用于固化的高光密度紫外LED大功率光源設(shè)計(jì)

廖 剛,陳小媛 ，蔣福春，劉 文，徐 競(jìng),柴廣躍,2

（1.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳518060；2.深圳技術(shù)大學(xué)，廣東深圳518000)

據(jù)Allied Market Research(美國(guó)聯(lián)合市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu))推出的《全球UV固化油墨2014—2020年市場(chǎng)機(jī)會(huì)及預(yù)測(cè)》報(bào)告，全球UV固化油墨市場(chǎng)將于2020年達(dá)到35億美元，2015—2020年間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過(guò)15.7%。紫外LED作為固態(tài)照明光源在各種紫外光應(yīng)用領(lǐng)域頗具發(fā)展?jié)摿Α８鶕?jù)波長(zhǎng)可將紫外LED分為 UVC（200～280 nm）、UVB（280～310 nm）、UVA（310～400 nm）。目前UVA主要應(yīng)用于光固化，而UVC則在殺菌和凈化等領(lǐng)域逐步擴(kuò)大影響力。

UVA-LED芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，各種大功率芯片產(chǎn)品紛紛問(wèn)世，但市場(chǎng)上的大功率產(chǎn)品都是用紫外芯片模組來(lái)滿足大功率高密度要求。德國(guó)KIT大學(xué)的Schneider等把98顆395 nm的紫外LED芯片封裝在陶瓷基板上，輸入功率達(dá)到162 W，最高輻射密度達(dá)到31.6 W/cm。總之，由市場(chǎng)需求關(guān)系所致，必須開(kāi)發(fā)出更大功率、更高輻射密度的紫外LED光源。

用于紫外固化的光源標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)方面：1）根據(jù)被固化產(chǎn)品的形狀及材料特點(diǎn)選擇或調(diào)整光源輻照度、光斑形狀及大小，達(dá)到徹底固化的目的。2）光源的有效光譜范圍寬以達(dá)到節(jié)約能源的目的。3）固化產(chǎn)品不變形，不脫膠，固化設(shè)備操作維護(hù)方便。

1 光源材料及結(jié)構(gòu)

大功率紫外LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要包括材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、熱學(xué)設(shè)計(jì)以及性能測(cè)試。大功率紫外LED的封裝設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 大功率紫外LED封裝設(shè)計(jì)框架

1.1 材料選擇

在光源設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮光效和熱阻。其中，光效的提高與封裝膠和透鏡的材料關(guān)系密切，一方面直接影響發(fā)光效率，另一方面光會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，如果不能將熱導(dǎo)出也會(huì)影響光效。UV LED中結(jié)溫是一個(gè)非常重要的因素。所以，在設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)時(shí)不但要考慮散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要選擇散熱好的基板材料和其他導(dǎo)熱材料。

經(jīng)過(guò)前期研究與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，基板材料選擇導(dǎo)熱性能更優(yōu)的AlN陶瓷基板，導(dǎo)熱界面材料選擇納米銀材料，納米銀材料的光電性能優(yōu)于導(dǎo)電銀膠。透鏡選擇硅膠透鏡。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

芯片采用首爾半導(dǎo)體生產(chǎn)的型號(hào)為UV1000-38的正裝垂直紫外LED芯片，波長(zhǎng)為385 nm。該正裝芯片大小為1.05 mm×1.05 mm，芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 紫外芯片結(jié)構(gòu)示意圖

為使單位面積光功率密度達(dá)到要求，實(shí)現(xiàn)能量集中的線光源，在設(shè)計(jì)芯片排布方式時(shí)將芯片排列成線形。考慮LED近場(chǎng)分布測(cè)試儀和熱阻測(cè)試儀的有限測(cè)試范圍，設(shè)計(jì)了2種型號(hào)的基板，芯片間距都是2 mm，一塊大小為31 mm×21.5 mm，采用9串1并，用于近場(chǎng)測(cè)試和熱阻測(cè)試；另一塊大小為114 mm×21.5 mm，采用9串6并，一共54顆芯片，用于實(shí)際樣品制作。印刷電路板如圖3所示。

圖3 印刷電路板

2 COB樣品制作

紫外芯片封裝采用納米銀固晶和金線焊線，外圍10 mm高度的圍壩膠，再蓋一層0.7 mm厚度的石英玻璃片。封裝完成后的紫外LED COB樣品如圖4所示。

圖4 UV LED樣品

3 熱學(xué)性能測(cè)試分析

將封裝好的COB模組進(jìn)行熱阻測(cè)試，熱阻測(cè)試結(jié)果有助于導(dǎo)熱界面材料和散熱器的選取。

熱阻分析采用T3Ster，該設(shè)備是一款可用于半導(dǎo)體器件的熱特性測(cè)試儀器。采用的測(cè)試方法是JESD51-1靜態(tài)測(cè)試法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法，能收集測(cè)試物升溫和降溫的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，也能測(cè)試穩(wěn)態(tài)熱阻。

將紫外LED COB用導(dǎo)熱硅脂固定于恒溫槽中，恒溫槽設(shè)為25℃。設(shè)置工作電流350 mA，工作電壓29 V。測(cè)試獲得所需的結(jié)溫測(cè)試曲線，見(jiàn)圖5，可知樣品的結(jié)溫為52.66℃。

圖5 結(jié)溫曲線

使用分析軟件T3Ster Master對(duì)結(jié)溫曲線進(jìn)行分析，得到熱阻結(jié)構(gòu)曲線（圖6）。由此可知，芯片熱阻為6.405 K/W，總熱阻為61.765 K/W。

圖6 結(jié)構(gòu)函數(shù)（微分）

4 透鏡光學(xué)仿真及優(yōu)化

近場(chǎng)光學(xué)測(cè)試采用由Radiant公司出品的SIG400近場(chǎng)測(cè)試儀,最短可以測(cè)試到340 nm波長(zhǎng)的近紫外。SIG400所生成的高精度近場(chǎng)數(shù)據(jù)模型可直接應(yīng)用于LED的光路和性能研究，直接用于光學(xué)優(yōu)化，也可經(jīng)自帶軟件Radiant Vision Systems ProSource將測(cè)試數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出后用于幾乎所有的光學(xué)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)軟件。

將9串1并的樣品安裝在測(cè)試臺(tái)上，選取2.5倍鏡頭，進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。設(shè)定曝光時(shí)間，點(diǎn)亮樣品記錄電壓、電流參數(shù)，關(guān)閉環(huán)境燈。測(cè)試結(jié)束后得到的文件后綴是.RSMX，利用ProSource軟件將源文件轉(zhuǎn)化成Light-Tools支持的.Ray格式文件，以便接下來(lái)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

為得到能量集中的線光源，使更多的光集中在被照射區(qū)域，需進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。將SIG400測(cè)試得到的源文件導(dǎo)入ProSource中，生成LightTools軟件可以打開(kāi)的后綴為.Ray的文件。

用LightTools軟件打開(kāi)后綴為.Ray的光源文件，因?yàn)榻鼒?chǎng)測(cè)試的是9串1并COB樣品，而二次光學(xué)設(shè)計(jì)使用的是9串6并COB樣品，所以可利用Light-Tools軟件中自帶的陣列工具，進(jìn)行6倍水平陣列，設(shè)置每個(gè)陣列模塊邊線緊挨重疊，這樣就可獲得9串6并的COB樣品光源文件。陣列之后的COB 3D結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，光源效果如圖8所示。

圖7 9串1并COB樣品陣列后的結(jié)構(gòu)圖

圖8 陣列后的光場(chǎng)圖

利用建模軟件SolidWorks將二次光學(xué)透鏡建好，屬性設(shè)置為硅膠，硅樹(shù)脂比環(huán)氧樹(shù)脂具有更高的紫外光透過(guò)率，更優(yōu)異的耐紫外光和耐熱特性。然后導(dǎo)入到已經(jīng)打開(kāi)光源文件的LightTools中，因?yàn)槟z印機(jī)最后一道工序是上光，而上光需要的距離為10 cm，所以在距離COB燈條10 cm處，設(shè)置一個(gè)平面探測(cè)器。軟件設(shè)計(jì)界面如圖9。

圖9 LightTools中建模圖

經(jīng)過(guò)優(yōu)化參數(shù)，得到模擬效果，如圖10。二次光學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了線光源的光斑，而且在10 cm距離處的光功率密度也達(dá)到了6 W/cm2，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 優(yōu)化參數(shù)后的模擬效果

此時(shí)，LightTools已經(jīng)將優(yōu)化后的透鏡模型保存于solidworks中，打開(kāi)solidworks，獲得一份完整的3D透鏡模型，如圖11所示。

圖11 3D透鏡模型

5 光源制作及測(cè)試分析

開(kāi)模制作一款如圖11所示的硅膠透鏡，并將其安裝到COB樣品的UV-LED芯片上部，對(duì)安裝好透鏡的完整UV-LED光源樣品進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試。測(cè)試條件為：工作電流為恒流1 A，工作電壓為29.5 V，輸入電功率為180 W。紫外能量計(jì)與UV-LED光源距離為10 cm，利用LS128紫外能量計(jì)測(cè)量樣品的光功率密度值，測(cè)量裝置如圖12所示。由圖可知，紫外功率密度實(shí)測(cè)值為6.08 W/cm2，與計(jì)算機(jī)模擬值6 W/cm2吻合。

圖12 樣品測(cè)試裝置及結(jié)果圖

6 結(jié)論

在調(diào)查印刷行業(yè)專業(yè)需求的前提下，研究現(xiàn)有紫外LED芯片的性能，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于高速柔印機(jī)的高功率密度紫外固化固體光源。從封裝開(kāi)始進(jìn)行COB設(shè)計(jì)、LED芯片陣列排布，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)和散熱技術(shù)，并配合后期的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，獲得一款高能量密度紫外LED光源模組，顯著提高光學(xué)利用效率和被照射區(qū)域的光功率密度。

傳統(tǒng)的柔印機(jī)使用高壓汞燈，不但耗電，還存在汞污染的危險(xiǎn)。使用紫外LED光源模組，可節(jié)省60%的電，并且沒(méi)有汞污染，即點(diǎn)即亮。因此，紫外LED光源在未來(lái)有非常可觀的應(yīng)用前景。

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