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摘 要： 发光二极管（Light Emitting Diode，LED）的固晶品质对封装效果有直接影响，利用TracePro软件建立LED固晶品质检测教学模型，该模型从芯片偏移、支架选择不合适及杂质引入等方面，模拟固晶品质对LED发光路径及光强空间分布情况的影响，通过模拟结果，学生对固晶错误导致的封装问题有更加直观的认识，从而降低实训教学过程中的废品率，提高学生学习效率和质量。
关键词： 发光二极管 封装 固晶 TracePro 教学模型
1.引言
《LED封装与检测技术》是高职光电子技术专业一门重要的专业核心课，在LED封装的固晶环节教学中，涉及很多复杂、难懂的光学概念和规律，通过专业的光学设计软件TracePro软件进行仿真分析，以图像的形式进行描述，达到更直观的仿真效果，利用其光线追迹功能，可以将微观光学变化图形化，便于学生理解。本教学模型将TracePro软件引入LED封装检测技术中，通过改变LED芯片位置参数，模拟LED灯的光通量和光路变化，针对LED固晶品质对LED封装效果的内在影响进行分析，从而弥补学生光学理论基础的不足。本教学模型不仅能够丰富LED封装实训教学手段，激发学生学习LED封装的兴趣，而且能够降低实训废品率，节省耗材。
2.研究内容
2.1 LED封装固晶品质检测引入TracePro软件的可行性
TracePro软件是一款基于蒙特卡罗法的非序列光线追迹软件，是第一套结合真实固体模型、强大的光学分析功能、资料转换能力强极易上手的使用界面的模拟软件。TracePro软件普遍用于照明系统、辐射分析、光学分析及光度分析。TracePro软件具有处理复杂几何问题的能力，可定义和追迹数百万条光线，它以实体对象构建光路系统，并通过计算反射、折射、吸收和衍射等行为模拟光线与实体表面的作用，能够对真实场景进行计算和显示。
在LED封装固晶品质检测中，可以利用TracePro软件建立实体模型，在实训室获得光源和仪器的相关光学参数，按照实验光路进行模拟。使用方法概分为：
（1）建立几何模型
（2）设计光学材质
（3）定义光源参数
（4）进行光线追迹
（5）分析模拟结果
对应的固晶参数，通过软件界面直接进行设计和调节。模型和参数设置好之后，就可以进行光学追迹、模拟实验现象和调整固晶参数，完成对实验结果的分析。通过这些环节，学生在学习基础光学理论的同时，深入了解了LED封装固晶品质检测的过程，从而将教学与实践有机结合了起来。
2.2固晶品质仿真设计与应用分析
2.2.1固晶合格LED的发光模拟
LED封装对固晶工艺有着严格的要求，首先，固晶位置必须位于碗杯正中心，胶体高度要在芯片高度的1/2～1/3处；其次，LED支架选择要合适，需要根据芯片种类和预期出光效果进行选择；最后，固晶工具要保持清洁，在固晶过程中不可以引入杂质。
根据LED固晶工艺要求及LED尺寸、芯片参数，利用TracePro软件建立合格固晶模型。
2.2.1.1建立LED模型。LED主要由底座、反射碗杯、LED芯片、散射器（Diffuser）组成，如图1所示。反射碗杯位于底座中间，芯片位于碗杯底部正中间。
图1 LED模型基本结构，其中A：底座 B：LED芯片 C：散射器 D：反射碗杯
2.2.1.2设定LED参数。
LED灯底座尺寸为3×3.4×0.9mm，碗杯层尺寸为3×3.4×0.9mm，反射碗杯底面半径为0.65mm，顶部半径1.2mm，碗杯顶部加了一个使LED发光均匀的散射器，半径为1.2mm，厚度为0.01mm。芯片尺寸为0.4×0.4×0.15mm，芯片发光波长为546.1nm，总光线数100。
2.2.1.3模型建立过程中的基本假设。
（1）Diffuser是一个无损失的理想的朗伯发射器；
（2）碗杯内表面是无任何损失的理想反射器；
（3）LED是一个理想的反射扩散器。
2.2.1.4光线追迹。选中光线追迹选项，模拟计算芯片发射光线经碗杯反射和散射器散射后的出光路径，如图2所示。
图2 固晶品质良好的LED发光模拟图
从图2结果可以看出芯片正好位于碗杯正中央，芯片发光以芯片法线为轴线呈对称球状分布，碗杯壁对于光线反射是均匀对称的，出射光线基本都向中心会聚。
2.2.2芯片位置偏离中心时的发光模拟
芯片固晶位置不在碗杯的正中心，可以通过改变芯片相对碗杯中心的位置模拟。将芯片分别沿X轴和Y轴方向移动0.3mm，对应固晶固偏的情况，此时发光效果如图3所示。随着芯片的偏移，LED发光不再呈轴对称分布，经过与芯片距离较近的反射壁反射的光线数量增多，光线主要集中在芯片偏移的方向上。
图3 芯片偏离碗杯中心的LED发光模拟图
2.2.3点胶量过多时的发光效果模拟
固晶时如果点胶量过多，就会使芯片相对碗杯高度增高，通过改变芯片位置坐标中的Z轴坐标，可以改变芯片相对碗杯底部的高度，模拟点数量过多情况下发光模拟，如图4所示。芯片高度变高后芯片发出的光有很大一部分没有经过碗杯壁的反射通过散射器发射出去，导致LED发光会聚性变差，呈分散分布。
图4 点胶量过多LED发光模拟
2.2.4LED支架选择不合适时的发光模拟
不同型号的LED支架最主要的差别是反射碗杯壁倾斜度不同，通过修改碗杯尺寸可以模拟不同型号支架固晶后的效果，将碗杯顶部半径由原来的1.2mm改为1mm，碗杯的倾斜度变小，模拟结果如图5所示。碗杯壁倾斜度减小后，芯片发出的光线经杯壁反射的角度变小，导致出射光线变得发散，LED灯光线会聚性变差。
图5 支架选择不合适LED发光模拟
2.2.5LED固晶引入杂质后发光模拟
LED固晶引入杂质，可以看成在LED碗杯中多了一些杂质颗粒。通过在碗杯中加入7个直径为1mm的球体，模拟杂质对LED发光的影响，如图6所示。通过光线追迹可以看到芯片发出的光线遇到颗粒后会发生散射，导致光线变得杂乱无章，最后通过散射器出射的光线分布散乱无规则，发光的准直性变差。
图6 固晶过程中引入杂质的LED发光模拟
三、结语
在《LED封装与检测技术》的固晶环节教学过程中，专业光学设计软件TracePro的引入为LED封装教学开辟了新的途径。本教学模型借助TracePro软件模拟了不同固晶品质下LED发光效果，其中的微观变化可以用图形化方式展示在学生面前。基于TracePro软件的光学仿真具有良好的可控性和观测方便等特点，学生可以根据根据封装过程中发生的实际问题，自行建立仿真教学模型，找到问题原因并想办法解决，提高分析问题、解决问题的能力。
参考文献：
[1]唐小村.基于TracePro的光学仿真实验教学.实验技术与管理[J].实验技术与管理，2013（1）.
[2]齐坤，陈旭.大功率LED封装界面材料的热分析[J].电子与封装，2007（6）：8-12.
[3]刘峰，黄镇，陈丽，等.基于LED的均匀照明投影光路设计[J].广东工业大学学报，2012.29（3）：73-80.
[4]张永林，狄红卫.光电子技术[M].北京：高等教育出版社，2005：31-35.
[5]汪巍.基于透射型自由曲面理论的均匀照明设计方法研究[D].浙江：浙江大学，2006.
[6]何锡源，张旭，张福甲.封装用高热导率硅胶性能的研究[J].光电子技术，2011.31（2）：141-144.
[7]王尔镇.高效率白光LED的技术开发[J].照明工程学报，2003，14（4）：23-31.
关键词： 发光二极管 封装 固晶 TracePro 教学模型
1.引言
《LED封装与检测技术》是高职光电子技术专业一门重要的专业核心课，在LED封装的固晶环节教学中，涉及很多复杂、难懂的光学概念和规律，通过专业的光学设计软件TracePro软件进行仿真分析，以图像的形式进行描述，达到更直观的仿真效果，利用其光线追迹功能，可以将微观光学变化图形化，便于学生理解。本教学模型将TracePro软件引入LED封装检测技术中，通过改变LED芯片位置参数，模拟LED灯的光通量和光路变化，针对LED固晶品质对LED封装效果的内在影响进行分析，从而弥补学生光学理论基础的不足。本教学模型不仅能够丰富LED封装实训教学手段，激发学生学习LED封装的兴趣，而且能够降低实训废品率，节省耗材。
2.研究内容
2.1 LED封装固晶品质检测引入TracePro软件的可行性
TracePro软件是一款基于蒙特卡罗法的非序列光线追迹软件，是第一套结合真实固体模型、强大的光学分析功能、资料转换能力强极易上手的使用界面的模拟软件。TracePro软件普遍用于照明系统、辐射分析、光学分析及光度分析。TracePro软件具有处理复杂几何问题的能力，可定义和追迹数百万条光线，它以实体对象构建光路系统，并通过计算反射、折射、吸收和衍射等行为模拟光线与实体表面的作用，能够对真实场景进行计算和显示。
在LED封装固晶品质检测中，可以利用TracePro软件建立实体模型，在实训室获得光源和仪器的相关光学参数，按照实验光路进行模拟。使用方法概分为：
（1）建立几何模型
（2）设计光学材质
（3）定义光源参数
（4）进行光线追迹
（5）分析模拟结果
对应的固晶参数，通过软件界面直接进行设计和调节。模型和参数设置好之后，就可以进行光学追迹、模拟实验现象和调整固晶参数，完成对实验结果的分析。通过这些环节，学生在学习基础光学理论的同时，深入了解了LED封装固晶品质检测的过程，从而将教学与实践有机结合了起来。
2.2固晶品质仿真设计与应用分析
2.2.1固晶合格LED的发光模拟
LED封装对固晶工艺有着严格的要求，首先，固晶位置必须位于碗杯正中心，胶体高度要在芯片高度的1/2～1/3处；其次，LED支架选择要合适，需要根据芯片种类和预期出光效果进行选择；最后，固晶工具要保持清洁，在固晶过程中不可以引入杂质。
根据LED固晶工艺要求及LED尺寸、芯片参数，利用TracePro软件建立合格固晶模型。
2.2.1.1建立LED模型。LED主要由底座、反射碗杯、LED芯片、散射器（Diffuser）组成，如图1所示。反射碗杯位于底座中间，芯片位于碗杯底部正中间。
图1 LED模型基本结构，其中A：底座 B：LED芯片 C：散射器 D：反射碗杯
2.2.1.2设定LED参数。
LED灯底座尺寸为3×3.4×0.9mm，碗杯层尺寸为3×3.4×0.9mm，反射碗杯底面半径为0.65mm，顶部半径1.2mm，碗杯顶部加了一个使LED发光均匀的散射器，半径为1.2mm，厚度为0.01mm。芯片尺寸为0.4×0.4×0.15mm，芯片发光波长为546.1nm，总光线数100。
2.2.1.3模型建立过程中的基本假设。
（1）Diffuser是一个无损失的理想的朗伯发射器；
（2）碗杯内表面是无任何损失的理想反射器；
（3）LED是一个理想的反射扩散器。
2.2.1.4光线追迹。选中光线追迹选项，模拟计算芯片发射光线经碗杯反射和散射器散射后的出光路径，如图2所示。
图2 固晶品质良好的LED发光模拟图
从图2结果可以看出芯片正好位于碗杯正中央，芯片发光以芯片法线为轴线呈对称球状分布，碗杯壁对于光线反射是均匀对称的，出射光线基本都向中心会聚。
2.2.2芯片位置偏离中心时的发光模拟
芯片固晶位置不在碗杯的正中心，可以通过改变芯片相对碗杯中心的位置模拟。将芯片分别沿X轴和Y轴方向移动0.3mm，对应固晶固偏的情况，此时发光效果如图3所示。随着芯片的偏移，LED发光不再呈轴对称分布，经过与芯片距离较近的反射壁反射的光线数量增多，光线主要集中在芯片偏移的方向上。
图3 芯片偏离碗杯中心的LED发光模拟图
2.2.3点胶量过多时的发光效果模拟
固晶时如果点胶量过多，就会使芯片相对碗杯高度增高，通过改变芯片位置坐标中的Z轴坐标，可以改变芯片相对碗杯底部的高度，模拟点数量过多情况下发光模拟，如图4所示。芯片高度变高后芯片发出的光有很大一部分没有经过碗杯壁的反射通过散射器发射出去，导致LED发光会聚性变差，呈分散分布。
图4 点胶量过多LED发光模拟
2.2.4LED支架选择不合适时的发光模拟
不同型号的LED支架最主要的差别是反射碗杯壁倾斜度不同，通过修改碗杯尺寸可以模拟不同型号支架固晶后的效果，将碗杯顶部半径由原来的1.2mm改为1mm，碗杯的倾斜度变小，模拟结果如图5所示。碗杯壁倾斜度减小后，芯片发出的光线经杯壁反射的角度变小，导致出射光线变得发散，LED灯光线会聚性变差。
图5 支架选择不合适LED发光模拟
2.2.5LED固晶引入杂质后发光模拟
LED固晶引入杂质，可以看成在LED碗杯中多了一些杂质颗粒。通过在碗杯中加入7个直径为1mm的球体，模拟杂质对LED发光的影响，如图6所示。通过光线追迹可以看到芯片发出的光线遇到颗粒后会发生散射，导致光线变得杂乱无章，最后通过散射器出射的光线分布散乱无规则，发光的准直性变差。
图6 固晶过程中引入杂质的LED发光模拟
三、结语
在《LED封装与检测技术》的固晶环节教学过程中，专业光学设计软件TracePro的引入为LED封装教学开辟了新的途径。本教学模型借助TracePro软件模拟了不同固晶品质下LED发光效果，其中的微观变化可以用图形化方式展示在学生面前。基于TracePro软件的光学仿真具有良好的可控性和观测方便等特点，学生可以根据根据封装过程中发生的实际问题，自行建立仿真教学模型，找到问题原因并想办法解决，提高分析问题、解决问题的能力。
参考文献：
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[6]何锡源，张旭，张福甲.封装用高热导率硅胶性能的研究[J].光电子技术，2011.31（2）：141-144.
[7]王尔镇.高效率白光LED的技术开发[J].照明工程学报，2003，14（4）：23-31.