一种led芯片光提取率的预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED芯片的设计领域，特别涉及一种LED芯片光提取率的预测方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED)作为新兴绿色固体照明光源，具有亮度高、功耗低、寿命长、启动快等优势，具有巨大的应用价值。相对白炽灯、节能灯和荧光灯等传统照明光源，LED在发光效率和使用寿命上都具有压倒性的优势。更进一步地，目前LED的发光效率还存在着很大的提升空间，提高LED的发光效率有助于降低其单位发光量的生产成本，对于在更大范围上推广LED具有十分重要的意义。为此，相关科研人员发明了图形化蓝宝石衬底、表面粗化、倒装芯片、光子晶体等技术。其中图形化蓝宝石衬底技术利用微纳机电技术在蓝宝石衬底表面制作具有一定阵列规律微米级或纳米级的图案，借助微小图案来控制光线的散射，以此提高光提取率；表面粗化技术则通过对LED芯片表面进行粗糙化处理，通过改变表面形貌来改变光线在表面的散射情况，以获得更大的表面光溢出率；倒装芯片即运用金球焊等技术将LED芯片电极区朝向封装基板进行连接，使芯片背部透明的蓝宝石衬底面成为主要出光面，从而提高光通量；光子晶体技术是利用光子晶体对光线的衍射作用来改善LED芯片中普遍存在的因全反射而造成的“光拘束”问题，以此来提高光提取率。以上这些技术单独运用在LED芯片上时，能够不同程度地提高LED芯片的光提取率进而提高外量子效率。
[0003]上述的提高光提取率技术数目繁多，并且实际情况中常常多项技术共同应用，以求获得更高的光提取率提升效果。在这种情况下，各项技术之间相互影响十分复杂，缺乏系统科学的理论和丰富的实验经验指导，使得优化困难重重。因此准确评估LED的光提取率，并以此对技术参数进行系统的优化以获得更高的提升效果就显得尤为重要。然而，现阶段LED的光提取率仅能通过实际的芯片测试反映出来，步骤繁琐进度缓慢。不仅如此芯片，在目前的优化过程中，需要大量实验并且加以对比验证，才能获得理想的优化参数，大大地降低了效率并增加了设计成本。
[0004]所以亟需一种系统准确、方便高效的评估机制，用于准确预测LED的光提取率。这种方法除了要避免繁琐、成本高的实际产品制备，还要有科学严谨的物理理论和数学模型指导，以保证方法的准确性与可靠性。同时，由于LED产品结构的复杂性和多样性，这种预测方法需要适应正装、倒装(Flip Chip)、垂直等芯片结构以及包括贴片式、功率型等多种封装方式。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种LED芯片光提取率的预测方法，在保证与实际情况相符合的前提下缩短了建模过程和计算时间，提高了效率。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0007]一种LED芯片光提取率的预测方法，包括以下步骤:
[0008](I)构建封装基板模型:采用计算机3D建模软件的建模功能构建出封装基板，并利用计算机3D建模软件的布尔运算差集功能在封装基板的中央剪切出凹槽，为LED芯片模型提供位置；
[0009](2)构建封装树脂模型:采用计算机3D建模软件，建立填充步骤(I)得到的凹槽的封装树脂，并利用软件的布尔运算差集功能在封装树脂中为LED芯片模型剪切出空位；
[0010](3)导入LED封装模型及芯片模型:采用TracePiX)软件自带的插入零件功能，导入LED芯片模型以及步骤⑴建好的封装基板和步骤(2)中分别已经构建好的封装基板和封装树脂模型，组成完整的LED封装模型；
[0011](4))构建革E面:采用TracePro软件自带的建模功能制作六个矩形革E面，所述六个靶面分别置于封装模型的上、下、前、后、左、右方，包围整个封装模型；
[0012](5)设置光学参数:采用TracePro中的BSDF函数中ABg模型功能，为封装基板的凹槽表面设置Ag反射杯参数；利用TracePro中材质属性、表面属性、体散射属性，为封装树脂和LED芯片设置光性能参数；
[0013](6)收集记录数据:利用TracePro软件的扫光系统，对LED封装模型进行光线追踪，分别获取六个靶面上的光通量数据，加和得到总光通量；
[0014](7)预测光提取率:计算LED芯片模型设定的发光参数和总光通量的比值，得到光提取率。
[0015]步骤(5)所述光性能参数包括折射率、温度设置、吸收率、消光系数、出射光波长、表面BSDF函数中的ABg模型的参数、体散射模型的参数。
[0016]步骤(I)采用计算机3D建模软件的建模功能构建出封装基板，具体为:
[0017]采用计算机3D建模软件的建模功能构建出圆柱或方形的封装基板。
[0018]步骤(3)所述LED封装模型的结构为贴片式LED或LED灯珠。
[0019]步骤(3)所述LED芯片模型为正装、倒装或垂直芯片结构。
[0020]步骤(I)所述凹槽为圆台形凹槽或圆柱形凹槽。
[0021]所述计算机3D建模软件为SolidWorks软件。
[0022]本发明借助光学传播的物理理论和数学模型，利用光学理论如反射、折射、光吸收原理等，模拟出光线在芯片和封装结构中的传播路径，通过计算机统计大量光线的平均行为，最终计算得到光提取率的提升效果。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0024](I)本发明对LED封装全结构模型建模，实现在整个LED芯片及封装层面的模拟，以最终的总光通为结果对产品的光提取率进行预测，结果更贴近实际情况，具备参考价值。
[0025](2)本发明的模型经过合理简化，在保证与实际情况相符合的前提下缩短了建模过程和计算时间，提高了效率。
[0026](3)本发明严格符合光传播的物理理论并拥有精准的数学建模模型，因此具备科学性和严谨性，可以良好地反映实际光线传播情况。
[0027](4)本发明支持参数的微小调整，能系统研宄各种技术的各种参数对LED出光效率的影响，无需成品以检测性能，实现零成本优化。
[0028](5)本发明运用统计学近似模型实现多项提高光提取率技术的模拟，并且能够进行多项技术共同模拟，系统地优化各项技术参数，以取得最好的优化结果。
[0029](6)本发明可根据需要模拟各种材料制备的LED和各种封装标准下LED的出光效率，为寻找更佳LED外延结构、衬底材料和封装结构提供新思路。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的实施例1的LED封装模型的主视图。
[0031]图2为本发明的实施例1的LED封装模型的俯视图。
[0032]图3为本发明的实施例1的LED封装模型的左视图。
[0033]图4为本发明的实施例的LED芯片光提取率的预测方法的流程图。
[0034]图5为本发明的实施例2的LED封装模型的主视图。
[0035]图6为本发明的实施例2的LED封装模型的俯视图。
[0036]图7为本发明的实施例2的LED封装模型的左视图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]实施例1
[0039]图1?3为本实施例的5050贴片式LED封装模型的三视图，由外部导入的LED芯片11、封装基板12和封装树脂13组成。
[0040]如图4所示，本实施例的LED芯片光提取率的预测方法包括以下步骤:
[0041](I)构建封装基板模型:采用SolidWorks软件的建模功能构建出尺寸为750mmX 750mmX 150mm长方体状的基板，并在利用软件的布尔运算差集功能以实现在中央剪切出高120mm、上下圆面半径分别为330mm和225mm的圆台形凹槽。
[0042](2)构建封装树脂模型:采用SolidWorks软件，根据⑴中建立的凹槽形状，建立填充步骤(I)得到的圆台形凹槽的封装树脂，利用SolidWorks软件的布尔运算差集功能在树脂中为LED芯片剪切出120mmX 120mmX 104.275mm的空位；
[0043](3)导入LED封装模型及芯片模型:采用TracePro软件自带的插入零件功能，从外部导入LED芯片以及步骤(1)、(2)中分别已经构建好的封装基板和封装树脂模型，组成完整的LED模型；
[0044]本实施例分别从外界导入六棱锥半球混合图案图形化蓝宝石衬底芯片与无图案蓝宝石衬底芯片。
[0045](4)构建革E面:采用TracePro软件自带的建模功能制作六个矩形革E面，所述六个靶面分别置于封装模型的上、下、前、后、左、右方；
[0046]本实施例中靶面尺寸为100mmX 100mmX 2mm，在直角坐标系中中心位置分别为(O, O, 501)、(O, O, -501)、(O, 501，O)、(O, -501，O)、(501，O, O)和(-501，O, O)。
[0047](5)设置光学参数:采用TracePro中的BSDF函数中ABg模型功能，为封装基板模型中凹槽表面设置Ag反射杯参数；利用TracePro中材质属性、表面属性、体散射属性，为封装树脂和LED芯片设置光性能参数；
[0048]本实施例中芯片的材质从外界导入，封装树脂折射率1.41，Ag反射杯参数为吸收率5 %，镜面反射率80 %，BSDF函数模型中参数B为0.001，g为3.5，A通