解讀UV-LED結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前單個UV-LED 芯片不像白光芯片，其功率非常有限，因此為了獲得大功率和使大功率UV-LED器件穩(wěn)定而可靠的工作，又要做到封裝結(jié)構(gòu)簡單緊湊，就必須提出UV-LED 陣列設(shè)計。也就是說，把多個UV-LED 芯片集成在一個小模塊里，從而得到較大光強(qiáng)的光源。采用COB 封裝技術(shù)，可以盡可能減少從芯片到外部環(huán)境之間的接觸層，從而減少熱阻，降低材料不匹配的問題。配合外部制冷器，可以讓大功率UV-LED 芯片在較低溫度下保持長時間的持續(xù)高亮度發(fā)光，保證UV-LED 光源的可靠性和穩(wěn)定性。

由于芯片的發(fā)光是從芯片的四周向外界各個方向進(jìn)行發(fā)射，因此在進(jìn)行UV-LED點光源結(jié)構(gòu)設(shè)計時，影響UV-LED 出光效率主要有：1)用于光反射的反射杯結(jié)構(gòu);2)光線通過透鏡的透過率和折射率;3)封裝工藝的好壞;4)封裝材料的防紫外老化能力。這些參數(shù)都會直接影響到UV-LED的出光效率，如果UV-LED 的封裝結(jié)構(gòu)里面沒有設(shè)計反射杯，則很大一部分光線則會損失，轉(zhuǎn)化成熱量，從而也間接地增加了熱管理難度。

目前UV-LED 主要有環(huán)氧樹脂封裝和硅膠/玻璃透鏡封裝。前者主要應(yīng)用于大于400 nm 的近紫外LED封裝，后者主要應(yīng)用于波長小于400 nm 的LED 封裝。又由于GaN和藍(lán)寶石折射率分別為2.4 和1.76 ，而氣體折射率為1，較大的折射率差導(dǎo)致全反射限制光的逸出較為嚴(yán)重，封裝后器件的出光效率低。因此在透鏡的設(shè)計方面，要綜合考慮器件在紫外波段的光透過率、耐熱能力和耐紫外老化能力。

根據(jù)光的萃取原理，這兩種結(jié)構(gòu)均采用了折射率很高的硅膠和玻璃透鏡，充分消除了光的全反射效應(yīng)，大大提高了出光效率。這兩種結(jié)構(gòu)非常類似，都是將LED芯片直接固晶在陶瓷基板上，陶瓷基板通過錫球焊接在銅鋁散熱片或熱沉上，整個封裝結(jié)構(gòu)的熱阻較小，外層封裝折射率為1.5 的硅膠和玻璃透鏡，反射板采用陶瓷基板自帶的反射腔體，唯一的區(qū)別在于后者多加了一層封裝硅膠B，形成折射率遞減的三層結(jié)構(gòu)，減少全反射的光線損失。

在整個封裝結(jié)構(gòu)中，樹脂層厚度都較薄，可以盡可能地減少硅樹脂對紫外光的吸收損耗，且折射率逐層遞減的三層結(jié)構(gòu)有利于減少光在傳播過程中的菲涅爾損耗。在某些場合，若需更大地提高光線透過率，可以在光學(xué)系統(tǒng)各面均鍍制光學(xué)增透膜。

在上述封裝結(jié)構(gòu)中，反射腔體的設(shè)計也尤為重要。為達(dá)到最佳的出光光強(qiáng)，如圖3-5 所示，反射腔體的反射角度應(yīng)該為55°為最佳反射角，或腔體夾角為70°，反射角過大或過小都會導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低。

另外根據(jù)光學(xué)上的出光原理，為有效地減少全反射現(xiàn)象，我們選取膠水的原則一般是由里到外，膠水折射率從高到低(外層膠水的折射率可以小于或等于內(nèi)層膠水折射率，但絕不能高于內(nèi)層膠水的折射率)。