一種led芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED芯片的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種LED芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)作為新興綠色固體照明光源，具有亮度高、功耗低、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)快等優(yōu)勢(shì)，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。相對(duì)白熾燈、節(jié)能燈和熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，LED在發(fā)光效率和使用壽命上都具有壓倒性的優(yōu)勢(shì)。更進(jìn)一步地，目前LED的發(fā)光效率還存在著很大的提升空間，提高LED的發(fā)光效率有助于降低其單位發(fā)光量的生產(chǎn)成本，對(duì)于在更大范圍上推廣LED具有十分重要的意義。為此，相關(guān)科研人員發(fā)明了圖形化藍(lán)寶石襯底、表面粗化、倒裝芯片、光子晶體等技術(shù)。其中圖形化藍(lán)寶石襯底技術(shù)利用微納機(jī)電技術(shù)在藍(lán)寶石襯底表面制作具有一定陣列規(guī)律微米級(jí)或納米級(jí)的圖案，借助微小圖案來(lái)控制光線的散射，以此提高光提取率；表面粗化技術(shù)則通過(guò)對(duì)LED芯片表面進(jìn)行粗糙化處理，通過(guò)改變表面形貌來(lái)改變光線在表面的散射情況，以獲得更大的表面光溢出率；倒裝芯片即運(yùn)用金球焊等技術(shù)將LED芯片電極區(qū)朝向封裝基板進(jìn)行連接，使芯片背部透明的藍(lán)寶石襯底面成為主要出光面，從而提高光通量；光子晶體技術(shù)是利用光子晶體對(duì)光線的衍射作用來(lái)改善LED芯片中普遍存在的因全反射而造成的“光拘束”問(wèn)題，以此來(lái)提高光提取率。以上這些技術(shù)單獨(dú)運(yùn)用在LED芯片上時(shí)，能夠不同程度地提高LED芯片的光提取率進(jìn)而提高外量子效率。
[0003]上述的提高光提取率技術(shù)數(shù)目繁多，并且實(shí)際情況中常常多項(xiàng)技術(shù)共同應(yīng)用，以求獲得更高的光提取率提升效果。在這種情況下，各項(xiàng)技術(shù)之間相互影響十分復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)科學(xué)的理論和豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，使得優(yōu)化困難重重。因此準(zhǔn)確評(píng)估LED的光提取率，并以此對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化以獲得更高的提升效果就顯得尤為重要。然而，現(xiàn)階段LED的光提取率僅能通過(guò)實(shí)際的芯片測(cè)試反映出來(lái)，步驟繁瑣進(jìn)度緩慢。不僅如此芯片，在目前的優(yōu)化過(guò)程中，需要大量實(shí)驗(yàn)并且加以對(duì)比驗(yàn)證，才能獲得理想的優(yōu)化參數(shù)，大大地降低了效率并增加了設(shè)計(jì)成本。
[0004]所以亟需一種系統(tǒng)準(zhǔn)確、方便高效的評(píng)估機(jī)制，用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)LED的光提取率。這種方法除了要避免繁瑣、成本高的實(shí)際產(chǎn)品制備，還要有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢砝碚摵蛿?shù)學(xué)模型指導(dǎo)，以保證方法的準(zhǔn)確性與可靠性。同時(shí)，由于LED產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，這種預(yù)測(cè)方法需要適應(yīng)正裝、倒裝(Flip Chip)、垂直等芯片結(jié)構(gòu)以及包括貼片式、功率型等多種封裝方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種LED芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法，在保證與實(shí)際情況相符合的前提下縮短了建模過(guò)程和計(jì)算時(shí)間，提高了效率。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種LED芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟:
[0008](I)構(gòu)建封裝基板模型:采用計(jì)算機(jī)3D建模軟件的建模功能構(gòu)建出封裝基板，并利用計(jì)算機(jī)3D建模軟件的布爾運(yùn)算差集功能在封裝基板的中央剪切出凹槽，為L(zhǎng)ED芯片模型提供位置；
[0009](2)構(gòu)建封裝樹(shù)脂模型:采用計(jì)算機(jī)3D建模軟件，建立填充步驟(I)得到的凹槽的封裝樹(shù)脂，并利用軟件的布爾運(yùn)算差集功能在封裝樹(shù)脂中為L(zhǎng)ED芯片模型剪切出空位；
[0010](3)導(dǎo)入LED封裝模型及芯片模型:采用TracePiX)軟件自帶的插入零件功能，導(dǎo)入LED芯片模型以及步驟⑴建好的封裝基板和步驟(2)中分別已經(jīng)構(gòu)建好的封裝基板和封裝樹(shù)脂模型，組成完整的LED封裝模型；
[0011](4))構(gòu)建革E面:采用TracePro軟件自帶的建模功能制作六個(gè)矩形革E面，所述六個(gè)靶面分別置于封裝模型的上、下、前、后、左、右方，包圍整個(gè)封裝模型；
[0012](5)設(shè)置光學(xué)參數(shù):采用TracePro中的BSDF函數(shù)中ABg模型功能，為封裝基板的凹槽表面設(shè)置Ag反射杯參數(shù)；利用TracePro中材質(zhì)屬性、表面屬性、體散射屬性，為封裝樹(shù)脂和LED芯片設(shè)置光性能參數(shù)；
[0013](6)收集記錄數(shù)據(jù):利用TracePro軟件的掃光系統(tǒng)，對(duì)LED封裝模型進(jìn)行光線追蹤，分別獲取六個(gè)靶面上的光通量數(shù)據(jù)，加和得到總光通量；
[0014](7)預(yù)測(cè)光提取率:計(jì)算LED芯片模型設(shè)定的發(fā)光參數(shù)和總光通量的比值，得到光提取率。
[0015]步驟(5)所述光性能參數(shù)包括折射率、溫度設(shè)置、吸收率、消光系數(shù)、出射光波長(zhǎng)、表面BSDF函數(shù)中的ABg模型的參數(shù)、體散射模型的參數(shù)。
[0016]步驟(I)采用計(jì)算機(jī)3D建模軟件的建模功能構(gòu)建出封裝基板，具體為:
[0017]采用計(jì)算機(jī)3D建模軟件的建模功能構(gòu)建出圓柱或方形的封裝基板。
[0018]步驟(3)所述LED封裝模型的結(jié)構(gòu)為貼片式LED或LED燈珠。
[0019]步驟(3)所述LED芯片模型為正裝、倒裝或垂直芯片結(jié)構(gòu)。
[0020]步驟(I)所述凹槽為圓臺(tái)形凹槽或圓柱形凹槽。
[0021]所述計(jì)算機(jī)3D建模軟件為SolidWorks軟件。
[0022]本發(fā)明借助光學(xué)傳播的物理理論和數(shù)學(xué)模型，利用光學(xué)理論如反射、折射、光吸收原理等，模擬出光線在芯片和封裝結(jié)構(gòu)中的傳播路徑，通過(guò)計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)大量光線的平均行為，最終計(jì)算得到光提取率的提升效果。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024](I)本發(fā)明對(duì)LED封裝全結(jié)構(gòu)模型建模，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)LED芯片及封裝層面的模擬，以最終的總光通為結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的光提取率進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果更貼近實(shí)際情況，具備參考價(jià)值。
[0025](2)本發(fā)明的模型經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化，在保證與實(shí)際情況相符合的前提下縮短了建模過(guò)程和計(jì)算時(shí)間，提高了效率。
[0026](3)本發(fā)明嚴(yán)格符合光傳播的物理理論并擁有精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)建模模型，因此具備科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，可以良好地反映實(shí)際光線傳播情況。
[0027](4)本發(fā)明支持參數(shù)的微小調(diào)整，能系統(tǒng)研宄各種技術(shù)的各種參數(shù)對(duì)LED出光效率的影響，無(wú)需成品以檢測(cè)性能，實(shí)現(xiàn)零成本優(yōu)化。
[0028](5)本發(fā)明運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)近似模型實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)提高光提取率技術(shù)的模擬，并且能夠進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)共同模擬，系統(tǒng)地優(yōu)化各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，以取得最好的優(yōu)化結(jié)果。
[0029](6)本發(fā)明可根據(jù)需要模擬各種材料制備的LED和各種封裝標(biāo)準(zhǔn)下LED的出光效率，為尋找更佳LED外延結(jié)構(gòu)、襯底材料和封裝結(jié)構(gòu)提供新思路。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1的LED封裝模型的主視圖。
[0031]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1的LED封裝模型的俯視圖。
[0032]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1的LED封裝模型的左視圖。
[0033]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的LED芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法的流程圖。
[0034]圖5為本發(fā)明的實(shí)施例2的LED封裝模型的主視圖。
[0035]圖6為本發(fā)明的實(shí)施例2的LED封裝模型的俯視圖。
[0036]圖7為本發(fā)明的實(shí)施例2的LED封裝模型的左視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0038]實(shí)施例1
[0039]圖1?3為本實(shí)施例的5050貼片式LED封裝模型的三視圖，由外部導(dǎo)入的LED芯片11、封裝基板12和封裝樹(shù)脂13組成。
[0040]如圖4所示，本實(shí)施例的LED芯片光提取率的預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:
[0041](I)構(gòu)建封裝基板模型:采用SolidWorks軟件的建模功能構(gòu)建出尺寸為750mmX 750mmX 150mm長(zhǎng)方體狀的基板，并在利用軟件的布爾運(yùn)算差集功能以實(shí)現(xiàn)在中央剪切出高120mm、上下圓面半徑分別為330mm和225mm的圓臺(tái)形凹槽。
[0042](2)構(gòu)建封裝樹(shù)脂模型:采用SolidWorks軟件，根據(jù)⑴中建立的凹槽形狀，建立填充步驟(I)得到的圓臺(tái)形凹槽的封裝樹(shù)脂，利用SolidWorks軟件的布爾運(yùn)算差集功能在樹(shù)脂中為L(zhǎng)ED芯片剪切出120mmX 120mmX 104.275mm的空位；
[0043](3)導(dǎo)入LED封裝模型及芯片模型:采用TracePro軟件自帶的插入零件功能，從外部導(dǎo)入LED芯片以及步驟(1)、(2)中分別已經(jīng)構(gòu)建好的封裝基板和封裝樹(shù)脂模型，組成完整的LED模型；
[0044]本實(shí)施例分別從外界導(dǎo)入六棱錐半球混合圖案圖形化藍(lán)寶石襯底芯片與無(wú)圖案藍(lán)寶石襯底芯片。
[0045](4)構(gòu)建革E面:采用TracePro軟件自帶的建模功能制作六個(gè)矩形革E面，所述六個(gè)靶面分別置于封裝模型的上、下、前、后、左、右方；
[0046]本實(shí)施例中靶面尺寸為100mmX 100mmX 2mm，在直角坐標(biāo)系中中心位置分別為(O, O, 501)、(O, O, -501)、(O, 501，O)、(O, -501，O)、(501，O, O)和(-501，O, O)。
[0047](5)設(shè)置光學(xué)參數(shù):采用TracePro中的BSDF函數(shù)中ABg模型功能，為封裝基板模型中凹槽表面設(shè)置Ag反射杯參數(shù)；利用TracePro中材質(zhì)屬性、表面屬性、體散射屬性，為封裝樹(shù)脂和LED芯片設(shè)置光性能參數(shù)；
[0048]本實(shí)施例中芯片的材質(zhì)從外界導(dǎo)入，封裝樹(shù)脂折射率1.41，Ag反射杯參數(shù)為吸收率5 %，鏡面反射率80 %，BSDF函數(shù)模型中參數(shù)B為0.001，g為3.5，A通