LED封装结构对出光率的影响

张延君

摘 要：出光率是影响LED发光效率的重要因素之一，优化LED出光率可以提高LED的器件发光效率。文章利用TracePro软件模拟分析了封装结构对LED出光率的影响，分析结果表明：封装腔体的形状与出光率关系不大，而封装腔体的张角、封装腔体顶面的凹凸性与出光率有较大关系，另外出光率还与腔体的高度、封装腔体的反射率、腔体的母线均相关。

关键词：LED；封装结构；出光率

节约能源是当前全球面临的重要问题。LED具有节能、结构牢固、寿命长、发光响应速度快等特点，已成为一种发展潜力巨大的新型照明光源，未来半导体照明必将引领照明行业的一场绿色革命。

一、LED的封装

1.新材料在封装中的应用。耐高温的环境耐受性，抗紫外线和低吸水率，更好的热固性材料的电磁兼容性，热塑性塑料PCT，改进的PPA和陶瓷塑料和其他材料将被广泛使用。

2.芯片超电流密度应用。今后芯片超电流密度，将由350MA/nm 2发展为700MA/nm 2，甚至更高。

3.COB应用的普及。具有较低的热电阻、光型、无焊接和低成本的优势，在未来的COM应用程序将被广泛传播的。

4.供电源方案（高压LED）。未来的室内照明将更加关注质量和驱动器的成本因素。供应方案和高电压LED充分满足供电方案将逐渐成为可接受的产品，但它需要解决的是需要提高芯片可靠性。

5.多色LED光源照明方案。未来LED照明的在此广泛普及需要依靠情景照明来实现，则情景照明将是LED照明的核心竞争力。

二、LED封装结构的软件模拟

1.在TracePro软件中进行LED封装腔体的结构设计，例如设计出3.0mm×2.5mm×1.5mm的LED，在模拟时需要封装腔体的反射腔深度为0.8mm，顶面开口圆半径为1.0mm，底面圆半径约为0.5mm。

2.对LED封装腔体的材料以及对腔体内表面反射率进行定义，LED封装材料可选用折射率为1.5的树脂材料，封装腔的内表面反射率可定为80%，材料吸收率则为20%。

3.对LED发光芯片进行定义，同时进行光线追踪。LED芯片发光面设置为lambertian发光，光通量为1lm。

4.模拟出candela光强分析图并计算出光率，讨论光效与结构的关系。

按照以上步骤分析LED封装结构对出光率影响。设置一圆台，底面圆半径为0.5mm，顶面圆半径为1.0mm，高度为0.8mm，图1是LED封装结构的外形图。圆台以材料树脂填充，树脂折射率为1.5。检测体设置为一個底面半径为1000mm，高10mm的圆柱体，测试面为圆面，测试面距离发光面40mm。利用软件模拟得到candela光强分析图，通过对圆台体LED封装腔体结构的设计与模拟可以得到LED的发光立体角，计算出LED的出光率。用同样的方法可模拟椭圆台体封装腔、方台体封装腔等。

三、模拟结果与讨论

1.封装腔体形状与出光率的关系。为了得到LED封装腔体的形状与出光率的关系，在设计封装腔体时让腔体高度相同，体积也大体相同。所设计的LED封装结构有圆台体、椭圆台体、方台体等。软件模拟结果如表1所示。

通过表1可以看到，不同反射体形状封装的LED的出光率都基本相同。由于在设计时会存在体积误差，所以不同形状封装的LED出光率会有所不同。腔体形状不同时，受到直接影响的是出光的光强分布。可以认为，反射体形状与出光率关系不大，仅影响发光立体角度，所以在对LED进行封装结构设计时，任何形状的反射体均可；但考虑到实际加工的方便，常选用圆台体形状的反射体。

2.封装腔体张角与出光率的关系。选择封装腔体的形状为圆台形，控制封装腔体顶面圆半径一定，高度一定。在底面圆半径发生变化，即腔体的张角发生变化的情况下，模拟得到LED的出光率和发光立体角度，如表2所示。

通过表2可知，当LED封装腔体底面圆半径减小时，封装腔体张角变大，出光率增大。由于底面圆半径越小则张角越大，所以在光线从腔体内出射时，腔体内的反射次数减少，能量损失也大幅减少，出光率提高。同时可以看出，发光立体角随着底面圆半径的减小先增大后减小，其原因是随着底面半径的进一步减小，张角增大，当光从发光芯片射到封装顶面时，是从光密介质树脂射入光疏介质空气，将会在腔体顶面发生全反射，因而发光立体角会减小。从以上分析可以看出，选择合适的封装腔体张角非常重要，封装腔体的张角会影响出光率。

3.其他因素对出光效率的影响。模拟分析可知，随着腔体深度的减小，出光率大幅提高，设置腔体深度为0.8，0.7，0.6mm时，出光率分别为60.01%、67.45%、75.25%；LED封装腔体内表面反射率增加时，出光率增大，设置腔体内表面反射率为70%、80%、90%，则出光率分别为65.01%、70.25%、85.55%；封装腔体母线为直线时，出光率最好，当用直线、圆弧、抛物线分别作为母线时，出光率分别为68.85%、60.55%、55.24%。因此，减小腔体高度、增大反射率、选择直线母线均可以提高LED的出光率。

腔体中的光损耗可以解释为封装材料树脂对光的吸收、反射腔体反射面对光的吸收以及腔体顶面发生全反射的影响，因此可以通过选择封装材料和封装结构设计来提高LED的出光率。

参考文献：

[1]李倩.照明用LED光学系统的计算机辅助设计[J].半导体光电，2015

[2]毛毅.GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析[J]. 2015