內徑5 mm，帽沿高度 1．2 mm。小燈帽模具型號是 YG323-3．8，內徑3 mm，帽沿高度1．2 mm。

封裝設備包括:科信超聲波金絲球焊機等。檢測設備包括:遠方光電LED620光強分布測試儀、遠方光電PMS-80紫外－近紅外光譜分析儀、0．3米積分球。

二、實驗

本文主要研究封裝透鏡的幾何尺寸對LED燈發光強度及分布的影響。實驗選擇封裝了兩種不同大小的子彈頭狀封裝透鏡，比較因為透鏡尺寸對LED光強及分布的影響。兩種樣品的制備采用同樣的芯片、銀膠、金線、支架和封裝膠水，只是封裝透鏡的模具不同。封裝較大的透鏡采用Y001503-3．3型模具，制備出的樣品在本文中稱作大燈帽。封裝較小透鏡采用YG323-3．8型模具，制備出的樣品在本文中稱作小燈帽。按照標準的直插型LED封裝工藝流程，在LED封裝實驗室進行了封裝操作。封裝工藝流程為:翻晶、擴晶、點膠、固晶、烘烤、焊線、配膠、粘膠、灌膠、支架植入模具、短烤、長烤、離模、一切、二切、測試。

在LED光性能檢測實驗室，采用0．3米積分球和遠方光電PMS-8紫外－近紅外光譜分析儀對兩種樣品的光通量和光譜進行了測量。測量參數的設置為工作電流20 mA，工作電壓2 V，電功率40 W。采用遠方光電LED620光強分布測試儀對兩種樣品的光強分布、最大光強、平均光強、法線方向光強、平均光強擴散角進行了測量。測量參數的設置為工作電流20 mA，工作電壓2 V，反向漏電流0．00 μA，電功率 40 mW。

三、結果討論

制作的兩種封裝透鏡，下部分是圓柱體，上部分是半球體。兩種封裝透鏡區別在于透鏡的尺寸比例不同。如圖1所示，左邊為大燈帽，右邊為小燈帽，大燈帽半球半徑2．5 mm，芯片距離半球球心距離2 mm。小燈帽半球半徑1．5 mm，芯片距離球心距離1 mm。使用光度計測定兩種燈帽的光強分布，并對最大光強、法線方向光強以及平均光強擴散角做了統計對比，就對比結果做出了分析和解釋。

圖1 大燈帽與小燈帽封裝透鏡示意圖

(一)光強分布同封裝透鏡幾何形狀的關系

圖2(a，b)和圖3(a，b)分別是一個標準的大燈帽和小燈帽的光強分布曲線圖。大燈帽的光強分布更接近郎泊分布，法線方向附近光強較大，如圖2(a)。大燈帽偏離法線方向10度左右光強稍有上升，然后隨著出射角變大光強快速衰減，如圖2(b)。小燈帽的配光曲線圖呈關于法線對稱的“蝙蝠翼”分布如圖3(a)。小燈帽法線方向光強較兩側光強弱，在偏離法向方向約30°左右的方向上，光強達到最大值，如圖3(b)。

表1為大燈帽與小燈帽最大光強、法線方向光強和平均光強擴散角的對比。對于大燈帽和小燈帽分別選取了7個樣品測量求平均值。此處平均光強擴散角取為光強為最大光強50%處的出射角夾角。圖4，圖5是三項參數的對比圖。

圖2 大燈帽配光曲線

圖3 小燈帽配光曲線

表1 大燈帽與小燈帽的各主要光參數對比

圖4 大燈帽和小燈帽樣品最大光強和法線光強對比圖

圖5 大燈帽和小燈帽樣品平均光強擴散角對比圖

由表1可知，大燈帽最大光強平均值為6 846 mcd，小燈帽最大光強平均值為2 002 mcd，大燈帽的最大光強明顯大于小燈帽的最大光強。大燈帽法線方向光強平均值為5 849 mcd，小燈帽法線方向光強平均值為1 009 mcd。大燈帽法線方向光強明顯大于小燈帽法線方向光強。大燈帽平均光強擴散角為19．6°，光強分布集中在法線左右約15°以內，光強半高寬較窄，見圖2(b)。小燈帽平均光強擴散角為67．3°，光強分布集中在法線左右約40°以內，光強半高寬較寬，見圖3(b)。

對于大燈帽，因為封裝透鏡的尺寸較大，芯片的長寬為14 mil，遠遠小于透鏡的直徑5 mm，可以近似將芯片作為點光源處理。對于點光源，裸芯片光強分布呈現朗泊分布。在封裝透鏡的作用下，其光線向法線匯聚，隨著光線偏離法線角度的增大，光強迅速減弱。所以對于大燈帽，光線主要沿法線方向出射，法線附近方向光強最強。但因為芯片有一定尺寸大小，并非點理想光源，所以在偏離法線方向10°左右出射光強稍有增強。對于小燈帽，因為封裝透鏡的尺寸較小，透鏡直徑3 mm，芯片相對透鏡不能近似認為是點光源，并且透鏡對芯片光線的匯聚作用不如大燈帽，光線的出射較為分散。因此，小燈帽最大光強遠小于大燈帽，其平均光強擴散角大于大燈帽。對于小燈帽光強分布呈現“蝙蝠翼”分布的解釋是，此次所用灌封膠的折射率為1．48，空氣的折射率約為1．00。根據折射定律可知，光線出射到界面處時發生全反射的臨界角是42．5°。芯片部分光線出射到透鏡圓柱體體壁部分，入射角將大于臨界角，此時會發生全反射，從法線另一側約30°方向出射，如圖1所示。因此，在距法線兩側約30°方向處，有芯片經折射出射的光線，也有經透鏡體壁全反射后再折射出射的光線，光強明顯大于法線方向光強［8］。

(二)光通量和封裝幾何形狀的關系

分別測量了7個大燈帽和小燈帽的光通量，結果列于表2。雖然大燈帽樣品的最大光強和法線方向光強遠大于小燈帽樣品，但相反的是小燈帽樣品的光通量卻明顯大于大燈帽的光通量。小燈帽的光通量的平均值為2．453 lm，大燈帽的光通量的平均值為1．771 lm，小燈帽光通量平均值為大燈帽光通量平均值的1．4倍。

表2 大燈帽與小燈帽光通量對比

對于小燈帽光通量大于大燈帽光通量的解釋是，因為大燈帽芯片距離封裝透鏡和空氣的界面較遠，在光線傳播過程中部分光線被封裝膠吸收，更加劇了光強的衰減。對于小燈帽，因為芯片距離透鏡和空氣的界面較近，出射的光線被封裝膠吸收較少，另外在側壁上發生全反射的光線也被重新收集從法線另一側約30°方向出射。因為以上原因導致小燈帽的光通量為大燈帽的1．4倍［9－10］。

四、結論

實驗制備了兩種不同尺寸封裝透鏡的LED燈泡，在控制其他變量不變的情況下分析了透鏡尺寸對LED光強分布的影響。對于直徑更大的封裝透鏡，其對光線的匯聚作用明顯，光強分布接近朗泊分布。其主要光線集中在法線附近，且法線方向能達到較高的光強。大尺寸的封裝透鏡可以被應用在對光方向性要求較高的領域，如信號燈。對于直徑更小的封裝透鏡，其光強分布具有“蝙蝠翼”形配光的特點，平均光強分散角更大。因為封裝透鏡側壁對偏離法線方向光線的全反射作用，重新收集了芯片側面的光線，并且較小的封裝尺寸使得封裝膠對光線的吸收更少，所以光通量較大尺寸封裝透鏡更大。小尺寸的封裝透鏡可以應用在需要較大照射范圍的照明領域，如室內照明。通過對封裝透鏡幾何尺寸的設計，可以很好的達到控制其光強分布的作用，為燈具的第二次光學設計提供條件［10］。

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