用于固化的高光密度紫外LED大功率光源設計

廖 剛,陳小媛 ，蔣福春，劉 文，徐 競,柴廣躍,2

（1.深圳大學光電工程學院，廣東深圳518060；2.深圳技術大學，廣東深圳518000)

據Allied Market Research(美國聯合市場研究機構)推出的《全球UV固化油墨2014—2020年市場機會及預測》報告，全球UV固化油墨市場將于2020年達到35億美元，2015—2020年間的復合年均增長率超過15.7%。紫外LED作為固態照明光源在各種紫外光應用領域頗具發展潛力。根據波長可將紫外LED分為 UVC（200～280 nm）、UVB（280～310 nm）、UVA（310～400 nm）。目前UVA主要應用于光固化，而UVC則在殺菌和凈化等領域逐步擴大影響力。

UVA-LED芯片技術已經比較成熟，各種大功率芯片產品紛紛問世，但市場上的大功率產品都是用紫外芯片模組來滿足大功率高密度要求。德國KIT大學的Schneider等把98顆395 nm的紫外LED芯片封裝在陶瓷基板上，輸入功率達到162 W，最高輻射密度達到31.6 W/cm。總之，由市場需求關系所致，必須開發出更大功率、更高輻射密度的紫外LED光源。

用于紫外固化的光源標準有3個方面：1）根據被固化產品的形狀及材料特點選擇或調整光源輻照度、光斑形狀及大小，達到徹底固化的目的。2）光源的有效光譜范圍寬以達到節約能源的目的。3）固化產品不變形，不脫膠，固化設備操作維護方便。

1 光源材料及結構

大功率紫外LED產品設計主要包括材料選擇、結構設計、電氣設計、光學設計、熱學設計以及性能測試。大功率紫外LED的封裝設計框架如圖1所示。

圖1 大功率紫外LED封裝設計框架

1.1 材料選擇

在光源設計時，需要重點考慮光效和熱阻。其中，光效的提高與封裝膠和透鏡的材料關系密切，一方面直接影響發光效率，另一方面光會轉化成熱，如果不能將熱導出也會影響光效。UV LED中結溫是一個非常重要的因素。所以，在設計封裝結構時不但要考慮散熱結構設計，還需要選擇散熱好的基板材料和其他導熱材料。

經過前期研究與實驗對比，基板材料選擇導熱性能更優的AlN陶瓷基板，導熱界面材料選擇納米銀材料，納米銀材料的光電性能優于導電銀膠。透鏡選擇硅膠透鏡。

1.2 結構設計

芯片采用首爾半導體生產的型號為UV1000-38的正裝垂直紫外LED芯片，波長為385 nm。該正裝芯片大小為1.05 mm×1.05 mm，芯片結構示意圖如圖2所示。

圖2 紫外芯片結構示意圖

為使單位面積光功率密度達到要求，實現能量集中的線光源，在設計芯片排布方式時將芯片排列成線形。考慮LED近場分布測試儀和熱阻測試儀的有限測試范圍，設計了2種型號的基板，芯片間距都是2 mm，一塊大小為31 mm×21.5 mm，采用9串1并，用于近場測試和熱阻測試；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 熱學性能測試分析

將封裝好的COB模組進行熱阻測試，熱阻測試結果有助于導熱界面材料和散熱器的選取。

熱阻分析采用T3Ster，該設備是一款可用于半導體器件的熱特性測試儀器。采用的測試方法是JESD51-1靜態測試法和動態測試法，能收集測試物升溫和降溫的瞬態溫度響應曲線，也能測試穩態熱阻。

將紫外LED COB用導熱硅脂固定于恒溫槽中，恒溫槽設為25℃。設置工作電流350 mA，工作電壓29 V。測試獲得所需的結溫測試曲線，見圖5，可知樣品的結溫為52.66℃。

圖5 結溫曲線

使用分析軟件T3Ster Master對結溫曲線進行分析，得到熱阻結構曲線（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 結構函數（微分）

4 透鏡光學仿真及優化

近場光學測試采用由Radiant公司出品的SIG400近場測試儀,最短可以測試到340 nm波長的近紫外。SIG400所生成的高精度近場數據模型可直接應用于LED的光路和性能研究，直接用于光學優化，也可經自帶軟件Radiant Vision Systems ProSource將測試數據文件導出后用于幾乎所有的光學優化仿真設計軟件。

將9串1并的樣品安裝在測試臺上，選取2.5倍鏡頭，進行對準。設定曝光時間，點亮樣品記錄電壓、電流參數，關閉環境燈。測試結束后得到的文件后綴是.RSMX，利用ProSource軟件將源文件轉化成Light-Tools支持的.Ray格式文件，以便接下來的二次光學設計及優化。

為得到能量集中的線光源，使更多的光集中在被照射區域，需進行二次光學設計。將SIG400測試得到的源文件導入ProSource中，生成LightTools軟件可以打開的后綴為.Ray的文件。

用LightTools軟件打開后綴為.Ray的光源文件，因為近場測試的是9串1并COB樣品，而二次光學設計使用的是9串6并COB樣品，所以可利用Light-Tools軟件中自帶的陣列工具，進行6倍水平陣列，設置每個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結構圖如圖7所示，光源效果如圖8所示。

圖7 9串1并COB樣品陣列后的結構圖

圖8 陣列后的光場圖

利用建模軟件SolidWorks將二次光學透鏡建好，屬性設置為硅膠，硅樹脂比環氧樹脂具有更高的紫外光透過率，更優異的耐紫外光和耐熱特性。然后導入到已經打開光源文件的LightTools中，因為膠印機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，設置一個平面探測器。軟件設計界面如圖9。

圖9 LightTools中建模圖

經過優化參數，得到模擬效果，如圖10。二次光學設計已經實現了線光源的光斑，而且在10 cm距離處的光功率密度也達到了6 W/cm2，符合設計要求。

圖10 優化參數后的模擬效果

此時，LightTools已經將優化后的透鏡模型保存于solidworks中，打開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 光源制作及測試分析

開模制作一款如圖11所示的硅膠透鏡，并將其安裝到COB樣品的UV-LED芯片上部，對安裝好透鏡的完整UV-LED光源樣品進行裝機測試。測試條件為：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。紫外能量計與UV-LED光源距離為10 cm，利用LS128紫外能量計測量樣品的光功率密度值，測量裝置如圖12所示。由圖可知，紫外功率密度實測值為6.08 W/cm2，與計算機模擬值6 W/cm2吻合。

圖12 樣品測試裝置及結果圖

6 結論

在調查印刷行業專業需求的前提下，研究現有紫外LED芯片的性能，設計了一款應用于高速柔印機的高功率密度紫外固化固體光源。從封裝開始進行COB設計、LED芯片陣列排布，通過光學設計和散熱技術，并配合后期的二次光學設計，獲得一款高能量密度紫外LED光源模組，顯著提高光學利用效率和被照射區域的光功率密度。

傳統的柔印機使用高壓汞燈，不但耗電，還存在汞污染的危險。使用紫外LED光源模組，可節省60%的電，并且沒有汞污染，即點即亮。因此，紫外LED光源在未來有非常可觀的應用前景。

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