深圳市雷曼光电科技有限公司：LED封装结构的光学模拟与设计文章编号：1006-6268200803-0067-05LED封装结构的光学模拟与设计LED深圳市雷曼光电科技有限公司工艺考摘要：总结用CAD软件对ED封装结构进行模拟的一般步骤，建立实际LED封装产品的模型并模拟其光学特性，通过实例提供了一些设计经验。关键词：LED封装结构；光学模拟1介绍自行定义；品片的发光属性，包括F山x、光线追迹数量和发光的角度分布等；透镜或填充胶)的材料属计算机辅助设计(CAD)正大量地渗入到工程和性，主要是折射率和透光率。若这些属性能够贴近现产品设计中，为降低成本、提高效率发挥若重要的作实中物料的属性，则对一般的ED封装设计而言，用。新兴的半导体照明产业，亦应分享科技进步带来这些属性已经能够模拟得比较准确了。的实惠。传统的光学设计方法中，繁杂的计算及精密的实验、调试使做出理想的产品变得相当困难；陆续2.3光线追迹及结果分析涌现的光学设计辅助软件，为工程设计人员减轻劳动、在远场处设置、选择一平面去观察光学模型的缩短设计周期和提高设计质量提供了有效的支持。Far field pattern,包括发光强度分布Candeh图)及可做光学设计的CAD软件有诸如CODE V、出光效率等数值。OSLO ZEMAX.TRACEPRO及ASAP等，本文就LED封装中的光学设计，采用TRACEPRO作为辅助设计软3LED封装产品的光学模拟实例件，对现有产品进行光学模拟并用于新产品的光学设计。在ED封装产品的光学模拟中，绘制精密尺寸模拟步骤的3D图、获取并设定准确的属性是取得良好模拟效果的保证。2.1绘制3D结构图使用Solidworks、Pro/E等软件，根据被模拟3.1雷曼某大功率LED的模拟LED封装产品的结构尺寸，精确画好并导入雷曼某款大功率LED结构如图1所示，其蓝光TRACEPRO中。或使用软件自带的绘图功能，绘制灯仔的发光角度为120°。结构简单的图形。一般而言，支架、品片、透镜分开成()根据其尺寸、结构，分别绘制品片、支架碗杯、单体以便于设置属性及调整相对位置。晶片可以是简胶体（填充碗杯，一般情况下为平杯，并设定了化的模型，可用一个长方体替代。需要注意的是，各个0.02mm的底胶高度（即长方体底面与支架碗杯底单体间的相对位置比较重要，应尽量与实际的一致。2.2设置属性需要设置属性的有：碗杯（如果是平台也需设置)的表面属性，通常表面设置为mirror或根据实际图1雷曼大功率LED结构收稿日期：2008-01-16Mar.,2008,总第85期现代显示Advanced Display671994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net深圳市雷曼光电科技有限公司：LED封装结构的光学模拟与设计的距离，见图2。以尝试做光学模拟。图5、图6是台湾某公司生产的大功率LED之结构及其矩形Candela图。LED图2雷曼大功率LED的3D结构艺考(2)设定属性：碗杯表面均设定为70%吸收的Table类型表面属性，胶体部分折射率1.54、透光率95%,晶片发光表面为Flu(Absorptance)及1407.0±0.2的发光角度。图5某LED结构图(3)发光角度模拟结果：在距离灯仔正面300mm远处设一测试面，观察Candela分布图见图3)，可以测算得到其2日2发光角度约为120°，与雷曼实测的发光角度是比较一致的。90-75-60-45-30-150153045607590图6某LED发光角度图绘制其结构见图7，假定透镜、填充胶的折射率都是1.55，碗杯的表面为100%反光，晶片发光角度140度，所得的Candela图如图8，可知发光角度约图3测试面的矩形Candela图40°，这与其规格标定的45°仍有差距。(④)探讨：若对材料的性质不了解，改变诸如碗杯的表面属性、填充胶的折射率、品片的发光面属性都会对模拟结果产生影响。见图4，这是改变晶片表面发光属性（发光角度变为120°）后所得到的矩形Candela图，模拟出来的发光角度约110°，已有较大的失真。图7某LED3D结构图1090图4品片发光面改变后的测试面矩形Candela图745153.2某公司大功率LED的发光角度模拟对不清楚材料属性的LED封装产品，我们也可图8首次模拟Candela图68现代显示Advanced DisplayMar.,2008,总第85期C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net深圳市雷曼光电科技有限公司：LED封装结构的光学模拟与设计造成这种差距的原因有：透镜的尺寸无法精确绘制与实际有差别，另外折射率的不确定也影响了模拟结果的准确性。改变透镜和填充胶的折射率，发现两者的折射率是1.50时所得到的发光角度约图10母线为直线的碗杯为44°，见图9。451545075图11a.Candela图图9折射率改变后的矩形Candela图以上两个实例说明，要取得预期的模拟效果，准确的材料属性、表面属性是很重要的。如TRACEPRO里的Lambertian发光角度属性一般被图12母线为向里到孤的碗杯作为默认的品片表面发光属性，其发光角度为120°，一些晶片的实际发光角度可能与此有差异，故经实际测量再设定品片的表面发光属性是必要的。4设计应用LED封装的光学模拟中，品片、支架碗杯、透镜或413填充胶纳为三大要素。就封装设计而言，晶片特性宜60-453015015305保持不变，改变碗杯结构、透镜结构及属性，通过模拟图13b.Candela图可以寻得所需的设计结果。以下取雷曼大功率ED为c.圆弧向外样本，通过改变碗杯结构、透镜形状来模拟寻求最佳的见图14，也采用上述属性设置。模拟所得的出光效率，并设计发光角度为60°的封装产品。Candela图见图15，其发光角度约130°，效率为4.1出光效率()改变支架碗杯内璧反射锥母线)的形状a.直线即碗杯为圆锥台模子的形状)见图10，为了更直接地得到模拟的效果，对碗杯底部及侧面均设置了100%的反光效果，且不做图14母线为向外圆弧的碗杯胶体填充处理。模拟所得的Candela图见图11，其发光角度约130°，效率为87.95%。以上三者对比可得，圆弧向里的设计结果最为理b.圆弧向里想，光的取出最为有效。当然，需要再配合填充胶及见图l2,属性设置同上。模拟所得的Candela其胶量、碗杯的深度等调整弧度，才能得到最为理想图见图13，其发光角度约40°，效率为100%。的出光效率。Mar.,2008,总第85期现代显示Advanced Display69C 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net