六边形LED芯片的出光效率模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)厦门大学物理系 作者:卓晓龙

  近年来,人们对LED的出光效率和出光的效果进行了大量的研究和改进。有研究机构做出了六边形的LED芯片,实践中在光学性能、出光效率和成本上比传统的LED芯片有较大的优势。因此利用TracePro仿真软件对不同形状的LED芯片进行模拟,并通过对比验证仿真结果的正确性和仿真方法的可行性。仿真结果表明,六边形芯片的LED模型在光线扭曲和暗点的问题上比传统芯片的LED模型得到了明显的改善,照度均匀性得到明显的增强,光能的输出效率上也有一定的提高。对比两种芯片的LED模型在当下比较常见的封装模式下的光学性能,结果表明六边形芯片的LED模型在光强或均匀度上都要好于正方形芯片的LED模型。

  近年来LED得到了快速的发展,人们对环保节能的绿色光源给予了更多的研究,高的出光效率和良好的散热特性是将来LED芯片发展的两个必然趋势,提高芯片的出光效率是解决光源大功率化和可靠性的根本。为了在出光效率和效果上能有更大的改进,人们在不同衬底上制作LED芯片,或采用一些新的设计思路、工艺结构和制备方法等,以提高它的出光效率。LED芯片形状通常为方形,方形芯片所产生的束剖面与光学设计中使用的圆形镜片的圆形切面结合时失配比较大,封装后容易产生光束扭曲和暗点。近来,Verticle公司推出六角LED芯片,以期提高出光效率,在实践中,其光学性能、出光效率和成本上比传统的LED芯片有所改进。因此,采用Tracepro软件,对六角形LED芯片进行仿真模拟,通过与传统的正方形LED芯片比较,了解其出光特性及其效率的提高程度。

1、模拟方案

  通过TracePro软件建立LED的物理模型、设置合理的光源参数、选择合适的系统材料和表面性能参数,分析LED模型的各表面光强分布和光线数量等参数。先设定LED芯片的光源,由光源的入射参数确定每一束光携带的能量,发射点位置则是在某一平面随机产生。某一光束与系统内表面的吸收、反射或折射是随机的,若光束被漫反射表面反射,其反射方向亦随机,所有这些随机性行为符合物理定律的概率模型来描述和确定。在计算中,跟踪记录每一束光的行踪直到它被吸收或者逸出系统,然后再跟踪下一束光线,通过跟踪大量的光束,将结果平均就可以确定在透镜表面发出的光线数量,从而确定LED模型的光学性能。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为比起传统的方法,Tracepro在建立显示系统的原型时,时间上和成本上要大大减少。

  首先对LED模型进行适当的简化;然后利用TracePro软件对LED模型进行仿真模拟,设定发光面光源、功率、追踪光线数;再对器件的折射率和吸收系数进行设定,在透镜的上方建立一个观察表面,最后进行光线追踪模拟。

2、结构模型

  图1(a)是一个简单封装的LED模型,最下方是一个正四棱柱的底座,在上面是一个正方形的LED芯片,用标准的圆形透镜进行封装。由于比较不同芯片形状对出光效果的影响,所以需要定义相同材质,透镜的材质定义为环氧树脂。

  类似的再建立另外一个除了芯片的形状,其他都和图1一模一样的LED 模型,如图1(b)所示,LED芯片换成一个面积和正方形芯片一样的六角形芯片。两个模型的底座、芯片和透镜的材质都定义成相同的,这样两个模型模拟比较的时候变量只有芯片的形状,然后对两个LED模型的发光面进行光源定义,在透镜的上方建立与透镜底座半径大小相当的圆形观察表面,进行模拟比较分析。

正方形和六角形LED芯片模型

图1 正方形和六角形LED芯片模型

  由于芯片上表面射出的光线占总光线的绝大部分,且光线射出满足Lambertian分布。因此,该表面发光强度空间分布可表示为:

六边形LED芯片的出光效率模拟研究

  式中,IN为发光面在法线方向的发光强度,Ii为和法线成任意角度i方向的发光强度。且该发光表面各个方向的亮度是一个常量:

六边形LED芯片的出光效率模拟研究

  这样,在平面孔径角为i的立体角范围内发出的光通量可表示为:

六边形LED芯片的出光效率模拟研究

3、结论

  利用TracePro软件对不同形状芯片的LED模型进行光学仿真模拟,结果表明在传统LED芯片中所出现的光线扭曲和暗点的问题上,六边形LED芯片模拟出来的结果有得到明显的改善,照度均匀性得到明显的增强,光能的输出效率也有一定的提高。在成本方面一片外延片能生产的六边形芯片数量比生产出的同样尺寸的四边形芯片的数量多,具有较大优势。针对常见的几种封装模式的LED模型,模拟结果发现,在Lamp LED 的所有系列中六边形LED芯片的模型在光强上均要比正方形LED芯片模型的光强强度有所增强,在SMD LED的模型中,由于芯片外壳非常近,光线的损耗非常的小,两种不同芯片模型的光强基本相同,但是六边形芯片模型的照度均匀性要比正方形芯片模型的要好,光束的扭曲度也有所下降,中心区域照度分布比较集中。

  封装高度对均匀度具有很大的影响,随着高度的上升均匀度大幅上升,但在边高比L:R =3时,均匀度基本不再上升,达到了一个极限值。通过对各模型的均匀度比较可以得出,正多边形的芯片,边数越多越接近圆形镜片的圆形切面,均匀度越好。但由于许多专利和技术的限制,目前六边形LED芯片并没有得到广泛的应用,但是随着科学技术的发展,六边形LED芯片在未来也许会得到广泛的应用。

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