十千瓦級(jí)大功率紫外LED光固化系統(tǒng)

張善端韓秋漪荊 忠

（1復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，2上海邁芯光電科技有限公司）

十千瓦級(jí)大功率紫外LED光固化系統(tǒng)

張善端1韓秋漪1荊 忠2

（1復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，2上海邁芯光電科技有限公司）

紫外光固化是一種公認(rèn)的環(huán)保節(jié)能的固化技術(shù)，它是利用紫外線(UV)照射有機(jī)涂層，使其產(chǎn)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接技等反應(yīng)，最終變?yōu)楣虘B(tài)的化學(xué)過程。該反應(yīng)速度快、不需要額外加熱源、反應(yīng)物不含或僅含微量有機(jī)溶劑、反應(yīng)中也基本不產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)排放。固化后的有機(jī)涂層性能優(yōu)異，耐腐蝕、耐磨損、強(qiáng)度高、抗沖擊。因此，光固化技術(shù)在光固化涂料、光固化油墨、光固化膠粘劑、光刻膠、激光三維成像、三維造型等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)光二極管(LED)憑借效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，快速進(jìn)入各種可見光照明和紫外輻照應(yīng)用領(lǐng)域。隨著紫外LED芯片輻射效率的提升和價(jià)格的下降，紫外LED光源開拓了365 nm以上UVA波段的應(yīng)用領(lǐng)域，正在逐步替代汞燈等傳統(tǒng)紫外氣體放電光源。

為了滿足工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)η咭陨瞎β实淖贤夤庠吹男枨?，我們開發(fā)了一種高效導(dǎo)熱散熱的LED封裝結(jié)構(gòu)[1,2]。該封裝結(jié)構(gòu)采用氮化鋁板作為導(dǎo)熱絕緣板，并用銅板制作電極，實(shí)現(xiàn)了功率密度50～500 W cm-2的紫外LED封裝模塊，奠定了大功率紫外LED光固化系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。圖1所示的模塊樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該封裝結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能非常優(yōu)越，在30 °C水冷散熱條件下，功率密度為250 W cm-2時(shí)，模塊的結(jié)溫低于80 °C，而輻射效率高達(dá)20%以上?；谠撃K結(jié)構(gòu)的紫外LED光源，光固化系統(tǒng)的總功率已實(shí)現(xiàn)30 kW以上，已完全能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域紫外光固化生產(chǎn)的要求。

該大功率紫外LED光固化系統(tǒng)具有眾多性能優(yōu)勢(shì)：

封裝功率密度高。我們已實(shí)現(xiàn)的紫外LED光源的最高封裝功率密度為國際領(lǐng)先的500 W cm-2，已超過了絕大多數(shù)的汞燈等氣體放電光源，滿足所有光固化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ贤夤庠吹墓β室蟆?/p>

熱學(xué)特性好。該紫外LED光源封裝的導(dǎo)熱散熱特性卓越，紫外LED芯片始終維持在較低的結(jié)溫狀態(tài)，確保了光源的良好的工作穩(wěn)定性和超長(zhǎng)的壽命。

系統(tǒng)效率高。紫外LED的光譜集中在中心波長(zhǎng)附近，全部可用；單面出光，無反射器光損失，因此紫外LED光固化系統(tǒng)的輻射效率可達(dá)20%以上。

可瞬時(shí)開關(guān)。即開即用，還可瞬時(shí)重啟動(dòng)，進(jìn)一步節(jié)約能耗，并延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。

出光表面無熱效應(yīng)。紫外LED出光表面沒有熱輻射，芯片熱量通過背部的散熱結(jié)構(gòu)排出，避免了汞燈的高溫表面帶來的各種安全隱患。另外，由于紫外LED不會(huì)對(duì)反應(yīng)物造成紅外加熱效果，因此反應(yīng)過程中可以使用熱敏性的材料，擴(kuò)大了紫外光固化技術(shù)的應(yīng)用范圍。

無短波紫外傷害。光固化系統(tǒng)采用的紫外LED芯片的中心波長(zhǎng)在365 nm以上的UVA區(qū)域，完全不含對(duì)皮膚有快速傷害的短波紫外。

綜上，大功率紫外LED光固化系統(tǒng)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，逐步取代汞燈應(yīng)用于各種涂料、樹脂、油墨和膠黏劑的紫外光固化，為木地板、木器、各種材質(zhì)的表面處理、顯示器等電子設(shè)備的生產(chǎn)、印刷行業(yè)、包裝行業(yè)等帶來技術(shù)上的升級(jí)換代，具有極大的市場(chǎng)前景。

[1]張善端，韓秋漪，荊忠. 一種高效導(dǎo)熱的大功率LED集成封裝結(jié)構(gòu)[P]. CN 201410176671.3, 2014-07-30.

[2]張善端，韓秋漪，荊忠. LED倒裝芯片的大功率集成封裝結(jié)構(gòu)[P]. CN 201410291560.7, 2014-10-01.