不同几何尺寸的直插型led灯的发光强度及分布

不同几何尺寸的直插型led灯的发光强度及分布

光矩阵是场光的光源，它将能直接转换为光能的半导器件。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。一、材料、模具和封装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14mil×14mil,芯片高度225±25μm,额定工作电压2V,额定工作电流20mA。发光强度220~340mcd。峰值波长586nm,主波长582nm,半高宽15nm。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5mm,帽沿高度1.2mm。小灯帽模具型号是YG323-3.8,内径3mm,帽沿高度1.2mm。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、led封装工艺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20mA,工作电压2V,电功率40W。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20mA,工作电压2V,反向漏电流0.00μA,电功率40mW。三、小灯帽和实际芯片的距离分析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2.5mm,芯片距离半球球心距离2mm。小灯帽半球半径1.5mm,芯片距离球心距离1mm。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。(一)芯片扩散角分析图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。由表1可知,大灯帽最大光强平均值为6846mcd,小灯帽最大光强平均值为2002mcd,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5849mcd,小灯帽法线方向光强平均值为1009mcd。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14mil,远远小于透镜的直径5mm,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3mm,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。(二)小灯帽和实际光通量分别测量了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2.453lm,大灯帽的光通量的平均值为1.771lm,小灯帽光通量平均值为大灯帽光通量平均值的1.4倍。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。四、封装透镜主要光向方向发展特征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