UV-LED光源散熱器的研究進(jìn)展

李 莉，岳 濤

天津工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，天津 300387

0 引言

UV-LED是繼汞燈、氙燈等傳統(tǒng)氣體紫外光源之后的新型固態(tài)紫外光源，具有性能穩(wěn)定、光波單一可調(diào)、光效高、能耗小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為目前大多數(shù)紫外應(yīng)用領(lǐng)域中的最佳換代產(chǎn)品。UV-LED按照波長(zhǎng)范圍可劃分為UVC（200～280 nm）、UVB（280～320 nm）和UVA（320～400 nm）三大品類[1]。其中，UVC主要用于殺菌消毒、生化檢測(cè)等領(lǐng)域；UVB在銀屑病及特定類型皮膚癌的光學(xué)醫(yī)療方面展現(xiàn)出良好的療效；UVA則常用于光學(xué)防偽、光催化、光固化等領(lǐng)域。此外，UV-LED芯片及其封裝燈珠均可實(shí)現(xiàn)小型化和微型化，易于與處理器、傳感器、執(zhí)行器、光學(xué)器件等集成封裝，形成緊湊的系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品，從而完成特定領(lǐng)域的復(fù)雜功能，如用于微量氣體和液體檢測(cè)的光流控產(chǎn)品等。隨著UV-LED技術(shù)的持續(xù)提升，各個(gè)波長(zhǎng)品類可滿足的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步被細(xì)化，逐漸展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景[2]。

與可見光LED相比，UV-LED的出光效率較低，尤其是UVB和UVC產(chǎn)品的外量子效率（EQE）普遍低于10%[3]。這主要是由于外延材料中的固有缺陷使得更寬的帶隙間發(fā)生載流子非輻射復(fù)合率更高，且UV出光路徑中發(fā)生界面全反射損耗和菲涅爾反射損耗的程度更大，再加上絕大部分封裝材料均能吸收芯片射出的UV光子[4]，使UV-LED工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量更多。為了彌補(bǔ)單顆UV-LED芯片出光不足的問(wèn)題，高光強(qiáng)燈珠中往往需要封裝多顆芯片，但多芯片封裝在提高出光量的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更高的熱流密度。如果UV-LED仍然沿用可見光LED的散熱方式，將很難保證結(jié)溫能被降至最高允許值以下，從而加劇量子效率和出光量的下降，出光峰值波長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)較大紅移，并且會(huì)顯著增加引發(fā)熱失效的概率，嚴(yán)重降低其使用可靠性和壽命，因此UV-LED對(duì)提升其散熱能力具有更加強(qiáng)烈的技術(shù)需求。

目前，對(duì)于UV-LED的研究對(duì)內(nèi)應(yīng)關(guān)注提升光輸出效率方面，通過(guò)研發(fā)新型材料和封裝技術(shù)來(lái)提高內(nèi)量子效率，對(duì)外應(yīng)選擇合理的散熱器結(jié)構(gòu)將熱量高效地排出。文章主要對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外就UV-LED散熱器的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)UV-LED散熱器優(yōu)化方法進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 散熱器選擇

應(yīng)用在UV-LED系統(tǒng)上的散熱器主要包括風(fēng)冷散熱器、液冷散熱器和新型散熱器。不同能量級(jí)別的UV所適用的散熱器不同。在研究早期，風(fēng)冷只能適合較低輸出功率的紫外線應(yīng)用。然而，近年來(lái)，在此方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)更高功率的空氣冷卻，而不會(huì)對(duì)芯片壽命和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

與空氣相比，用液體作介質(zhì)可以更容易地獲得較低的結(jié)溫，從而使UV-LED系統(tǒng)效率更高、壽命更長(zhǎng)、可靠性更好。因此，液冷作為一種非常有效的散熱方式，特別是在較大的固化區(qū)域且需要高功率密度UV-LED場(chǎng)合應(yīng)用。常見的風(fēng)冷散熱器有翅片式、熱管式，液冷散熱器有主動(dòng)循環(huán)冷板式、微通道式等。新型散熱器包括TEC熱電制冷、液態(tài)金屬等。

2 UV-LED風(fēng)冷散熱器

風(fēng)冷散熱器按照類別可分為翅片式及熱管式，由于陣列式UV-LED芯片功率密度大，自然對(duì)流可以提供較小的散熱能力和較高的熱耗，因此通常采用強(qiáng)制對(duì)流代替自然對(duì)流。

2.1 翅片式強(qiáng)迫對(duì)流

翅片作為散熱的核心部件，其形狀結(jié)構(gòu)是影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的直接因素，人們對(duì)于翅片的設(shè)計(jì)日益重視，板翅式和針翅式結(jié)構(gòu)是目前常見的翅片散熱器構(gòu)造。

江蘇大學(xué)俞樂(lè)[5]研究了400顆總熱功率為1 200 WUVLED芯片。為了滿足紫外光固化光源的生產(chǎn)要求，確定了風(fēng)量為7 m3/min、室溫為20 ℃、散熱器襯底厚度為10 mm、翅片高度為70 mm、翅片間距為3 mm、翅片厚度為1 mm時(shí)散熱效果最好。王磊[6]從增加換熱面積和有效散熱角度出發(fā)，提出了一種基于圓形反光杯結(jié)構(gòu)UVC-LED模塊的針翅式散熱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于未加散熱器而言，芯片結(jié)溫降低明顯。上述學(xué)者單一地對(duì)板翅式和針翅式結(jié)構(gòu)的散熱能效進(jìn)行了研究。林鵬等[7]設(shè)計(jì)了板翅式和針翅式散熱器結(jié)構(gòu)，為了比較其性能的優(yōu)劣，對(duì)UV-LED固化裝置進(jìn)行了建模和仿真，通過(guò)對(duì)氣流路徑和切向溫度云圖的比較，表明針翅式與空氣的接觸面較大，具有較好的氣體充填和散熱性能。同時(shí)，對(duì)針翅式散熱器進(jìn)行了優(yōu)化與試驗(yàn)，模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性。板翅式和針翅式散熱器如圖1所示。

圖1 板翅式與針翅式散熱器

與板翅片相比，針翅片能有效地減小散熱器的體積，降低材料消耗，更有利于在恒定散熱面積條件下的散熱。但由于針翅式散熱器翅片密集，排列緊湊，導(dǎo)致其加工復(fù)雜，容易堵塞，清洗困難。

2.2 熱管式強(qiáng)迫對(duì)流

熱管是高效熱傳導(dǎo)裝置，主要利用相變傳熱，熱管本身并沒(méi)有冷卻作用，只是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體。U型熱管的外部通常分布有翅片，滿足了紫外光固化系統(tǒng)小型化和方便性的要求，保證了散熱表面溫度的均勻性。

許多學(xué)者將模擬與試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行研究。于洋等[8]為了研究熱管和風(fēng)冷翅片與傳統(tǒng)風(fēng)冷翅片相比具有更好的散熱性能，設(shè)計(jì)了大功率UV-LED印刷燈。結(jié)果表明其熱沉熱阻值在0.151～0.157 K/W，略微大于仿真結(jié)果0.118 K/W，但誤差在允許范圍之內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有一致性。另外，為了滿足印刷企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需要，UV固化燈的電源需要具有可調(diào)且往往具有較高的數(shù)值。王勻等[9]設(shè)計(jì)了一款熱管風(fēng)冷式散熱器，如圖2所示。同時(shí)，對(duì)芯片總功率1 500 W（熱功率1 200 W）的UV-LED固化燈進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在送風(fēng)體積為7 m3/min、散熱器為35片的情況下，熱源基底的最低溫度為32.2 ℃，最高溫度為50.5 ℃。模擬與試驗(yàn)結(jié)果比較，誤差約為4%，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 熱管風(fēng)冷式散熱器

除了上述提到的溫度、熱沉熱阻值這些依據(jù)，瞬態(tài)性能對(duì)于判斷熱管風(fēng)冷散熱器的結(jié)構(gòu)是否可靠也特別重要。任航等[10]對(duì)于典型的UV-LED風(fēng)冷翅片熱管式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)的熱功率為96 W。通過(guò)對(duì)風(fēng)冷散熱器在給定條件和變化條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和試驗(yàn)研究，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的溫度變化趨勢(shì)基本一致。熱源越接近，響應(yīng)就越快，表明其瞬態(tài)溫度響應(yīng)是滯后的。

3 UV-LED液冷式散熱器

液冷散熱器通過(guò)水泵帶動(dòng)液體流動(dòng)將熱量帶走，液冷散熱器通常用水作冷卻劑，由于在相同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)大約是空氣導(dǎo)熱系數(shù)的20倍，其傳熱能力大于空氣導(dǎo)熱系數(shù)，而且水的比熱容與空氣相比大得多，因此能有效地吸收UV-LED芯片產(chǎn)生的熱量。緊湊型UV-LED裝置的液冷散熱器可集成到固化區(qū)周圍空間有限的應(yīng)用中，在多種場(chǎng)合得以應(yīng)用廣泛。

3.1 主動(dòng)循環(huán)冷板式

冷板作為一種單一的流體換熱器，可以有效地冷卻UV-LED裝置。目前，水冷卻通道的設(shè)計(jì)是液冷研究的重點(diǎn)。冷卻通道的結(jié)構(gòu)直接影響冷卻板中水的流動(dòng)路徑和流動(dòng)范圍，改變水的湍流涌動(dòng)程度，改變對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)散熱有重要影響。

為了對(duì)比直線型和U型水道的性能，王杰等[11]設(shè)計(jì)了兩種UV-LED水冷板散熱模型，芯片的熱耗散功率為1 800 W，因?yàn)閁型水道與單水道相比流動(dòng)路徑長(zhǎng)、流動(dòng)范圍廣，所以其平均溫度優(yōu)于直線型。倪笠等[12]針對(duì)LED模塊采用S形板管式水冷板進(jìn)行散熱研究。每個(gè)LED模塊最大熱功率為180 W，功率密度為15.43 W/m2，結(jié)溫和壓降均符合設(shè)計(jì)要求。

上述通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但整個(gè)UV系統(tǒng)的溫度分布的均勻性差。Li等[13]采用折流板并聯(lián)冷卻通道。翅片分離并且產(chǎn)生很多的小流道，加速了水的湍流效果、使得換熱更加有效。PN結(jié)最高溫度約為41.3 ℃，散熱結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。丁玲[14]對(duì)1 000顆UV-LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)并聯(lián)冷卻通道，水道總長(zhǎng)為1.5 m。冷卻水自入口經(jīng)過(guò)4節(jié)連接水管流出，在流速為0.065 m/s時(shí)，UV-LED結(jié)溫控制良好。

對(duì)不同冷卻通道形狀的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，需合理地選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

表1 不同的冷卻通道形狀相關(guān)研究

3.2 微通道冷卻式

微通道冷卻系統(tǒng)是由許多狹小的通道互相連接，這種構(gòu)造可明顯提升對(duì)流換熱效果，具有體積小、散熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于微通道在UV-LED系統(tǒng)中應(yīng)用較少，使得該系統(tǒng)的通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和制造材料等方面存在問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的難點(diǎn)。

Schneider等[15]在面積為2.11 cm2上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由98個(gè)密集封裝的LED芯片組成的高功率密度UV-LED模組，如圖3所示。微通道結(jié)構(gòu)相互連接，顯著增加了熱傳導(dǎo)的面積。該模塊在397 nm波長(zhǎng)、400 mA輸入電流和120 W輸入功率下獲得13.1 W/cm2的輻射密度。

圖3 高功率密度UV-LED芯片模組

4 新型散熱器

除了傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器、液冷散熱器，為了有效地對(duì)UV-LED系統(tǒng)進(jìn)行散熱，出現(xiàn)了一些新型的散熱器，如熱電制冷、液態(tài)金屬冷卻等。

在熱電制冷散熱過(guò)程中，半導(dǎo)體制冷片（TEC）只能作為散熱載體。TEC結(jié)構(gòu)緊湊，能夠散熱的熱通量通常較低，并且通常用于低功耗的UV系統(tǒng)的散熱，再通過(guò)其他的散熱方式將熱量排出。Fredes等[16]對(duì)UV-C LED的熱電制冷裝置應(yīng)用適當(dāng)?shù)腜ID控制進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了深紫外光LED結(jié)溫控制策略，可以在一定程度上提高LED的使用壽命。柳星星[17]將深紫外LED芯片及電路集成在TEC器件上，在不同的輸入電流情況下，與未加TEC相比，結(jié)溫下降迅速。何晶晶等[18]提出了將半導(dǎo)體制冷模塊及翅片強(qiáng)制對(duì)流散熱相結(jié)合，對(duì)于溫度控制具有良好的性能。

由于水在室溫下的低熱導(dǎo)率[0.6 W/（m-K）]限制了其對(duì)流換熱能力，研究人員一直在尋找更有效的冷卻劑。李思琪等[19]提出了一種利用鎵作為熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性強(qiáng)、流動(dòng)性好的冷卻介質(zhì)的UV-LED光源模塊液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)。該散熱系統(tǒng)在939.9 W/cm2的功率密度、122.1 A的工作電流下，芯片結(jié)溫僅79.7 ℃，說(shuō)明該液態(tài)金屬散熱系統(tǒng)散熱性能良好。液態(tài)金屬散熱是近些年的研究熱點(diǎn)，可成為解決大功率UV-LED散熱問(wèn)題方式之一。

為了提高UV-LED的光輸出性能和可靠性，Horng等[20]研究開發(fā)了一種高散熱裝置，采用復(fù)合電鍍技術(shù)成功設(shè)計(jì)了一種用于藍(lán)寶石UV-LED杯形片的DAC（金剛石-銅）散熱器。在350 mA的工作電流下，使用DAC散熱器的UV-LED其表面溫度低于相同條件下的純銅散熱器，此外，UV-LED的輸出功率和功率效率均有所提高。

5 優(yōu)化方法

在優(yōu)化UV-LED散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，常采用單因素分析、正交試驗(yàn)和中心組合試驗(yàn)。單因素分析只適用于單向試驗(yàn)處理，如散熱器的厚度和數(shù)量，正交試驗(yàn)法需要確定試驗(yàn)因素、試驗(yàn)水平和試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇合適的正交試驗(yàn)表，確定試驗(yàn)因素與水平的最佳組合。

林鵬等[7]采用單因素分析法對(duì)UV-LED針翅式散熱器系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)對(duì)針翅式散熱器的翅片厚度和縱向排布數(shù)量進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在翅片厚度為2 mm、翅片排布為6×18時(shí)，散熱效果最好。

6 結(jié)論與展望

散熱問(wèn)題已成為限制UV-LED系統(tǒng)功率提升的技術(shù)瓶頸，高功率UV-LED散熱問(wèn)題必須結(jié)合傳熱學(xué)、材料科學(xué)和制造技術(shù)來(lái)解決。傳熱學(xué)提供散熱手段，材料科學(xué)改善材料導(dǎo)熱性能，制造技術(shù)提升制造工藝。

風(fēng)冷和液冷散熱器是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，此外，也出現(xiàn)了熱電制冷和液態(tài)金屬等新型散熱方式。但是，在改進(jìn)的散熱技術(shù)領(lǐng)域，仍有許多值得探究的地方，新散熱方法的研究還有待進(jìn)一步的發(fā)展。在散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，近年來(lái)的研究方向是通過(guò)優(yōu)化方法、材料選擇和工藝改進(jìn)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)。

雖然提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)和裝配技術(shù)對(duì)于解決大功率UV-LED系統(tǒng)的散熱問(wèn)題具有重要意義，但散熱的最終選擇必須依賴于散熱方式。熱電冷卻、液態(tài)金屬等新型散熱器為實(shí)現(xiàn)高熱流密度UV-LED系統(tǒng)的散熱提供新的解決方案。目前，這些散熱方式需要進(jìn)一步研究，如考慮液體金屬的氧化、與材料的兼容性等。