UV-LED封裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)分析

UV-LED單個(gè)芯片面積小，便于靈活設(shè)計(jì);但相應(yīng)的是單個(gè)芯片的輻射功率也較低，在很多應(yīng)用中難以滿足高輻射功率密度的要求，這也是目前UV-LED在眾多領(lǐng)域很難替代UV放電燈的重要原因之一。因此，隨著UV-LED的發(fā)展，其封裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)也成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

德國

德國KIT的Schneider等提出了一種高功率密度的UV-LED模組，將98個(gè)395nm的LED芯片密集封裝在陶瓷基板上，可以實(shí)現(xiàn)較高的輻射功率密度。最初98個(gè)LED芯片通過銀膠封裝在氧化鋁陶瓷基板上，如圖所示。單顆LED芯片輸入電功率為1.65W，工作電流500mA，結(jié)溫25℃，輸出輻射功率為375mW。98個(gè)芯片串聯(lián)，整個(gè)模組的最大輸入功率為162W，封裝面積為2.11cm2，熱功率密度達(dá)到59.2W/cm2。

風(fēng)冷條件下的特征測試結(jié)果顯示，在輸入功率120W、工作電流400mA狀態(tài)下，模組發(fā)出的紫外波長為397nm，輻射功率密度為13.1W/cm2。而熱學(xué)仿真結(jié)果表明，假如提高該模組的散熱特性，輻射功率密度預(yù)計(jì)可以達(dá)到20.8W/cm2。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)表面微型散熱器，如圖所示。

該散熱器基于層流條件下熱傳導(dǎo)的微通道較短的原理，眾多短小的微通道相互并聯(lián)，以提高熱傳導(dǎo)的面積，并采用水作為冷卻液。采用塑料制成的該結(jié)構(gòu)散熱器的熱通量達(dá)500W/cm2，采用鋁或氧化鋁陶瓷等熱阻更低的材料時(shí)，該散熱器的熱通量預(yù)計(jì)能夠達(dá)到800W/cm2，因此可以有效提高LED模組的散熱性能。隨后，采用厚膜印刷的鋁基板來代替陶瓷基板，結(jié)果證實(shí)改良后的模組散熱性能更好，最大輻照度可達(dá)到31.6W/cm2。

臺(tái)灣

臺(tái)灣中興大學(xué)的Horng等人采用復(fù)合電鍍工藝制備出摻雜金剛石的銅(Diamond-addedCopper，DAC)散熱器并應(yīng)用于UV-LED封裝散熱。激光閃光法測得DAC散熱器的熱擴(kuò)散系數(shù)為0.7179cm2/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用DAC散熱器的UV-LED熱阻僅為18.4K/W，低于純銅的24.8K/W，其散熱特性和光學(xué)性能都得到了改善。注入電流為350mA時(shí)，使用DAC散熱器的UV-LED的表面溫度為45.3℃，而相同條件下純銅散熱器的UV-LED表面溫度為50.1℃，僅藍(lán)寶石襯底的表面溫度為62.5℃。該條件下，UV-LED的輻射輸出功率和輻射效率分別增大至71.8mW和4.3%。

復(fù)旦大學(xué)

復(fù)旦大學(xué)課題組基于銅板與AlN板三明治結(jié)構(gòu)的高功率密度封裝，開發(fā)了kW級以上的大功率紫外LED光固化系統(tǒng)。AlN板作為銅板正負(fù)電極之間、銅板電極與散熱器之間的絕緣層，既能達(dá)到良好的絕緣效果，又能夠確保芯片熱量的高效導(dǎo)出，從而改善LED模組的散熱特性;銅板作為電極連接，增大了LED模組的驅(qū)動(dòng)電流，將單位面積的封裝功率提高到20~500W/cm2。如圖所示的移動(dòng)式紫外固化系統(tǒng)，輸入功率密度達(dá)到200W/cm2，總功率14kW，能很好地應(yīng)用于各種不同的地坪涂料的固化處理，并已應(yīng)用于耐磨紙涂層和木器油漆的固化。

廣東海洋大學(xué)

廣東海洋大學(xué)的Zhou等人設(shè)計(jì)了一種特殊的扇形UV-LED陣列，用來滿足高速旋轉(zhuǎn)固化如光盤固化等應(yīng)用的特殊要求，并采用TracePro光學(xué)仿真軟件對該光源的輻照度分布進(jìn)行了模擬。其陣列結(jié)構(gòu)如圖(a)所示，若干大功率UV-LED組成扇形陣列安裝在鋁基板上，每層UV-LED等間隔分布在以O(shè)為圓心的圓弧上。沿半徑方向上LED芯片的個(gè)數(shù)逐漸線性增加，從而輻照度沿徑向逐漸增加。由圖(b)截面可知，UV-LED陣列分布在拋物型柱面上。每個(gè)LED正前方分別裝有準(zhǔn)直透鏡，生成發(fā)散角小于3°的近似平行光，然后UV-LED陣列的出射光匯聚在較小的矩形區(qū)域內(nèi)，形成高功率密度的輻照面。

南京信息工程大學(xué)

南京信息工程大學(xué)的肖韶榮等人為構(gòu)造指紋熒光檢測中所需的均勻照明紫外光源，設(shè)計(jì)了一種圓環(huán)形的UV-LED陣列照明。首先檢測單顆LED的輻射角分布，擬合單個(gè)LED的近似光強(qiáng)分布方程;然后用8顆LED均勻置于半徑為10mm的圓環(huán)上，在圓環(huán)上方5mm處的中心軸上放置1個(gè)LED;在給定的觀察屏上照度不均勻誤差下，根據(jù)斯派羅法則，確定觀測屏與圓環(huán)陣列之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)LED圓環(huán)陣列的照度分布均勻化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觀測屏到圓環(huán)距離為11.0cm時(shí)，在半徑為10.0mm的圓內(nèi)，照度的不均勻相對誤差小于1.27%。這種LED陣列光照度均勻化方法可靠性高，設(shè)計(jì)方法簡單易行。但由于各LED的輻射有一定離散性，故其均勻化效果與理想效果還存在一定差異。