李偉平，謝志國(guó),2，吳建國(guó)

（1.佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000；2.中山大學(xué)光學(xué)工程博士后流動(dòng)站，廣州 510640）

1 引言

近年來(lái)，在LED器件系列中的COB（Chip on Board）系列應(yīng)用高速增長(zhǎng)。目前市面上COB模塊封裝主要使用熒光膠覆蓋芯片和電極，形成封裝保護(hù)和初步光學(xué)結(jié)構(gòu)。COB封裝的LED模塊在基板上安裝了多顆LED小芯片，使用多顆芯片不但能夠提高模塊的亮度，而且有助于實(shí)現(xiàn)LED芯片的合理配置，通過(guò)降低單顆LED芯片的輸入電流量以確保高效率。從成本和應(yīng)用角度來(lái)看，COB成為未來(lái)燈具設(shè)計(jì)的主流方向之一。功率密度隨著模塊中芯片數(shù)量的增多而增大，如果采用的散熱方式不當(dāng)，急劇積聚的熱量不僅影響LED的電子性能，也影響LED的亮度及顏色，隨著芯片溫度升高，光譜發(fā)生紅移，發(fā)光效率下降[1]。研究表明，高分子復(fù)合材料的混合物導(dǎo)熱系數(shù)隨著摻雜的顆粒濃度升高而增大[2]。提高熒光膠的濃度，可以有效提高膠體的熱導(dǎo)率。此外，不同的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)模塊的取光效率有重大的影響。特別地，由于封裝膠體折射率與空氣的折射率相差過(guò)大，在界面上發(fā)生的全發(fā)射將嚴(yán)重影響器件整體的光萃取[3～5]。因此，相對(duì)于常用的平面結(jié)構(gòu)，采用外封自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)，可以明顯提高模塊的光萃取，提高出光效率。同時(shí)，COB封裝還可以實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)分布[6]。

本文提出了一種基于保形涂覆技術(shù)以及自由曲面透鏡陣列的新型COB封裝結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)保形涂覆技術(shù)在芯片表面涂覆一層熒光粉層，再對(duì)應(yīng)每顆芯片模具灌封一個(gè)經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡，提高模塊的光萃取并實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)分布。

2 新型COB封裝結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在市場(chǎng)上COB的結(jié)構(gòu)種類齊全，主要都是在完成管芯安放以及金線鍵合的基板上灌封熒光膠，對(duì)管芯以及金線等形成機(jī)械保護(hù)。同時(shí)通過(guò)調(diào)控?zé)晒饽z量，形成平面或圓弧面的光學(xué)結(jié)構(gòu)。圖1為市面上主流COB封裝結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1我們可以知道，這類COB封裝結(jié)構(gòu)通過(guò)大面積覆蓋熒光膠，形成面光源，整體發(fā)光。

圖1 傳統(tǒng)COB封裝結(jié)構(gòu)示意圖

由于該種COB技術(shù)封裝的LED模塊光源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝簡(jiǎn)單，光線柔和，因此在市場(chǎng)上使用非常廣泛，但也存在著一些問(wèn)題。第一，雖然通過(guò)控制膠量，使熒光膠中間稍微隆起，形成凸透鏡提高出光效率。但光線在膠體和空氣界面仍然存在反射問(wèn)題。尤其對(duì)遠(yuǎn)離中心的芯片，凸透鏡的作用更加微弱。第二，灌封膠是由有機(jī)封裝材料（如硅膠等）以及熒光粉按照一定比例混合而成，散熱效果較差。實(shí)驗(yàn)中，在配有散熱器的前提下，正常點(diǎn)亮的COB模塊膠體表面的溫度高達(dá)幾十?dāng)z氏度，甚至某些功率較大的器件高達(dá)一百多攝氏度。第三，正常工作時(shí)，由于膠體有較高的溫度，對(duì)硅膠以及熒光粉造成嚴(yán)重的影響。隨著溫度的升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力增大，硅膠的折射率隨之降低，從而影響器件的光學(xué)分布，并降低出光效率。

針對(duì)上面提到的問(wèn)題，我們提出一個(gè)新型的COB封裝結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 新型COB封裝結(jié)構(gòu)示意圖

該種結(jié)構(gòu)是在已完成芯片安放以及金線鍵合等前道工序的基板上，通過(guò)保形涂覆技術(shù)在芯片表面覆蓋一層熒光粉（熒光膠），然后再在每個(gè)芯片上外封經(jīng)過(guò)特定設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡，可以實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)分布（如近朗伯分布、均勻照明等），并且避免光線在硅膠與空氣界面的全反射發(fā)生，提高器件的光萃取。同時(shí)，由于每一個(gè)自由曲面透鏡相鄰很近，且光學(xué)分布是一致的，通過(guò)眾多自由曲面透鏡的光場(chǎng)疊加，在遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)光效應(yīng)。

在器件的色溫一定的前提下，采用保形涂覆技術(shù)的熒光膠的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通COB封裝結(jié)構(gòu)中的熒光膠濃度。因此，新型結(jié)構(gòu)的熒光膠的導(dǎo)熱性能有很大的提升。同時(shí)，由于熒光膠僅涂覆在芯片表面，所覆蓋的范圍很小，熒光粉工作所產(chǎn)生的熱量可以快速通過(guò)芯片傳到基板進(jìn)行散熱。從而避免膠體溫升對(duì)熒光粉以及硅膠的物理特性造成影響。

3 自由曲面透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

理想情況下，芯片的出光為朗伯光源且為點(diǎn)光源。忽略硅膠材料的吸收以及硅膠與空氣界面的反射、漫透射、漫反射等因素，僅考慮硅膠透鏡的曲面以及芯片與透鏡的相對(duì)位置等關(guān)鍵因素對(duì)LED出光分布的影響[7～8]。

通常設(shè)計(jì)該類外封一次光學(xué)透鏡，采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)。假定光源（芯片）位于坐標(biāo)原點(diǎn)O，以芯片發(fā)光面為XY平面，芯片平面的法線方向?yàn)閆軸。光線經(jīng)過(guò)自由曲面P(r, θ)折射后，符合我們所需的光學(xué)分布。根據(jù)能量守恒定律以及Snell折射定律，通過(guò)求解微分方程，從而計(jì)算出自由曲面P(r, θ)。

因?yàn)檎麄€(gè)透鏡為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，故只考慮二維情況，以XZ平面為例。矢量形式的折反射定理可以表示為[9～10]：

其中，n、n’分別為硅膠透鏡以及空氣的折射率；N為自由曲面在光線入射點(diǎn)的單位法向量，而Q、Q’分別為入射和出射光線的單位矢量。

自由曲面P(r, θ)的法向微分形式為[10]：

根據(jù)能量守恒定律，光源的輻射通量與經(jīng)過(guò)自由曲面后的出射光通量相等，即：

其中，I(θ)、I’(θ)分別為光源光強(qiáng)分布與折射后出光的光強(qiáng)分布。

一般光源設(shè)定為朗伯體光源，即：

出射光的光強(qiáng)分布，根據(jù)不同的實(shí)際需要，有不同的表達(dá)形式。例如，類朗伯體光源[11]，則：

其中，m由發(fā)散半角θ1/2決定：

如果出射光要在目標(biāo)面上實(shí)現(xiàn)大角度均勻照明，根據(jù)余弦三次方定理可得：

其中，E0為目標(biāo)面的平均照度，L為光源與目標(biāo)面的距離。

圖3 自由曲面透鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

由圖3可知，初始條件為P=P0(R0,0)，R0為初始透鏡高度。根據(jù)初始條件并聯(lián)立方程(2)～(5)，或者聯(lián)立(2)～(4)以及(7)，運(yùn)用龍格-庫(kù)塔法或其他數(shù)學(xué)算法可以解出一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)P0(R0,0)，P(R1,θ1)，……，P(Rn,,θn)。利用三維建模軟件將點(diǎn)集擬合為曲線，建立三維透鏡模型。最后導(dǎo)入Tracepro軟件可以獲得我們所期望的光學(xué)模型，經(jīng)過(guò)設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行仿真模擬優(yōu)化可以得到我們所需的配光效果。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

這里以在目標(biāo)面實(shí)現(xiàn)均勻照明為例。假設(shè)每個(gè)芯片均為點(diǎn)光源，功率為1W。9顆芯片成3×3陣列，行列距均為1.25mm。透鏡的初始高度R0=0.4mm，折射率為1.5，在15mm的距離外實(shí)現(xiàn)均勻照明，照明的范圍為直徑60mm的圓。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的單個(gè)自由曲面透鏡形貌如圖4（a）所示。我們把計(jì)算得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)集在建模軟件SolidWorks里面擬合為曲線并建立如前面參數(shù)設(shè)定的COB透鏡陣列模型。將該COB透鏡的三維模型導(dǎo)入Tracepro軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)上面假定條件設(shè)置透鏡的折射率以及芯片發(fā)光特性等相關(guān)參數(shù)，并在距透鏡15mm外建立100mm×100mm的接收面。為保證接收面上照度分布的準(zhǔn)確性，我們使用Tracepro軟件對(duì)透鏡追跡150萬(wàn)條光線，得到COB透鏡陣列的目標(biāo)光場(chǎng)分布如圖4（b）所示。

圖4 單個(gè)透鏡形貌（a）及COB光場(chǎng)分布圖（b）

從圖4（b）可以看出光線的追跡模擬結(jié)果達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，絕大部分的光線均照射在直徑60mm的圓形區(qū)域內(nèi)。單個(gè)自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)能量利用率為96%，COB自由曲面透鏡整列的結(jié)構(gòu)能量利用率高于90%。可見(jiàn)，采用自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)后，其能量利用率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)以及微凸結(jié)構(gòu)的利用率[2～4]。

一般照明的均勻度被定義為目標(biāo)面內(nèi)最小照度值與最大照度值之間的比值[12]：

在模擬結(jié)果圖4（b）中，均勻度為98.3%。

4.2 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的可行性，根據(jù)上述仿真結(jié)果，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。我們采用0.889mm的芯片，9顆芯片成3×3陣列，行列距均為2.8mm，外封經(jīng)過(guò)優(yōu)化的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)，制得的實(shí)物如圖5（a）所示。將器件點(diǎn)亮，在遠(yuǎn)離光源15mm外的接受屏的光斑如圖5（b）所示。

圖5 COB實(shí)物（a）及實(shí)際光場(chǎng)分布圖（b）

從圖5（b）可以看出，絕大部分光線落在預(yù)定的直徑60mm的圓形區(qū)域內(nèi)，光斑均勻。實(shí)際效果與前面仿真結(jié)果非常吻合。

5 結(jié)論

文章介紹了新型LED模塊COB封裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)保形涂覆技術(shù)完成熒光粉涂覆，有利于模塊整體散熱，避免膠體溫升對(duì)熒光粉以及硅膠的物理特性造成影響。在已知光源發(fā)光特性以及所需的照明要求的前提下，根據(jù)能量守恒定律以及Snell方程建立方程組，運(yùn)用數(shù)值解法直接得到自由曲面。依據(jù)芯片的間距等參數(shù)，在其上外封計(jì)算得到的自由曲面透鏡陣列，從而有效避免光線在硅膠與空氣界面的全反射的發(fā)生，并能實(shí)現(xiàn)特定光學(xué)分布。光學(xué)仿真結(jié)果表明，該方案能取得較好的設(shè)計(jì)效果，可以實(shí)現(xiàn)近朗伯體出光以及均勻照明等出光效果，且結(jié)構(gòu)出光效率高于90%，高于常用的平面結(jié)構(gòu)。實(shí)物光場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真效果非常吻合。理論上，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案適用于所有類型的LED，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)更改程序中對(duì)應(yīng)參數(shù)可得到所需的出光光學(xué)分布，因而該結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用范圍。

[1]黃春英，王曉軍.多芯片陣列組合白光LED封裝研究[J].電子與封裝，2010,10(2)：7-10.

[2]I. A. Furgel’, O. V. Molin,V. E. Borshch, E. M. Sigal,and M.A. Tyrtsakova．Thermal conductivity of polymer composites with a disperse filler[J]. Journal of engineering physics and thermophysics,1992,62(3) ：335-340.

[3]寧俊，李小紅，柴儲(chǔ)芬，劉學(xué)林. COB結(jié)構(gòu)功率LED封裝取光效率的研究[C]. 第十一屆全國(guó)LED產(chǎn)業(yè)研討與學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2008：95-100.

[4]寧磊，史永勝，史耀華，陳陽(yáng)陽(yáng). LED封裝結(jié)構(gòu)對(duì)出光率的影響[J]. 液晶與顯示,2010,25(6)：822-825.

[5]A. I. Zhmakin. Enhancement of light extraction from light emitting diodes[J]. Physics Reports ,2011,498, 189-241.

[6]祁姝琪，丁申冬，鄭鵬，秦會(huì)斌.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.

[7]夏勛力，余彬海， 麥鎮(zhèn)強(qiáng)．近朗伯光型LED透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)技術(shù)應(yīng)用, 2010，25(1)：22-25，37.

[8]Wei Tai, Rudolf Schwarte. Design of an aspherical lens to generate a homogenous irradiance for three dimensional sensors with a light emitting diode source[J]. Applied Optics, 2000,39( 31)：5801-5805.

[9]Ying Ding. Secondary optical design for LED illumination using freeform lens[C]. SPIE, 7103：1-8.

[10]謝志國(guó)，吳建國(guó)， 李程， 余彬海. 基于雙自由曲面的LED大角度光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)與光電技術(shù), 2012,10(2)：61-64.

[11]I.Moreno，M.Avendano-Alejo，and R.I.Tzonchev.Designing LED arrays for uniform near-field irradiance[J].Appl.Optics ,2006(45)：2265-2272.

[12]郝翔. 基于自由曲面的LED照明系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.