全串聯(lián)高功率密度紫外LED結(jié)構(gòu)和散熱研究

曹露澤，韓秋漪，李福生,，荊 忠，張善端,

(1.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438；3.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

引言

紫外(UV) LED作為一種新型固態(tài)光源，具有壽命長、體積小、功耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)點[1-3]，其全球市場規(guī)模正逐步擴(kuò)大，在長波紫外(UVA)應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出對傳統(tǒng)紫外光源快速替代的態(tài)勢[4]。UVA波段主要應(yīng)用于紫外光固化和油墨印刷，穩(wěn)定的大功率紫外輸出和固化系統(tǒng)的安全性成為研究的重點[5,6]。大功率芯片的結(jié)溫控制至關(guān)重要，因為結(jié)溫升高會導(dǎo)致正向電壓降低、峰值波長紅移、輻射效率下降，會嚴(yán)重影響LED光源模塊的性能[7]。高效的熱管理可以從LED光源模塊散熱和外部散熱裝置兩個方面進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。

LED封裝過程中基板的制備很大程度上決定了整個模塊的機(jī)械可靠性、電連接和散熱性能，其中材料的選擇[8,9]和焊接層的連接情況[10]對降低芯片結(jié)溫至關(guān)重要。外部散熱裝置目前主要有半導(dǎo)體制冷、風(fēng)冷和液冷散熱等方式[11-13]。水冷散熱的換熱效果好，且相對于其他工質(zhì)來說成本低、易于操作，適用于光固化區(qū)域較大且需要高功率密度UV-LED的場合[14,15]。王志斌等[16]設(shè)計了一種雙進(jìn)雙出射流水冷散熱器，將4顆總功率為60 W的LED溫度保持在32 ℃左右。Schneider等[17]制備了98顆芯片封裝的紫外光源模塊，采用微通道水冷散熱器，輻射功率密度達(dá)到31.6 W·cm2。但是目前大多數(shù)UV-LED光源的功率仍不滿足涂料光固化和光纖制造領(lǐng)域應(yīng)用的需要[6,18]，設(shè)備功率密度需要進(jìn)一步地提高，須在實現(xiàn)大電流大功率的條件下，依然達(dá)到良好的散熱效果。

本文設(shè)計并制作了全串聯(lián)UV-LED模塊，相比于全并聯(lián)電路[19]高達(dá)122 A的總電流，全串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流減少數(shù)倍，解決了電流不均的難題，降低大電流電源制造成本。采用水冷散熱器對其進(jìn)行有效散熱，將芯片結(jié)溫降至安全范圍內(nèi)，達(dá)到滿足光固化應(yīng)用的功率密度要求。

1 全串聯(lián)光源模塊設(shè)計

本文提出了一種全串聯(lián)結(jié)構(gòu)的LED光源模塊，封裝了6顆370 nm的垂直結(jié)構(gòu)UV-LED芯片。如圖1(a)所示，芯片尺寸2.8 mm×2.8 mm，間隔0.2 mm緊密排列，實現(xiàn)了超高功率密度的模塊封裝。基板部分做了整體設(shè)計，包括電路板、AlN絕緣基板、銅連接線和焊接層。

AlN基板厚度2 mm，頂面圖形化覆銅，圖形由6個間隔0.2 mm的長方形組成，單個長方形尺寸為60 mm×19 mm，用于和6塊單面PCB板焊接；AlN基板背面整面覆銅，用于和外部散熱器焊接。

電路板分為6個尺寸為40 mm×3 mm×2 mm的長方體，分別焊接在AlN基板的圖形化覆銅位置，保證上方芯片間隔0.2 mm的密接排列，具體尺寸如圖1(b)、(c)所示。銅線可焊接在AlN基板的鍍銅層上作為LED正極接線，另外通過打金線的方式連接芯片與電路板上鍍金層，鍍金層上可焊接銅線另一端作為負(fù)極接線。前一顆芯片的正極通過銅線與后一顆芯片的負(fù)極相連，實現(xiàn)電路的串聯(lián)。

圖1 (a)全串聯(lián)UV-LED光源模塊結(jié)構(gòu)，(b)正視圖，(c)俯視圖Fig.1 (a)Structural details of the full series UV-LED module，(b) front view of the module，(c) top view of the module

本文設(shè)計的全串聯(lián)連接方式的光源模塊，多顆芯片通過的電流相同，避免了全并聯(lián)光源模塊的芯片之間的電流不均勻性，每顆芯片的光輸出和壽命具有良好的一致性；另外還避免了全并聯(lián)模塊流過總線電流過大的問題，減小總線上的壓降和功率損耗。UV-LED的單顆芯片工作電壓一般在3.5 V左右，6顆全串的LED總電壓在21 V左右，電流<15 A，對電源的電流電壓范圍要求相對較低，降低了電源成本，也降低了人工維護(hù)成本。此外全串聯(lián)模塊方便更換，易于拼接成為線光源。

2 UV-LED的水冷散熱仿真

2.1 仿真幾何模型構(gòu)建

本文對水冷散熱器進(jìn)行3D幾何建模，建模時忽略螺孔、金線、密封圈等微小結(jié)構(gòu)，保留金屬基板、絕緣基板、散熱器蓋板、水槽以及水域等主體部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，表1列出了水冷散熱器的主要參數(shù)。圖2(b)標(biāo)注了設(shè)置在芯片表面、電路板和散熱器蓋板上的探針點位置，用來分別檢測仿真中三個位置的溫度變化。

圖2 (a) 模塊幾何模型,(b) 探針點位置Fig.2 (a)Geometric model of module,(b) position of the probe point

表1 散熱器尺寸參數(shù)Table 1 Dimensions of radiators

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分與有限元偏微分方程邊界節(jié)點關(guān)系密切，是仿真模型計算成功與否的至關(guān)重要的一步。劃分網(wǎng)格越細(xì)密，計算結(jié)果精度越高，但會對算力提出更高的要求，且還會消耗大量機(jī)時。基于對仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和時間成本的綜合考慮，本文手動選擇合適的網(wǎng)格劃分密度，在散熱器蓋板和水槽處使用較粗化網(wǎng)絡(luò)，而在尺寸較小的地方比如芯片、電路板、絕緣基板處的網(wǎng)格調(diào)整為較細(xì)化，如圖3所示，總網(wǎng)格數(shù)在25萬左右，此模型構(gòu)建網(wǎng)格時間僅需2.7 s。

圖3 模塊網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

幾何模型導(dǎo)入完成后，需要對幾何體的具體零件設(shè)定材料種類，并輸入材料的各項參數(shù)，見表2。部分基本材料的屬性參數(shù)可以直接從材料庫中導(dǎo)入，流體部分需要在湍流的流體屬性中設(shè)置。為了避免焊接層過薄導(dǎo)致網(wǎng)格劃分出錯和出現(xiàn)低質(zhì)量警告等問題，在仿真中設(shè)置熱接觸薄層來模擬真實焊接層，接觸模型設(shè)置為等效薄熱阻層，設(shè)定熱導(dǎo)率和厚度，提高了模型構(gòu)建效率和仿真計算速度。

表2 不同區(qū)域的尺寸和材料Table 2 Dimensions and materials at different positions

邊界條件的設(shè)置如下：

(1)設(shè)定好固體傳熱、液體傳熱的區(qū)域，選定進(jìn)出水口邊界。

(2)選擇湍流模型k-ε模型并且選擇不可壓縮流。

(3)設(shè)定初始環(huán)境溫度21 ℃，設(shè)置入水口溫度與水域溫度一致。

(4)將6顆芯片區(qū)域設(shè)置為熱源，熱功率等于預(yù)實驗測得的電功率減去輻射功率。

(5)添加熱通量模塊并選擇對流熱通量，設(shè)定約10 W m-2K-1的對流傳熱系數(shù)。

2.4 仿真結(jié)果

仿真中改變水溫、電流以及水速，計算得到模塊各探針點的溫度，探究滿足芯片安全工作溫度的極限條件，另外從各點溫度變化趨勢上分析更有效的散熱優(yōu)化方式，為后續(xù)實驗規(guī)避風(fēng)險，提供指導(dǎo)參數(shù)。

仿真得到水流速度和溫度信息，圖4(a)顯示了散熱器內(nèi)部水流流速情況，可以看到，進(jìn)水管中水流速度較快，到達(dá)蓋板下方時流速下降明顯，普遍只有0.3 m/s左右，湍流強(qiáng)度減弱，對蓋板表面的沖擊力減小。由于壓力因素，出水管中的水流速度增大，出水管和進(jìn)水管之間的水流橫向流動性較差。從圖4(b)溫度剖面圖可以看出，芯片的熱量均勻地向四周散發(fā)，溫度以芯片排列位置為軸線呈對稱分布，但熱量在垂直方向上經(jīng)過AlN絕緣基板時傳熱受到阻礙，AlN板的溫度沒有明顯地升高。

圖4 (a) COMSOL流速剖面圖，(b) 溫度剖面圖Fig.4 (a) Section results of flow velocity in COMSOL，(b) section results of temperature

從圖5中可以直觀地看到芯片溫度、電路板溫度和蓋板溫度的變化趨勢，均隨電流增大而升高。由于熱量的堆積，芯片結(jié)溫上升較快，而電極和蓋板距離芯片位置越來越遠(yuǎn)，溫度上升趨勢逐漸平緩，與結(jié)溫溫差也越來越大，符合理論傳熱路徑。當(dāng)水溫15 ℃時，15 A大電流工作狀態(tài)下LED電壓為3.6 V，仿真最大電功率達(dá)到324 W，最大輸出熱功率為259.2 W，功率密度可達(dá)642.9 W/cm2，芯片結(jié)溫最低為116 ℃，滿足安全工作限制溫度。由此說明，該封裝方法對于大功率LED器件是可行有效的，水冷散熱器也具有良好的散熱效果。

圖5 各探針點溫度仿真結(jié)果，水溫為：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.5 Simulation results of probe pointwith water temperature:(a) 15 ℃，(b) 20 ℃，(c) 25 ℃，(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

在15 ℃水溫、15 A電流下，芯片溫度和電路板溫差約為42 ℃，電路板溫度和蓋板溫差約為35 ℃，下方水冷散熱器表面基本保持了水浴的溫度。這與仿真中熱接觸薄層的設(shè)置有關(guān)。模塊包含三層焊接層，對整個系統(tǒng)散熱產(chǎn)生重要影響，且電路板是最靠近熱源的部分，對于整體散熱起到至關(guān)重要的作用。因此，減小熱阻、加強(qiáng)電路板與底板焊接層的導(dǎo)熱能力成為繼續(xù)優(yōu)化模塊散熱性能的研究方向。

圖6為固定水溫20 ℃時，不同電流下的結(jié)溫隨流速變化關(guān)系。在小電流條件下，流速對于芯片結(jié)溫的影響較小，結(jié)溫基本保持一致，這是由于器件在小功率工作狀態(tài)下產(chǎn)生熱量較少，散熱方式以固體傳熱為主。在大電流時，流速的變化對結(jié)溫影響較明顯，曲線有明顯的向下趨勢，最大差值達(dá)到24 ℃，散熱能力提高了20%。仿真結(jié)果指出優(yōu)化流速對于提高水冷散熱器散熱有很好的效果，特別是針對大功率光源模塊，可為后續(xù)實驗提供指導(dǎo)思路。

圖6 不同電流下結(jié)溫隨水速的變化Fig.6 Dependence of junction temperature of UV-LED chips on flow velocity under various current in simulation

2.5 仿真基板厚度優(yōu)化

改變電路板厚度對于模塊散熱性能有重要影響。如圖7所示的溫度剖面看出，厚基板會給水平方向散熱更多的空間，分擔(dān)一部分垂直方向的熱流，降低了到達(dá)下一層基板的熱量，提高散熱性能。如圖8所示，在基板厚度小于5 mm的范圍，結(jié)溫隨基板厚度的增加迅速降低，從140 ℃降至117 ℃。在厚度大于5 mm的區(qū)域結(jié)溫變化幅度較小，說明通過增加銅基板厚度來改善傳熱是有限度的，過厚的銅板會增加熱量向下一級傳遞的路徑，不會帶來更明顯的散熱效果，在實際應(yīng)用中取合適厚度的銅板可以節(jié)約用料、降低成本。

圖7 不同基板厚度溫度分布剖面圖Fig.7 Section results of temperature distribution under different substrate thicknesses

圖8 不同基板厚度各探針點的溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation of probe points under different substrate thicknesses

基板位置的探針點溫度會隨基板厚度的增加而升高，因為基板厚度增加時水平方向分擔(dān)了垂直方向的熱量，基板溫度會有所上升，而較厚的基板探針點溫度基本穩(wěn)定。蓋板溫度在基板厚度小于5 mm時呈下降趨勢，但之后趨于平穩(wěn)，是因為蓋板與電路板之間還存在一層絕緣基板，所以厚度的增加對蓋板表面溫度影響不大。

3 實驗測量

3.1 模塊制備

圖9為光源模塊實物圖。電路板由銅層、絕緣層、鍍金層構(gòu)成，其中的薄絕緣層由玻璃纖維和樹脂混合制成。電路板與AlN底板進(jìn)行焊接之前，會先在覆銅層之間的溝槽中涂滿絕緣材料，防止焊接過程中由于焊點溢出或者焊球掉落造成的電路短路；6顆芯片依次共晶在鍍層金上，為了避免之后的焊接過程焊料飛濺等不確定性因素對于芯片表面的影響，在芯片上方添加一層臨時防護(hù)層。最后在正負(fù)極電極層上焊接導(dǎo)線，正負(fù)極之間接入齊納二極管，保護(hù)LED不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊，用于保護(hù)器件避免受到靜電影響。

圖9 全串聯(lián)UV-LED模塊樣品圖Fig.9 Sampleof full series UV-LED module

3.2 實驗測試系統(tǒng)

整體實驗測試系統(tǒng)如圖10所示。全串聯(lián)紫外LED光源模塊測試系統(tǒng)包括電參數(shù)測試系統(tǒng)、光參數(shù)測試系統(tǒng)和熱參數(shù)測試系統(tǒng)。其中需要具體測出LED電壓、電流參數(shù)以及光譜分布和輻射功率，基于正向電壓法測量出芯片結(jié)溫，并實測出基板表面溫度。

圖10 實驗測試系統(tǒng)Fig.10 Experimental setup

(1)電參數(shù)測試系統(tǒng)。采用恒壓電源(儀達(dá)，SS-3030 KD)作為LED工作電源提供1～15 A的電流，使用恒流源(臺灣固緯電子，GPD-3303S)提供20 mA的測試電流，信號發(fā)生器(Owon,Ag1022)連接汞開關(guān)控制LED工作電源和20 mA測試電源的開啟時間，一般設(shè)置在1%以內(nèi)。利用數(shù)字示波器(LeCroy,44Xi)監(jiān)控LED電壓切換時波形變化，調(diào)節(jié)示波器至合適的分辨率便于讀取跳變點的電壓值。

(2)光參數(shù)測試系統(tǒng)。采用光電熱測試系統(tǒng)(上海力茲，LEDT-400A)，包括積分球(Labsphere,300 mm)、光譜儀(日本大塚，LE-5400)和配套光譜測試軟件。在測試之前用12 V鹵鎢標(biāo)準(zhǔn)燈對積分球進(jìn)行定標(biāo)，穩(wěn)定10 min后即可進(jìn)行光參數(shù)的測量。測試軟件采集LED光譜功率分布并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(3)熱參數(shù)測試系統(tǒng)。熱參數(shù)測試系統(tǒng)包括熱電偶、高精度高溫烘箱、熱分析儀(上海力茲，LEDT-300B)和測試軟件。測試前需要先得到模塊的電壓—溫度定標(biāo)曲線K線。恒溫箱溫度加熱至40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃，每到達(dá)一個溫度點保持穩(wěn)定30 min。溫度滿足穩(wěn)定條件后開始判斷電壓穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定的溫度、電壓數(shù)據(jù)并保存至后臺，軟件會將所測溫度值和電壓實時繪圖得到電壓—溫度變化曲線，當(dāng)所有測試全部結(jié)束時形成定標(biāo)曲線K線。在光源模塊的負(fù)極粘接熱電偶，以獲取基板溫度，粘接位置距離芯片約3 mm。實驗開始前，使用熱成像儀(FLUKE Ti9)對模塊表面進(jìn)行測試，表面熱成像如圖11所示。避免模塊因芯片共晶或基板焊接工藝而導(dǎo)致的熱阻分布不均，調(diào)整模塊至均勻性最好的狀態(tài)。

圖11 UV-LED模塊表面熱成像Fig.11 Thermal imaging of the UV-LED module surface

3.3 全串聯(lián)光源模塊的電參數(shù)和結(jié)溫

實驗測得LED光源模塊在不同電流下的工作電壓，圖12為不同水溫下的電壓—電流變化曲線，可以清晰地看出LED電壓隨著電流的增大而逐漸增大。由于水溫的不同，在相同工作電流大小下電壓隨水溫的升高而降低，但下降幅度較小，在0.5 V以內(nèi)。實驗中芯片實際可測試最大電流為15 A，最大輸入電功率達(dá)到325.8 W，此時達(dá)到最大功率密度646.5 W/cm2。

圖12 不同水溫下的電壓—電流關(guān)系Fig.12 Dependence of voltage on current under various water temperature

圖13顯示了模塊結(jié)溫和電路板溫度的變化情況，可以看出在小電流時，電路板溫度和結(jié)溫相差在5 ℃以內(nèi)，但大電流情況下，溫差逐漸變大，在15 A時溫差達(dá)到了80 ℃以上，結(jié)溫的上升幅度明顯高于基板溫度，電路板的散熱性能對于降低結(jié)溫是至關(guān)重要的，而水溫變化對結(jié)溫和電路板溫度影響較為均勻，測量溫差與水溫溫差基本相同。

圖13 不同水溫下結(jié)溫、基板溫度隨電流的變化(a)15 ℃、(b)20 ℃、(c)25 ℃、(d)30 ℃、(e)35 ℃Fig.13 Dependence of junction and substrate temperature on current when the water temperature is (a)15 ℃,(b)20 ℃,(c)25 ℃,(d)30 ℃ and (e)35 ℃

3.4 全串聯(lián)光源模塊光參數(shù)

圖14顯示了水溫15 ℃～35 ℃時LED光源模塊的光譜分布。隨著電流逐漸增加至15 A，可明顯看出峰值波長變大，輻射光譜紅移。小電流時峰值波長改變不明顯。但電流從10 A增加到15 A時，峰值波長明顯紅移，水溫15 ℃時峰值波長從369.8 nm增加到372.4 nm，增加了2.6 nm；結(jié)溫從84 ℃大幅升高到131 ℃，增加了47 ℃。這證明光譜功率分布會受到芯片結(jié)溫的影響，結(jié)溫越高影響越大，若不能有效控制結(jié)溫，則UV-LED的壽命會受到嚴(yán)重影響。從水溫的影響來看，圖15中可以看出10 A以上的光譜輻通量的峰值隨水溫的升高而下降，15 A的曲線峰值下降最為明顯。水溫從15 ℃～35 ℃，15 A電流下的最高光譜輻通量降低了0.77 W/nm，5 A時僅降低0.18 W/nm，5 A以下光譜輻通量基本保持穩(wěn)定，說明小電流時，水溫對光譜輻通量的影響較小。

圖14 不同電流下UV-LED模塊光譜，水溫為：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.14 The spectra of UV-LED modules at various current when the water temperature is (a) 15 ℃,(b) 20 ℃,(c) 25 ℃,(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

圖15 不同電流下最高光譜輻通量隨水溫的變化關(guān)系Fig.15 Dependence of maximum spectralradiant flux on water temperature under various current

圖16為LED輻通量隨功率變化的曲線，可以看出LED輻通量會隨電流增加升高，在電流10 A之前上升趨勢明顯，10～15 A數(shù)據(jù)段上升緩慢，這與LED的輻射效率有關(guān)。圖17為LED輻射效率—功率變化曲線，輻射效率隨結(jié)溫升高而降低，圖中可以看到明顯的下降趨勢，大電流時輻射效率的大幅降低會使LED的輻射通量到達(dá)上升極限。水溫升高對輻射效率同樣有影響，水溫相差20 ℃，輻射效率最多降低了2.6%。本光源模塊在電流1 A時可得最高輻射效率41.9%，在最大電流15 A時輻射效率仍可達(dá)22.9%。

圖16 不同水溫下的輻通量—輸入功率關(guān)系Fig.16 Dependence of radiant flux on input power under variouswater temperature

圖17 不同水溫下的輻射效率—輸入功率關(guān)系Fig.17 Dependence of radiant efficiency on input power with various water temperature

3.5 仿真與實驗結(jié)果對比

圖18為仿真和實驗結(jié)果的對比，可見芯片結(jié)溫的實測和仿真結(jié)果的變化趨勢一致，這是由于仿真中對于輻射效率的設(shè)置依據(jù)了預(yù)實驗的實驗數(shù)據(jù)，更加貼合實驗數(shù)據(jù)的非線性變化。在水溫20 ℃以下，結(jié)溫差值不超過15 ℃，但是在大電流下溫差達(dá)到20 ℃以上，這是因為仿真中對電路板更細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的簡化，焊接層存在氣泡的不確定性無法完美的模擬，仿真中電路板導(dǎo)熱性能相對較好，可導(dǎo)出熱量比實際實驗中的電路板要多，所以大功率狀態(tài)結(jié)溫更低。仿真結(jié)果整體符合實驗結(jié)果，驗證了COMSOL熱學(xué)和流體力學(xué)建模的準(zhǔn)確性。

圖18 仿真與實驗結(jié)果對比，水溫為：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.18 Comparison of simulation and experiment results with water temperature is (a) 15 ℃,(b) 20 ℃,(c) 25 ℃,(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

4 結(jié)論

本文完成了全串聯(lián)高功率密度紫外LED光源模塊的設(shè)計和制備，提供了水冷散熱方案。利用3D軟件和COMSOL軟件建立了水冷散熱系統(tǒng)模型，在20 ℃水溫和15 A電流時仿真結(jié)溫為120 ℃，最高功率密度可達(dá)643 W/cm2。針對基板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了散熱性能最佳厚度為5 mm。搭建水冷散熱系統(tǒng)和LED光電熱參數(shù)測試系統(tǒng)，測試得到在水溫15 ℃時，光源模塊的最大輸入電功率達(dá)到325.8 W，最大功率密度646.5 W/cm2，此時利用該水冷散熱器的LED芯片結(jié)溫保持在130 ℃左右。實驗還測得LED相關(guān)光電特性，結(jié)果表明，隨著結(jié)溫升高，LED光譜紅移、正向電壓減小、發(fā)光效率降低。本文研制的高功率密度UV-LED模塊能夠滿足超大功率應(yīng)用中安全結(jié)溫需要，為光固化設(shè)備開發(fā)提供理論和數(shù)據(jù)支持。另外全串聯(lián)模塊在大電流情況下相比于并聯(lián)模塊電源制造成本降低，進(jìn)一步拓展了紫外光固化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。