多芯片集成封裝發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

李 婷，吳克躍，孔 敏，秦廣龍

（1．皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院，安徽 六安237012；2．安徽科發(fā)信息科技有限公司，安徽 六安237200）

近年來(lái)，大功率多芯片集成封裝因具有光通量高、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)已成為研究的熱點(diǎn)［1-2］。但將其應(yīng)用于照明領(lǐng)域中還亟需解決一些關(guān)鍵問(wèn)題，如LED的取光效率的提高、LED的散熱等［3-5］。其中提高LED的取光效率對(duì)實(shí)際的照明應(yīng)用具有重要的意義。影響LED的取光效率的關(guān)鍵在于封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。目前多芯片集成封裝多為平面結(jié)構(gòu)，由于封裝用的硅膠折射率（n＝1．54）與空氣的折射率（n＝1）相差很大，從芯片發(fā)出的光在硅膠和空氣交界處會(huì)發(fā)生全反射，進(jìn)而影響LED器件整體的取光率。為了提高集成封裝LED的取光率，Wu等通過(guò)封裝硅膠平面加上不同微結(jié)構(gòu)，提高了LED的取光率［6］；Lee等人通過(guò)芯片表面粗化、芯片襯底沉積有圖案的銀反射層等技術(shù)來(lái)提高LED取光率［7］；最近，李宗濤等人則提出圖案化基板，如圖1所示，LED出光率提高了42%，他們研究了反光杯角度對(duì)出光率的影響［8］。但是構(gòu)筑基板圖形化的反光杯間距以及封裝硅膠的結(jié)構(gòu)對(duì)多芯片集成封裝LED的取光率的影響研究甚少。

圖1 圖案化基板原理圖

本文基于圖案化基板微結(jié)構(gòu)的多芯片集成封裝，研究了形成基板圖案的反光杯間距離和封裝硅膠微結(jié)構(gòu)與LED取光率之間的規(guī)律。

1 多芯片集成封裝結(jié)構(gòu)的仿真分析

采用Trancepro光學(xué)仿真軟件，分析多芯片集成封裝LED的取光效率。圖2為帶有圖案的基板，基板尺寸為22mm＊22mm＊2mm，圖案是由半徑為1 mm，深度為0．5mm的倒錐形構(gòu)成的。

倒置的錐形間距離分別為0．75mm、1．00mm、1．25mm、1．50mm、1．75mm、2．00mm，如圖3所示。光源采用尺寸為1mm＊1mm＊0．1mm；功率為1W的大功率芯片，LED的頂面為發(fā)光面，芯片發(fā)出的光滿足朗伯分布。芯片間距為5mm，整列分布。

2 模擬結(jié)果與討論

圖4為取光率與圖案型基板封裝倒圓錐間距之間的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著圓錐間距的增加，取光率先增加后減小。圓錐間距為0．75mm時(shí)，取光率為65%；圓錐間距為1．25mm時(shí)，取光率增為75%；當(dāng)圓錐間距增加到2mm時(shí)，取光率減弱為55%。

圖2 圖案化基板封裝示意圖

圖3 倒置圓錐周期性結(jié)構(gòu)截面示意圖

圖4 LED出光率與倒圓錐間距關(guān)系圖

倒圓錐交疊的程度影響著基板圖案的分布，當(dāng)?shù)箞A錐間距為0．75mm時(shí)，22＊22mm基板上分布著29＊29重疊的倒圓錐；當(dāng)?shù)箞A錐間距為2mm時(shí)，同樣大小的基板只有11＊11重疊的倒圓錐。當(dāng)間距為0．75mm時(shí)，分析發(fā)現(xiàn)由硅膠-空氣界面全反射回來(lái)的光線在圖案反射次數(shù)增多，能量損失增大。當(dāng)?shù)箞A錐間距為2mm時(shí)，分析發(fā)現(xiàn)基板上存在部分平面結(jié)構(gòu)，不利光線的出射。

LED的封裝材料一般選擇硅膠，封裝硅膠的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)LED的取光率也起著重要的作用［9-10］。前面分析基板圖案間距對(duì)取光率的影響時(shí)，硅膠為平面結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高多芯片集成封裝的取光率，筆者設(shè)計(jì)了平面、凹面和凸面結(jié)構(gòu)的硅膠，并研究結(jié)構(gòu)對(duì)取光率的影響。設(shè)定硅膠的折射率設(shè)為1．54，平面硅膠的厚度為2mm；凸型硅膠的中心厚度為2 mm；凹型硅膠中心厚度為1mm，兩邊厚度為2mm，如圖5所示。

圖5 不同硅膠封裝結(jié)構(gòu)的示意圖

仿真結(jié)果如表1所示。

表1 封裝硅膠微結(jié)構(gòu)與出光率

當(dāng)封裝膠體為平面時(shí)（如圖5（a）所示），LED取光率為75%；當(dāng)硅膠結(jié)構(gòu)為外凹面時(shí)（如圖5（b）所示），取光率降為70%；當(dāng)封裝膠體結(jié)構(gòu)為外凸面時(shí)（如圖5（c）所示），取光率增加為78%；當(dāng)封裝硅膠結(jié)構(gòu)變成內(nèi)凹外凸型時(shí)（如圖5（d）所示），LED的取光率進(jìn)一步增加，達(dá)到80%。通過(guò)上述仿真結(jié)果可知，改變封裝硅膠的微觀結(jié)構(gòu)可以有效地提高多芯片集成封裝LED的取光率。

3 結(jié)論

對(duì)多芯片集成封裝LED的取光率進(jìn)行了仿真分析，分別討論了在倒圓錐型圖案間間距、封裝硅膠微觀結(jié)構(gòu)對(duì)取光率的影響。倒圓錐間距為1．25mm時(shí)，得到了最優(yōu)的取光率75%；在此條件下，對(duì)封裝硅膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)內(nèi)凹外凸的硅膠結(jié)構(gòu)更有利于提高LED的取光率。本文的研究結(jié)果對(duì)多芯片集成LED的封裝具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］朱三妹，張文．白光LED封裝材料的光學(xué)特性對(duì)光通量的影響［J］．電子元件與材料，2015，34（4）：22-26．

［2］林丞．陣列式微型透鏡封裝多芯片COB LED的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．應(yīng)用光學(xué)，2014，35（6）：1063-1068．

［3］白一鳴，羅毅，韓彥軍，等．集成封裝發(fā)光二極管光提取效率的 計(jì) 算 及 優(yōu) 化 ［J］．光 學(xué) 精 密 工 程，2014，22（5）：1129-1137．

［4］楊衛(wèi)橋，張建華，殷錄橋．大功率LED器件熱阻的熱敏感性研究［J］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015（52）：012302（1）-012302（5）．

［5］張清梅，朱大慶．圖案化基板對(duì)集成封裝LED的光色品質(zhì)的影響［J］．發(fā)光學(xué)報(bào)，2014，35（10）：1276-1282．

［6］Wu D，Wang K，Liu S．Enhancement of Light Extraction Efficiency of Multi-chips Light-emitting Diode Array Packaging with Various Microstructure Arrays［C］．Electronic Components and Technology Conference（ECTC），IEEE，2011：242-245．

［7］Lee Y J，Lee C J，Chen C H．Effect of Surface Texture and Backside Patterned Reflector on the AlGaInP Light-emitting Diode：High Extraction of Waveguided Light［J］．IEEE J．Quant．Elect．，2011，47（5）：636-641．

［8］Li Z T，Wang Q H，Tang Y，et al．Light Extraction Improvement for LED COB Devices by Introducing a Patterned Leadframe Substrate Configuration ［J］．IEEE Trans．Elect．Dev．，2013，60（4）：1397-1403．

［9］祁姝琪，丁申冬，鄭鵬，等．COB封裝對(duì)LED光學(xué)性能影響的研究［J］．電子與封裝，2012，12（3）：6-9．

［10］馬建設(shè)，賀麗云，劉彤，等．板上芯片集成封裝的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．光學(xué)精密工程，2013（4）：904-910．