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下一个制胜点:UV-LED结构设计详解

导读: 目前UV-LED 主要有环氧树脂封装和硅胶/玻璃透镜封装。前者主要应用于大于400 nm 的近紫外LED封装,后者主要应用于波长小于400 nm 的LED 封装。

  目前单个UV-LED 芯片不像白光芯片,其功率非常有限,因此为了获得大功率和使大功率UV-LED器件稳定而可靠的工作,又要做到封装结构简单紧凑,就必须提出UV-LED 阵列设计。也就是说,把多个UV-LED 芯片集成在一个小模块里,从而得到较大光强的光源。采用COB 封装技术,可以尽可能减少从芯片到外部环境之间的接触层,从而减少热阻,降低材料不匹配的问题。配合外部制冷器,可以让大功率UV-LED 芯片在较低温度下保持长时间的持续高亮度发光,保证UV-LED 光源的可靠性和稳定性。

  由于芯片的发光是从芯片的四周向外界各个方向进行发射,因此在进行UV-LED点光源结构设计时,影响UV-LED 出光效率主要有:1)用于光反射的反射杯结构;2)光线通过透镜的透过率和折射率;3)封装工艺的好坏;4)封装材料的防紫外老化能力。这些参数都会直接影响到UV-LED的出光效率,如果UV-LED 的封装结构里面没有设计反射杯,则很大一部分光线则会损失,转化成热量,从而也间接地增加了热管理难度。

  目前UV-LED 主要有环氧树脂封装和硅胶/玻璃透镜封装。前者主要应用于大于400 nm 的近紫外LED封装,后者主要应用于波长小于400 nm 的LED 封装。又由于GaN和蓝宝石折射率分别为2.4 和1.76 ,而气体折射率为1,较大的折射率差导致全反射限制光的逸出较为严重,封装后器件的出光效率低。因此在透镜的设计方面,要综合考虑器件在紫外波段的光透过率、耐热能力和耐紫外老化能力。

UVLED点光源结构设计

  根据光的萃取原理,这两种结构均采用了折射率很高的硅胶和玻璃透镜,充分消除了光的全反射效应,大大提高了出光效率。这两种结构非常类似,都是将LED芯片直接固晶在陶瓷基板上,陶瓷基板通过锡球焊接在铜铝散热片或热沉上,整个封装结构的热阻较小,外层封装折射率为1.5 的硅胶和玻璃透镜,反射板采用陶瓷基板自带的反射腔体,唯一的区别在于后者多加了一层封装硅胶B,形成折射率递减的三层结构,减少全反射的光线损失。

  在整个封装结构中,树脂层厚度都较薄,可以尽可能地减少硅树脂对紫外光的吸收损耗,且折射率逐层递减的三层结构有利于减少光在传播过程中的菲涅尔损耗。在某些场合,若需更大地提高光线透过率,可以在光学系统各面均镀制光学增透膜。

  在上述封装结构中,反射腔体的设计也尤为重要。为达到最佳的出光光强,反射腔体的反射角度应该为55°为最佳反射角,或腔体夹角为70°,反射角过大或过小都会导致发光强度降低。

  另外根据光学上的出光原理,为有效地减少全反射现象,我们选取胶水的原则一般是由里到外,胶水折射率从高到低(外层胶水的折射率可以小于或等于内层胶水折射率,但绝不能高于内层胶水的折射率)。

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