1　引言

　　作為固體光源的發(fā)光二極管(LED)具有體積小、壽命長(zhǎng)、電光效率高、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前景的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo)。到目前為止，LED已經(jīng)在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和顯示等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但將LED應(yīng)用在功能性照明中還需要解決一些問(wèn)題，如LED發(fā)光效率的提高、大功率燈具中LED的散熱以及多顆LED顆粒同時(shí)使用時(shí)的色差等。提高LED的發(fā)光效率對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，目前研究人員主要從材料的角度考慮來(lái)提高LED發(fā)光效率，有以下兩方面途徑：一是通過(guò)優(yōu)化襯底和工藝，減少材料位錯(cuò)密度，改進(jìn)材料質(zhì)量，提高LED的量子效率;二是優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用表面粗化等方法來(lái)提高LED的出光效率。

　　封裝結(jié)構(gòu)對(duì)出光率也有很大影響，設(shè)計(jì)合適的封裝結(jié)構(gòu)有利于光線射出，可以提高LED發(fā)光的外量子效率。目前常用的封裝結(jié)構(gòu)主要有引腳式封裝、平面式封裝、表面貼片二極管(SMD)封裝、食人魚(yú)封裝以及大功率封裝等，這些封裝的腔體結(jié)構(gòu)都會(huì)影響出光率。本文基于現(xiàn)有通用封裝的共有特點(diǎn)，提出了一種優(yōu)化LED封裝結(jié)構(gòu)的方法，利用TracePro軟件模擬分析了LED封裝結(jié)構(gòu)與出光率的關(guān)系，從形狀、張角、腔體頂面凹凸性等方面對(duì)LED封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，探討封裝結(jié)構(gòu)與出光率的關(guān)系。

　　2　LED封裝結(jié)構(gòu)的軟件模擬

　　LED可發(fā)出紅、黃、綠、藍(lán)或白光。LED內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)由芯片、反射鏡和由塑料密封材料制成的光學(xué)透鏡組成。芯片、反射鏡和樹(shù)脂透鏡的幾何形狀決定了LED的光提取效率和光能量分布，對(duì)LED封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以提高LED的出光率，通過(guò)軟件模擬的方法可以設(shè)計(jì)合適的LED封裝結(jié)構(gòu)，利用TracePro軟件模擬需要以下幾步：

　　(1)在TracePro軟件中進(jìn)行LED封裝腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如設(shè)計(jì)出3.0mm×2.5mm×1.5mm的LED，在模擬時(shí)需要封裝腔體的反射腔深度為0.8mm，頂面開(kāi)口圓半徑為1.0mm，底面圓半徑約為0.5mm。

　　(2)對(duì)LED封裝腔體的材料以及對(duì)腔體內(nèi)表面反射率進(jìn)行定義，LED封裝材料可選用折射率為1.5的樹(shù)脂材料，封裝腔的內(nèi)表面反射率可定為80%，材料吸收率則為20%。

　　(3)對(duì)LED發(fā)光芯片進(jìn)行定義，同時(shí)進(jìn)行光線追蹤。LED芯片發(fā)光面設(shè)置為lambertian發(fā)光，光通量為1lm。

　　(4)模擬出candela光強(qiáng)分析圖并計(jì)算出光率，討論光效與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

　　按照以上步驟分析LED封裝結(jié)構(gòu)對(duì)出光率影響。設(shè)置一圓臺(tái)，底面圓半徑為0.5mm，頂面圓半徑為1.0mm，高度為0.8mm，圖1是LED封裝結(jié)構(gòu)的外形圖。圓臺(tái)以材料樹(shù)脂填充，樹(shù)脂折射率為1.5。檢測(cè)體設(shè)置為一個(gè)底面半徑為1000mm，高10mm的圓柱體，測(cè)試面為圓面，測(cè)試面距離發(fā)光面40mm。利用軟件模擬得到candela光強(qiáng)分析圖(圖2)，通過(guò)對(duì)圓臺(tái)體LED封裝腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與模擬可以得到LED的發(fā)光立體角，計(jì)算出LED的出光率。用同樣的方法可模擬橢圓臺(tái)體封裝腔、方臺(tái)體封裝腔等。