六邊形LED芯片的出光效率模擬研究

　　近年來(lái)，人們對LED的出光效率和出光的效果進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)。有研究機構做出了六邊形的LED芯片，實(shí)踐中在光學(xué)性能、出光效率和成本上比傳統的LED芯片有較大的優(yōu)勢。因此利用TracePro仿真軟件對不同形狀的LED芯片進(jìn)行模擬，并通過(guò)對比驗證仿真結果的正確性和仿真方法的可行性。仿真結果表明，六邊形芯片的LED模型在光線(xiàn)扭曲和暗點(diǎn)的問(wèn)題上比傳統芯片的LED模型得到了明顯的改善，照度均勻性得到明顯的增強，光能的輸出效率上也有一定的提高。對比兩種芯片的LED模型在當下比較常見(jiàn)的封裝模式下的光學(xué)性能，結果表明六邊形芯片的LED模型在光強或均勻度上都要好于正方形芯片的LED模型。

　　近年來(lái)LED得到了快速的發(fā)展，人們對環(huán)保節能的綠色光源給予了更多的研究，高的出光效率和良好的散熱特性是將來(lái)LED芯片發(fā)展的兩個(gè)必然趨勢，提高芯片的出光效率是解決光源大功率化和可靠性的根本。為了在出光效率和效果上能有更大的改進(jìn)，人們在不同襯底上制作LED芯片，或采用一些新的設計思路、工藝結構和制備方法等，以提高它的出光效率。LED芯片形狀通常為方形，方形芯片所產(chǎn)生的束剖面與光學(xué)設計中使用的圓形鏡片的圓形切面結合時(shí)失配比較大，封裝后容易產(chǎn)生光束扭曲和暗點(diǎn)。近來(lái)，Verticle公司推出六角LED芯片，以期提高出光效率，在實(shí)踐中，其光學(xué)性能、出光效率和成本上比傳統的LED芯片有所改進(jìn)。因此，采用Tracepro軟件，對六角形LED芯片進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)與傳統的正方形LED芯片比較，了解其出光特性及其效率的提高程度。

1、模擬方案

　　通過(guò)TracePro軟件建立LED的物理模型、設置合理的光源參數、選擇合適的系統材料和表面性能參數，分析LED模型的各表面光強分布和光線(xiàn)數量等參數。先設定LED芯片的光源，由光源的入射參數確定每一束光攜帶的能量，發(fā)射點(diǎn)位置則是在某一平面隨機產(chǎn)生。某一光束與系統內表面的吸收、反射或折射是隨機的，若光束被漫反射表面反射，其反射方向亦隨機，所有這些隨機性行為符合物理定律的概率模型來(lái)描述和確定。在計算中，跟蹤記錄每一束光的行蹤直到它被吸收或者逸出系統，然后再跟蹤下一束光線(xiàn)，通過(guò)跟蹤大量的光束，將結果平均就可以確定在透鏡表面發(fā)出的光線(xiàn)數量，從而確定LED模型的光學(xué)性能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為比起傳統的方法，Tracepro在建立顯示系統的原型時(shí)，時(shí)間上和成本上要大大減少。

　　首先對LED模型進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化;然后利用TracePro軟件對LED模型進(jìn)行仿真模擬，設定發(fā)光面光源、功率、追蹤光線(xiàn)數;再對器件的折射率和吸收系數進(jìn)行設定，在透鏡的上方建立一個(gè)觀(guān)察表面，最后進(jìn)行光線(xiàn)追蹤模擬。

2、結構模型

　　圖1(a)是一個(gè)簡(jiǎn)單封裝的LED模型，最下方是一個(gè)正四棱柱的底座，在上面是一個(gè)正方形的LED芯片，用標準的圓形透鏡進(jìn)行封裝。由于比較不同芯片形狀對出光效果的影響，所以需要定義相同材質(zhì)，透鏡的材質(zhì)定義為環(huán)氧樹(shù)脂。

　　類(lèi)似的再建立另外一個(gè)除了芯片的形狀，其他都和圖1一模一樣的LED 模型，如圖1(b)所示，LED芯片換成一個(gè)面積和正方形芯片一樣的六角形芯片。兩個(gè)模型的底座、芯片和透鏡的材質(zhì)都定義成相同的，這樣兩個(gè)模型模擬比較的時(shí)候變量只有芯片的形狀，然后對兩個(gè)LED模型的發(fā)光面進(jìn)行光源定義，在透鏡的上方建立與透鏡底座半徑大小相當的圓形觀(guān)察表面，進(jìn)行模擬比較分析。

圖1　正方形和六角形LED芯片模型

　　由于芯片上表面射出的光線(xiàn)占總光線(xiàn)的絕大部分，且光線(xiàn)射出滿(mǎn)足Lambertian分布。因此，該表面發(fā)光強度空間分布可表示為：

　　式中，IN為發(fā)光面在法線(xiàn)方向的發(fā)光強度，Ii為和法線(xiàn)成任意角度i方向的發(fā)光強度。且該發(fā)光表面各個(gè)方向的亮度是一個(gè)常量：

　　這樣，在平面孔徑角為i的立體角范圍內發(fā)出的光通量可表示為：

3、結論

　　利用TracePro軟件對不同形狀芯片的LED模型進(jìn)行光學(xué)仿真模擬，結果表明在傳統LED芯片中所出現的光線(xiàn)扭曲和暗點(diǎn)的問(wèn)題上，六邊形LED芯片模擬出來(lái)的結果有得到明顯的改善，照度均勻性得到明顯的增強，光能的輸出效率也有一定的提高。在成本方面一片外延片能生產(chǎn)的六邊形芯片數量比生產(chǎn)出的同樣尺寸的四邊形芯片的數量多，具有較大優(yōu)勢。針對常見(jiàn)的幾種封裝模式的LED模型，模擬結果發(fā)現，在Lamp　LED 的所有系列中六邊形LED芯片的模型在光強上均要比正方形LED芯片模型的光強強度有所增強，在SMD LED的模型中，由于芯片外殼非常近，光線(xiàn)的損耗非常的小，兩種不同芯片模型的光強基本相同，但是六邊形芯片模型的照度均勻性要比正方形芯片模型的要好，光束的扭曲度也有所下降，中心區域照度分布比較集中。

　　封裝高度對均勻度具有很大的影響，隨著(zhù)高度的上升均勻度大幅上升，但在邊高比L：R =3時(shí)，均勻度基本不再上升，達到了一個(gè)極限值。通過(guò)對各模型的均勻度比較可以得出，正多邊形的芯片，邊數越多越接近圓形鏡片的圓形切面，均勻度越好。但由于許多專(zhuān)利和技術(shù)的限制，目前六邊形LED芯片并沒(méi)有得到廣泛的應用，但是隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，六邊形LED芯片在未來(lái)也許會(huì )得到廣泛的應用。