封装透镜尺寸对直插型LED光强分布的影响

周凯宁，周海燕，周贤菊，李登峰

(重庆邮电大学数理学院，重庆 400065)

发光二极管是一种场致发光光源，是将电能直接转化为光能的半导体器件。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上只需要白炽灯9%的能耗;与荧光灯相比，LED也只需要荧光灯45%的能耗。作为第四代光源，LED有着极其光明的发展前景，它具有功耗小、寿命长、体积小、发热低、坚固耐用、环保、节能等特点。

封装透镜对于LED不仅起着保护LED核心结构的作用，同时作为第一次光学设计影响着LED灯珠的空间光强分布。对于应用于不同照明领域的LED灯，应考虑采用不同的封装透镜几何尺寸以达到期望的光强分布。本文重点研究了LED封装透镜的几何尺寸对光强分布和光通量的影响。实验制作了大小两种子弹头状封装透镜的LED灯，检测了两种灯的光强分布和光通量，分析了由于尺寸对LED灯光强分布和光通量的影响［1－7］。

一、实验耗材和设备

实验使用的晶片型号是联胜HPO-014MY-U-RC0黄光芯片，芯片N极和P极倒装，芯片上表面尺寸是14 mil×14 mil，芯片高度225±25 μm，额定工作电压2 V，额定工作电流20 mA。发光强度220～340 mcd。峰值波长586 nm，主波长582 nm，半高宽15 nm。环氧树脂胶型号是RX-808A，RX-808B，按质量1∶1配胶烘烤固化后的折射率为1．48。银胶型号是TiCOR的TK129-L导电银胶。金属支架型号是2004-MD。大灯帽模具型号是Y001503-3．3，内径5 mm，帽沿高度 1．2 mm。小灯帽模具型号是 YG323-3．8，内径3 mm，帽沿高度1．2 mm。

封装设备包括:科信超声波金丝球焊机等。检测设备包括:远方光电LED620光强分布测试仪、远方光电PMS-80紫外－近红外光谱分析仪、0．3米积分球。

二、实验

本文主要研究封装透镜的几何尺寸对LED灯发光强度及分布的影响。实验选择封装了两种不同大小的子弹头状封装透镜，比较因为透镜尺寸对LED光强及分布的影响。两种样品的制备采用同样的芯片、银胶、金线、支架和封装胶水，只是封装透镜的模具不同。封装较大的透镜采用Y001503-3．3型模具，制备出的样品在本文中称作大灯帽。封装较小透镜采用YG323-3．8型模具，制备出的样品在本文中称作小灯帽。按照标准的直插型LED封装工艺流程，在LED封装实验室进行了封装操作。封装工艺流程为:翻晶、扩晶、点胶、固晶、烘烤、焊线、配胶、粘胶、灌胶、支架植入模具、短烤、长烤、离模、一切、二切、测试。

在LED光性能检测实验室，采用0．3米积分球和远方光电PMS-8紫外－近红外光谱分析仪对两种样品的光通量和光谱进行了测量。测量参数的设置为工作电流20 mA，工作电压2 V，电功率40 W。采用远方光电LED620光强分布测试仪对两种样品的光强分布、最大光强、平均光强、法线方向光强、平均光强扩散角进行了测量。测量参数的设置为工作电流20 mA，工作电压2 V，反向漏电流0．00 μA，电功率 40 mW。

三、结果讨论

制作的两种封装透镜，下部分是圆柱体，上部分是半球体。两种封装透镜区别在于透镜的尺寸比例不同。如图1所示，左边为大灯帽，右边为小灯帽，大灯帽半球半径2．5 mm，芯片距离半球球心距离2 mm。小灯帽半球半径1．5 mm，芯片距离球心距离1 mm。使用光度计测定两种灯帽的光强分布，并对最大光强、法线方向光强以及平均光强扩散角做了统计对比，就对比结果做出了分析和解释。

图1 大灯帽与小灯帽封装透镜示意图

(一)光强分布同封装透镜几何形状的关系

图2(a，b)和图3(a，b)分别是一个标准的大灯帽和小灯帽的光强分布曲线图。大灯帽的光强分布更接近郎泊分布，法线方向附近光强较大，如图2(a)。大灯帽偏离法线方向10度左右光强稍有上升，然后随着出射角变大光强快速衰减，如图2(b)。小灯帽的配光曲线图呈关于法线对称的“蝙蝠翼”分布如图3(a)。小灯帽法线方向光强较两侧光强弱，在偏离法向方向约30°左右的方向上，光强达到最大值，如图3(b)。

表1为大灯帽与小灯帽最大光强、法线方向光强和平均光强扩散角的对比。对于大灯帽和小灯帽分别选取了7个样品测量求平均值。此处平均光强扩散角取为光强为最大光强50%处的出射角夹角。图4，图5是三项参数的对比图。

图2 大灯帽配光曲线

图3 小灯帽配光曲线

表1 大灯帽与小灯帽的各主要光参数对比

图4 大灯帽和小灯帽样品最大光强和法线光强对比图

图5 大灯帽和小灯帽样品平均光强扩散角对比图

由表1可知，大灯帽最大光强平均值为6 846 mcd，小灯帽最大光强平均值为2 002 mcd，大灯帽的最大光强明显大于小灯帽的最大光强。大灯帽法线方向光强平均值为5 849 mcd，小灯帽法线方向光强平均值为1 009 mcd。大灯帽法线方向光强明显大于小灯帽法线方向光强。大灯帽平均光强扩散角为19．6°，光强分布集中在法线左右约15°以内，光强半高宽较窄，见图2(b)。小灯帽平均光强扩散角为67．3°，光强分布集中在法线左右约40°以内，光强半高宽较宽，见图3(b)。

对于大灯帽，因为封装透镜的尺寸较大，芯片的长宽为14 mil，远远小于透镜的直径5 mm，可以近似将芯片作为点光源处理。对于点光源，裸芯片光强分布呈现朗泊分布。在封装透镜的作用下，其光线向法线汇聚，随着光线偏离法线角度的增大，光强迅速减弱。所以对于大灯帽，光线主要沿法线方向出射，法线附近方向光强最强。但因为芯片有一定尺寸大小，并非点理想光源，所以在偏离法线方向10°左右出射光强稍有增强。对于小灯帽，因为封装透镜的尺寸较小，透镜直径3 mm，芯片相对透镜不能近似认为是点光源，并且透镜对芯片光线的汇聚作用不如大灯帽，光线的出射较为分散。因此，小灯帽最大光强远小于大灯帽，其平均光强扩散角大于大灯帽。对于小灯帽光强分布呈现“蝙蝠翼”分布的解释是，此次所用灌封胶的折射率为1．48，空气的折射率约为1．00。根据折射定律可知，光线出射到界面处时发生全反射的临界角是42．5°。芯片部分光线出射到透镜圆柱体体壁部分，入射角将大于临界角，此时会发生全反射，从法线另一侧约30°方向出射，如图1所示。因此，在距法线两侧约30°方向处，有芯片经折射出射的光线，也有经透镜体壁全反射后再折射出射的光线，光强明显大于法线方向光强［8］。

(二)光通量和封装几何形状的关系

分别测量了7个大灯帽和小灯帽的光通量，结果列于表2。虽然大灯帽样品的最大光强和法线方向光强远大于小灯帽样品，但相反的是小灯帽样品的光通量却明显大于大灯帽的光通量。小灯帽的光通量的平均值为2．453 lm，大灯帽的光通量的平均值为1．771 lm，小灯帽光通量平均值为大灯帽光通量平均值的1．4倍。

表2 大灯帽与小灯帽光通量对比

对于小灯帽光通量大于大灯帽光通量的解释是，因为大灯帽芯片距离封装透镜和空气的界面较远，在光线传播过程中部分光线被封装胶吸收，更加剧了光强的衰减。对于小灯帽，因为芯片距离透镜和空气的界面较近，出射的光线被封装胶吸收较少，另外在侧壁上发生全反射的光线也被重新收集从法线另一侧约30°方向出射。因为以上原因导致小灯帽的光通量为大灯帽的1．4倍［9－10］。

四、结论

实验制备了两种不同尺寸封装透镜的LED灯泡，在控制其他变量不变的情况下分析了透镜尺寸对LED光强分布的影响。对于直径更大的封装透镜，其对光线的汇聚作用明显，光强分布接近朗泊分布。其主要光线集中在法线附近，且法线方向能达到较高的光强。大尺寸的封装透镜可以被应用在对光方向性要求较高的领域，如信号灯。对于直径更小的封装透镜，其光强分布具有“蝙蝠翼”形配光的特点，平均光强分散角更大。因为封装透镜侧壁对偏离法线方向光线的全反射作用，重新收集了芯片侧面的光线，并且较小的封装尺寸使得封装胶对光线的吸收更少，所以光通量较大尺寸封装透镜更大。小尺寸的封装透镜可以应用在需要较大照射范围的照明领域，如室内照明。通过对封装透镜几何尺寸的设计，可以很好的达到控制其光强分布的作用，为灯具的第二次光学设计提供条件［10］。

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