高功率密度紫外LED封裝模組及其光固化應(yīng)用

韓秋漪，李思琪，李明昊，荊 忠，張善端

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433；2.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

高功率密度紫外LED封裝模組及其光固化應(yīng)用

韓秋漪1，李思琪1，李明昊1，荊 忠2，張善端1

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433；2.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

紫外LED芯片技術(shù)的快速進(jìn)步，推動了其在光固化領(lǐng)域的應(yīng)用。為了更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的要求，開發(fā)了由銅板和AlN板構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)的高功率密度紫外LED封裝模組，兼顧了高效導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。實(shí)現(xiàn)了單模組6顆芯片封裝，輻射面積0.6 cm2，輸入功率432 W，功率密度720 W·cm-2，輻出度230 W·cm-2，輻射效率32%。由此制造出了性能卓越的大功率紫外LED光固化設(shè)備，在裝飾板生產(chǎn)線以及光纖拉絲塔上得到應(yīng)用。結(jié)果表明，紫外LED光固化設(shè)備具有節(jié)能>80%的節(jié)能效果，且能大幅度提高產(chǎn)能，將為紫外光固化行業(yè)帶來更多的革新和機(jī)遇。

紫外LED；光固化；千瓦級功率；結(jié)溫測試；輻射效率

1 紫外LED的發(fā)展和應(yīng)用

紫外LED作為特種照明的固態(tài)光源之一，在各種紫外光應(yīng)用領(lǐng)域中頗有潛力，例如熒光檢測、高分辨率顯微鏡、紫外曝光、紫外固化、醫(yī)療應(yīng)用、生物分析等。與汞燈、氙燈等光譜成分復(fù)雜的氣體放電紫外光源不同，紫外LED可以根據(jù)光譜峰值波長由短到長劃分為UVC (200 nm<λ≤280 nm)、UVB (280 nm<λ≤315 nm)、UVA (315 nm<λ≤400 nm)三類，分別適合于不同應(yīng)用領(lǐng)域。目前UVA-LED主要應(yīng)用于紫外光固化，其占據(jù)了紫外LED市場的最大份額；而UVC-LED芯片則有望在殺菌和凈化等領(lǐng)域逐步擴(kuò)大影響力[1]。

作為紫外輻射系統(tǒng)的核心，紫外LED芯片的性能直接決定了系統(tǒng)的使用效果，因此該方面的研究和開發(fā)一直是相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，獲得了各國政府的重點(diǎn)支持，近年來獲得了長足的發(fā)展。由于大規(guī)模用于藍(lán)光LED的GaN材料的禁帶寬度為3.4 eV，對波長365 nm以下的輻射吸收很大，因此短波紫外LED更多采用AlGaN材料來制作。但AlGaN材料制作的芯片的位錯密度較高，高鋁組分時激活困難，導(dǎo)致輻射效率降低。峰值波長越短，紫外LED芯片的外量子效率(EQE)越低。

圖1 UV-LED芯片和封裝的市場規(guī)模[1]Fig.1 Market size of UV LED chips and packages [1]

300 nm以下深紫外LED的芯片研究一直是紫外LED的焦點(diǎn)之一。國內(nèi)外眾多高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都持續(xù)致力于開發(fā)高性能的深紫外LED芯片和器件[2-8]，并且更多地向280 nm以下的UVC-LED芯片領(lǐng)域拓展。盡管UVC-LED芯片的性能還未能盡如人意，價格仍然較高而輻射效率還相對很低(商用占比<3%)，但是隨著其外延技術(shù)發(fā)展以及成本快速下降，將會越來越多地應(yīng)用在殺菌和凈化等領(lǐng)域，從而帶來更大的市場規(guī)模。

Yole Développement發(fā)布的2016年紫外LED行業(yè)調(diào)查報告顯示[1]，繼UVA-LED在光固化領(lǐng)域的繁榮之后，深紫外UVC-LED在滅菌和凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐漸興起。該報告對UVC-LED的發(fā)展前景給予了充分的肯定，如圖1所示。但同時報告也指出，UVA-LED在光固化領(lǐng)域的應(yīng)用市場仍然將保持持續(xù)穩(wěn)定的增長。預(yù)計到2021年，UVA-LED的市場規(guī)模將由2015年的1.07億美元增長到3.57億美元，復(fù)合年均增長率23%[1]。

目前UVA-LED芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，各種大功率芯片產(chǎn)品紛紛問世[9-10]。市場上的365～405 nm 的UVA-LED芯片產(chǎn)品，單顆芯片的輻射輸出功率可達(dá)幾毫瓦至幾十瓦，而且外量子效率也比較高，365 nm產(chǎn)品可達(dá)40%以上，385 nm產(chǎn)品可達(dá)50%，而405 nm芯片效率有60%。而且隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，UVA-LED芯片的價格也大幅度降低。持續(xù)提升的器件性能以及不斷下降的芯片成本，將使得UVA-LED進(jìn)一步擴(kuò)張在紫外光固化領(lǐng)域的比重。

然而，UVA-LED產(chǎn)品在不同光固化領(lǐng)域的滲透速度仍然有較大區(qū)別。對于點(diǎn)膠、數(shù)字噴墨印刷等尺寸小、速度低的固化應(yīng)用，UVA-LED的接受度最高，其產(chǎn)品的開發(fā)和發(fā)展速度最快。而在高速、高輻照度的應(yīng)用領(lǐng)域如顯示屏固化、涂料固化等領(lǐng)域，UVA-LED產(chǎn)品的推廣相對較慢，因?yàn)檫@些領(lǐng)域需要高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的紫外輻射，因此對UVA-LED固化系統(tǒng)的性能要求更高。

由于絕大部分的大功率應(yīng)用都不是單顆紫外LED芯片就能滿足要求的，因此紫外LED要替代已有的氣體放電紫外光源，高功率密度的封裝器件和模組的設(shè)計是關(guān)鍵點(diǎn)。近年來，有不少關(guān)于大功率紫外LED系統(tǒng)的報道。Schneider等開發(fā)的大功率模組由98顆395 nm紫外LED芯片構(gòu)成，輸入功率達(dá)到162 W，輻射功率密度最高達(dá)31.6 W cm-2[11-13]。Horng等人制作了一種新型的DAC (即diamond-added copper)散熱器，證實(shí)能夠極大地改善紫外LED的熱學(xué)性能，提高輻射輸出功率和輻射效率[14]。Yapici等用172顆380 nm的InGaN芯片設(shè)計了一種低成本的便攜式紫外LED曝光系統(tǒng)，最大輻射功率密度為20 mW·cm-2[15]。

盡管國內(nèi)外已開發(fā)了許多大功率UVA-LED系統(tǒng)，但大部分與涂料固化、顯示屏固化等應(yīng)用的條件仍有較大差距，主要在于封裝結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能限制了系統(tǒng)功率密度的進(jìn)一步提高，使得系統(tǒng)的輻照度和壽命等參數(shù)達(dá)不到要求。AlN材料兼具卓越的導(dǎo)熱性能和絕緣性能，因此在LED系統(tǒng)的散熱方面頗受關(guān)注。尤其是作為LED基板材料方面，可以在金屬PCB基板上鍍AlN薄膜[16-17]，也可以是AlN基板上制作PCB電路[18]。然而，這類基板都存在成膜技術(shù)難度高、金屬膜過流量小的問題，且制作過程復(fù)雜、成本昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

簡而言之，由當(dāng)前的市場需求所牽引，為了進(jìn)一步提高紫外LED光固化設(shè)備的性能，必須開發(fā)更高輻照度、更長壽命的紫外LED封裝器件。而同時光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱管理以及驅(qū)動器等其他部件的性能研究也是當(dāng)前關(guān)注的重要方面。除此以外，各種定制設(shè)備也在不斷開發(fā)中，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的差異化需求，如輻照度水平、工作距離、與其他生產(chǎn)設(shè)備的系統(tǒng)集成等。蓬勃發(fā)展的紫外LED光固化市場正在不斷吸引來自印刷設(shè)備、傳統(tǒng)固化行業(yè)、可見光LED照明、光學(xué)行業(yè)等其他領(lǐng)域的新企業(yè)和新參與者。

2 高功率密度紫外LED封裝模組的結(jié)構(gòu)

涂料固化等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，需要用到千瓦級以上的紫外固化設(shè)備，而且對設(shè)備大小、輻射強(qiáng)度等也都有較高的要求。我們在高功率密度紫外LED封裝方面開展了積極探索，獲得了超過500 W·cm-2的輸入功率密度。

一種高效導(dǎo)熱的“三明治”封裝結(jié)構(gòu)最先被應(yīng)用于高功率密度的紫外LED模組[19-20]。該封裝結(jié)構(gòu)由兩塊銅板和兩塊AlN板組成，厚度均為1 mm，如圖2所示。銅板與AlN板的界面上涂有自制的絕緣膠，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到120 W·m-1·K-1。AlN板起到了上下層銅板、下層銅板與散熱器之間的絕緣作用，同時又保證模組具有良好的導(dǎo)熱性能。

圖2 “三明治”高功率密度LED模組[20]Fig.2 The sketch of the “sandwich” high power-density LED module [20].(a) sectional drawing of the structure, (b) vertical view of the module

單個封裝結(jié)構(gòu)模組中，上層銅板和AlN板上開有若干窗口，而下層銅板作為封裝基板，垂直結(jié)構(gòu)的紫外LED芯片陣列排布進(jìn)行封裝。垂直芯片的底部電極與銅基板用高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)電膠粘結(jié)，頂部電極則用金線與上層銅板連接。上下層銅板分別作為模組的正負(fù)極，而模組內(nèi)的所有芯片并聯(lián)。模組之間可以并聯(lián)、也可以串聯(lián)，因此能夠根據(jù)應(yīng)用要求拼裝出不同功率的光固化設(shè)備。

該封裝結(jié)構(gòu)中，舍棄了LED模組中常用的PCB電路，而直接用銅板來導(dǎo)電，因此將模組的載流能力提高了數(shù)十倍，從而確保了大功率LED設(shè)備的可行性。而結(jié)構(gòu)中材料層級的簡化以及高導(dǎo)熱系數(shù)材料的選取，使得模組結(jié)構(gòu)的整體導(dǎo)熱性能得到了大幅度的提升，從而實(shí)現(xiàn)了200 W·cm-2以上的封裝電功率密度，最大功率密度可達(dá)500 W·cm-2。該封裝結(jié)構(gòu)已申請了國家發(fā)明專利[20]。

基于金屬板導(dǎo)電、AlN板絕緣的設(shè)計要點(diǎn)，對“三明治”高效導(dǎo)熱LED封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和變形，另外提出了三種針對不同芯片結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用需求的高功率密度封裝模組[21-23]。

圖3是采用倒裝芯片的高功率密度封裝結(jié)構(gòu)[21]，同樣采用銅板與AlN板間隔排布的“三明治”結(jié)構(gòu)作為基板，以提高導(dǎo)熱性能和載流能力。但是針對倒裝芯片電極在同一側(cè)的特點(diǎn)，單個芯片橫跨銅板-AlN板的交界面。模組基板可以采用絕緣螺絲來緊固，提高機(jī)械強(qiáng)度。

圖4是全串聯(lián)的高功率密度LED芯片封裝模組[22]，適用于大功率的垂直結(jié)構(gòu)芯片。該封裝模組由若干個單芯片封裝器件構(gòu)成，外部用絕緣框箍緊。單芯片封裝器件包含同軸結(jié)構(gòu)的正極導(dǎo)電柱與和負(fù)極金屬管，兩者之間采用AlN材料作為內(nèi)絕緣導(dǎo)熱層。相鄰器件之間有一層外絕緣層，其正負(fù)極端采用導(dǎo)電膠進(jìn)行電連接，如圖4所示，形成全串聯(lián)封裝結(jié)構(gòu)。LED芯片底部的P極與所述器件的方形導(dǎo)電柱采用共晶焊的方式形成電連接；LED芯片頂部N極利用金線與負(fù)極金屬管連接。該封裝模組將所有高功率密度LED芯片全部串聯(lián)，可以減小電源導(dǎo)線的線徑，既降低了電源制作的難度，又避免了超大電流對線路安全性造成隱患。

圖3 采用倒裝芯片的高功率密度LED模組[21]Fig.3 The sketch of the high power-density LED module with flip-chips [21]. (a) sectional drawing of the structure, (b) vertical view of the module

圖4 全串聯(lián)的高功率密度LED芯片封裝結(jié)構(gòu)[22]Fig.4 The sketch of the high power-density LED module with all chips in series [22](a) sectional drawing of the structure, (b) vertical view of the module

圖5顯示了超大功率垂直芯片的集成封裝模組[23]。目前的芯片技術(shù)可以切割出單顆幾十瓦甚至上百瓦的超大功率垂直芯片，即可滿足部分應(yīng)用所需的輻射強(qiáng)度要求。這種芯片電流非常大，需要幾十根金線來進(jìn)行電連接。然而芯片表面兩側(cè)的焊盤面積很小，金線不得不排布得十分緊密，因此運(yùn)行過程中金線容易燒斷，會對器件的壽命造成極大的影響。由此，圖5提出的封裝模組結(jié)構(gòu)中，采用金屬箔片來替代金線，增大過流面積，可以有效提高這種超大功率芯片的器件壽命。

圖5 超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)[23]Fig.5 The sketch of the very high power-density LED module with vertical chips [23]

目前已制備出的高功率密度封裝模組包含六顆385 nm的大功率垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，其底部P型電極采用共晶方式焊接在銅基板上。單顆芯片尺寸為2.8 mm×2.8 mm= 7.84 mm2，額定電流為10 A，額定功率為36 W。通過有效散熱手段將結(jié)溫控制在165 ℃以內(nèi)，單顆芯片的最高工作電流可達(dá)到35 A，則對應(yīng)的電流密度達(dá)到4.5 A·mm-2，電功率高達(dá)140 W。被測模組樣品將六顆芯片并聯(lián)，構(gòu)成的發(fā)光面面積為0.6 cm2。由國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測報告，該模組電壓為3.6 V，工作電流可達(dá)120 A，輸入功率432 W，功率密度720 W·cm-2。

3 高功率密度紫外LED模組的特性

為了評估高功率密度紫外LED模組的熱學(xué)特性和輻射特性，對設(shè)計樣品進(jìn)行了結(jié)溫、輸入功率和輻射效率的測量。由于功率>500 W的大功率紫外LED模組的電流太高、輻射強(qiáng)度也很大，所以很難同時測量其工作狀態(tài)下的結(jié)溫和輻射通量。因此被測模組樣品僅采用單顆芯片，如圖6所示。該模組采用水冷方式進(jìn)行散熱，循環(huán)式恒溫水浴的溫度范圍(10～35)℃。實(shí)際測量了工作電流1～35 A范圍內(nèi)模組的結(jié)溫和輻射特性。前期研究的1～25 A的主要結(jié)果已在第15屆國際照明科技研討會上以特邀報告的方式發(fā)表[24]，本文1～35 A的結(jié)果為首次發(fā)表。

圖6 實(shí)驗(yàn)測量的高功率密度紫外LED模組的結(jié)構(gòu)Fig.6 The sketch of the sample UV-LED module with high power-density for experimental measurement

高功率密度紫外LED模組的結(jié)溫測試與輻射特性測量是同時進(jìn)行的。模組樣品正常工作時采用直流電源驅(qū)動，通過一個大電流開關(guān)實(shí)現(xiàn)工作電流與測試電流的快速切換，而測試電流則由恒流源提供。示波器(LeCroy 44Xi)則記錄下跳變過程中的模組電壓，用來計算對應(yīng)的結(jié)溫。此外，測量過程中同時采用熱電偶監(jiān)測基板溫度Tc，作為評價模組導(dǎo)熱性能的參考。模組的系統(tǒng)電壓由數(shù)字萬用表(Fluke 45)測量，工作電流則通過采樣電阻及數(shù)字萬用表(Angilent 34401A)得到，從而可以計算出模組的輸入電功率。模組的輻射特性則由積分球系統(tǒng)(Labsphere)來測量，將模組的輻射空間分布積分即可得到總輻射功率即輻射通量。該積分球系統(tǒng)已用波長350～1 050 nm的鹵鎢標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)過。另外光譜儀(Otsuka LE-5400)用來測量模組的輻射光譜。

實(shí)驗(yàn)采用電壓法來測量模組樣品的結(jié)溫[25]。在正式測量前，先在20 mA恒定電流的條件下，標(biāo)定溫度25～120 ℃范圍內(nèi)的模組正向電壓Uf與結(jié)溫Tj的關(guān)系曲線。由于該范圍內(nèi)Uf-Tj近似為線性關(guān)系，因此可以表述為

其中Uf0為閾值電壓，k代表Uf-Tj曲線的斜率。根據(jù)該曲線關(guān)系也可以推算出120 ℃以上的狀態(tài)。隨后在工作狀態(tài)下，測量模組電流從工作值切換到測試電流20 mA時的瞬態(tài)電壓，就可以計算出該狀態(tài)下的結(jié)溫Tj。

圖7 不同水冷溫度Tw下，高功率密度紫外LED模組的結(jié)溫和基板溫度隨工作電流的變化Fig.7 The dependence of the junction temperature (a) and substrate temperature (b) of the sample module on the operating current under various cooling water temperature Tw

圖7展示了該模組樣品的結(jié)溫和基板溫度的測試結(jié)果，其中Tw代表水冷系統(tǒng)中的恒溫水浴的溫度。明顯可以看出，隨著電流增大，結(jié)溫的上升趨勢比較平緩，即便在非常高的電流密度狀態(tài)下，仍然保持在比較低的水平，說明芯片到基板的導(dǎo)熱性能非常好。而水冷溫度對結(jié)溫的影響很大，表明外部的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計也是保證模組和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。在電流較低時，結(jié)溫和基板溫度的溫差很小。但是隨著電流增大，溫差也不斷增大。當(dāng)水溫35 ℃、電流達(dá)到35 A時，溫差可以達(dá)到84 ℃。由此可以看出，該模組結(jié)構(gòu)仍有進(jìn)一步改善的空間。但無論如何，這個高功率密度的紫外LED模組具有卓越的散熱性能，以此制備出來的紫外LED設(shè)備即便在夏天采用自來水冷卻的條件下也能夠穩(wěn)定運(yùn)行，這為該系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的保障。

圖8描繪了不同工作電流下被測模組的輻射光譜?？梢钥闯?，光譜的峰值波長隨著電流增大而產(chǎn)生了紅移Δλ。圖9更直觀地展示了峰值波長的紅移現(xiàn)象：在水冷溫度(10～35)℃下，電流從1 A增大到35 A，峰值波長相應(yīng)地從388.4 nm偏移至393.1 nm。而且水冷溫度越高，紅移的偏差越大：當(dāng)水冷溫度為10 ℃時，Δλ= 2.3 nm；當(dāng)水冷溫度升至35 ℃時，Δλ提高到了3.6 nm。值得注意的是，由于某些光固化的化學(xué)反應(yīng)對波長非常敏感，因此這種光譜紅移現(xiàn)象有可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)能效的降低。

圖8 水冷溫度為10 ℃時，被測模組的光譜隨電流的變化Fig.8 The spectrums of the sample module at various current when Tw is 10 ℃

圖9 不同水冷溫度下，被測模組的峰值波長隨電流的變化Fig.9 The peak wavelength of the sample module at various current and Tw

圖10 不同水冷條件下，高功率密度紫外LED模組的輻射通量和輻射效率隨輸入功率的變化Fig.10 The dependence of radiant power (a) and radiant efficiency (b) of the sample module on the input power under various cooling conditions

被測紫外LED模組的輻射特性如圖10所示。其輻射通量隨輸入功率增大而增加，在水冷溫度10 ℃，工作電流35 A時，正向電壓4.1 V，輸入功率142.6 W，輻射通量最大值可達(dá)33.2 W，對應(yīng)的輻出度高達(dá)423.5 W·cm-2。另外，實(shí)驗(yàn)測得的輻射效率也很高。盡管效率隨輸入功率增大而減小，但水冷溫度35 ℃條件下，即便輸入功率高達(dá)142.9 W，輻射效率仍然達(dá)到了20.1%。而前文所述的由六顆芯片構(gòu)成的輻射面積為(2.0×0.3)cm2的高功率密度模組，在電壓3.6 V總電流120 A時，輸入功率432.3 W，功率密度720.5 W·cm-2，其輻射效率32%，輻出度達(dá)到230.6 W·cm-2，是Schneider等開發(fā)設(shè)備[11-13]的7～17倍。這個結(jié)果證明了紫外LED已成為UVA應(yīng)用領(lǐng)域最高效的光源。

上述實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，基于AlN板-銅板結(jié)構(gòu)的高功率密度紫外LED封裝結(jié)構(gòu)具有卓越的導(dǎo)熱性能。由該封裝結(jié)構(gòu)制成的紫外LED設(shè)備能夠提供極高的紫外輻照度以及穩(wěn)定的工作狀態(tài)，足以滿足各種工業(yè)應(yīng)用的要求。

4 大功率紫外LED光固化設(shè)備的工業(yè)應(yīng)用

作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色技術(shù)，紫外光固化已廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)生產(chǎn)，例如包裝印刷、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、光纖制造、化學(xué)聚合、板材生產(chǎn)、家具制造、金屬防腐等。含有特定光引發(fā)劑的液態(tài)原料在紫外光照下發(fā)生固化反應(yīng)，反應(yīng)過程中無揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)產(chǎn)生，固化產(chǎn)物也具有良好的物理特性和化學(xué)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)固化反應(yīng)相比，光固化反應(yīng)速度更快，也更環(huán)保。

光固化反應(yīng)利用的是360～405 nm的近紫外光，因此UVA-LED在光固化行業(yè)具有很強(qiáng)的競爭力，涵蓋了涂料、油墨、膠黏劑等各種光固化領(lǐng)域。正如Yole的調(diào)查報告所言[1]，光固化行業(yè)是紫外LED市場最主要的構(gòu)成部分。

基于前文所述的高功率密度紫外LED封裝模組，已開發(fā)了多種大功率紫外固化設(shè)備，系統(tǒng)功率達(dá)到了(10～30)kW，部分設(shè)備的照片列于圖11中。這些設(shè)備已成功應(yīng)用于木地板生產(chǎn)、包裝印刷、光纖制造等工廠生產(chǎn)線中。用戶的反饋?zhàn)C實(shí)了這些大功率紫外LED光固化設(shè)備具有突出的節(jié)能效果和輻射維持特性，這將進(jìn)一步促進(jìn)紫外光固化技術(shù)的推廣和革新。

圖11 不同類型的大功率紫外LED光固化設(shè)備Fig.11 Some types of high power UV-LED curing machines for different applications

以裝飾板表面涂料固化為例：傳統(tǒng)生產(chǎn)線采用高壓汞燈作為紫外固化光源，其生產(chǎn)過程包含封底、膩?zhàn)?、印色?次底涂、2次面涂以及1次淋涂。而采用新型的紫外LED生產(chǎn)線(如圖12所示)，只需要紫外光照1次即可完成產(chǎn)品表面涂料的快速固化，大大提高生產(chǎn)能力。在相同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，50 W·cm-1的紫外LED就可以替代2支80 W·cm-1的高壓汞燈，實(shí)現(xiàn)節(jié)能90%，而且固化速度可以從10 m·min-1提高到60 m·min-1。

圖12 采用紫外LED的裝飾板表面涂料固化生產(chǎn)線Fig.12 The production line of wood-board-painting based on UV-LEDs

另一項(xiàng)令人矚目的革新發(fā)生在光纖制造領(lǐng)域。在光纖拉絲塔單條生產(chǎn)線中，7臺總功率8.4 kW的紫外LED光纖固化爐已被證明可以替代44.8 kW的微波中壓汞燈系統(tǒng)，節(jié)能80%以上。表1中詳細(xì)比較了兩組系統(tǒng)的能耗和電力成本?？梢钥吹?，單從紫外固化系統(tǒng)本身能耗而言，單套設(shè)備一年所節(jié)省的電能可達(dá)320 MW·h。如果考慮到微波汞燈系統(tǒng)所需的冷卻設(shè)備的能耗，則該數(shù)值將更為顯著。而且使用紫外LED設(shè)備后，可以加快生產(chǎn)速度，光纖產(chǎn)量還可以因此提高67%。這兩方面的效果相疊加，最終單位長度光纖拉絲的成本降至原來的約1/9。圖13是該紫外LED光纖固化爐的照片，該固化爐已在國內(nèi)領(lǐng)先的光纖企業(yè)中得到批量應(yīng)用?！肮饫w拉絲塔用高效紫外LED固化系統(tǒng)”獲得2016年第18屆中國國際工業(yè)博覽會創(chuàng)新銀獎[26]。

表1 光纖拉絲塔單條生產(chǎn)線的能耗比較

圖13 老煉測試中的紫外LED光纖固化爐Fig.13 UV-LED curing machine for fibre drawing in aging test

5 總結(jié)

隨著UVA-LED芯片技術(shù)趨于成熟，器件的性能穩(wěn)定而成本降低。我們開發(fā)出了高功率密度的紫外LED封裝模組，由此設(shè)計制造出了不同功率、形狀的大功率光固化設(shè)備并成功進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化，以滿足各種工業(yè)生產(chǎn)的要求。該封裝模組由AlN板和銅板構(gòu)成，兼具高導(dǎo)熱性能和大電流負(fù)載能力，輻射性能卓越。輻射面積為7.84 mm2的單顆芯片封裝后，在輸入功率高達(dá)143 W的條件下，結(jié)溫保持在160 ℃以下，輻射效率仍然能夠達(dá)到20.1%。而六顆芯片構(gòu)成的封裝模組則可以取得極高的功率密度，輻射面積0.6 cm2，電功率密度>720 W·cm-2。由此開發(fā)出來的大功率紫外光固化設(shè)備，既具有突出的輻照度，又能達(dá)到良好的節(jié)能效果(節(jié)能>80%)，而且安全性更高，壽命更長，因此為紫外光固化行業(yè)提供了新一代的光源，正持續(xù)不斷地取代氣體放電紫外光源。

展望未來，紫外LED光固化產(chǎn)品市場仍然將持續(xù)穩(wěn)定地增長：一方面，紫外LED光固化設(shè)備將進(jìn)一步取代傳統(tǒng)的氣體放電紫外燈光固化市場的份額；另一方面，各種大功率設(shè)備和系統(tǒng)的開發(fā)將進(jìn)一步拓展紫外光固化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是追求高速度、低成本、低能耗的工業(yè)生產(chǎn)線中，將會有越來越多的紫外LED光固化設(shè)備投入使用。

致謝：本文由2016年度上海市軍民融合專項(xiàng)項(xiàng)目計劃“聚脲涂裝設(shè)備及雙固化聚脲彈性體的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”資助。感謝上海力茲照明電氣有限公司協(xié)助完成了大功率紫外LED模組的結(jié)溫和輻射測試。

[1] MUKISH P, BOULAY P. UV LEDS-Technology, Manufacturing and Application Trends, Yole developpement, 2016. http://www.i-micronews.com/images/Flyers/LED/Flyer_UVLED_web.pdf.

[2] HIRAYAMA H, NORIMATSU J, NOGUCHI N, et al. Milliwatt power 270 nm-band AlGaN deep-UV LEDs fabricated on ELO-AlN templates [J]. Physica Status Solidi C, 2009, 6: S474-S477.

[3] NORIMICHI N, HIRAYAMA H, YATABE T, et al. 222 nm single-peaked deep-UV LED with thin AlGaN quantum well layers [J]. Physica Status Solidi C, 2009, 6: S459-S461.

[4] HIRAYAMA H, FUJIKAWA S, NORIMICHI N, et al. 222-282 nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDs fabricated on high-quality AlN on sapphire [J]. Physica Status Solidi A, 2009, 206: 1176-1182.

[5] KUELLER V, KNAUER A, REICH C, et al. Modulated epitaxial lateral overgrowth of AlN for efficient UV LEDs [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24 (18): 1603-1605.

[6] SUN P, BAO X, LIU S, et al. Advantages of AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with a superlattice electron blocking layer [J]. Superlattices and Microstructures, 2015, 85: 59-66.

[7] 李金釵, 季桂林, 楊偉煌, 等. 高Al組分AlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)材料發(fā)光機(jī)制探討[J]. 發(fā)光學(xué)報, 2016, 37 (5): 513-518.

[8] CAI D, WANG H, HUANG Y, et al. Completely transparent ohmic electrode on p-type AlGaN for UV LEDs with core-shell Cu@ alloy nanosilk network [C]// SPIE Nanoscience+ Engineering. International Society for Optics and Photonics, 2016: 99260D-99260D-1.

[9] KURIN S, ANTIPOV A, BARASH I, et al. CHVPE growth of AlGaN-based UV LEDs [J]. Physica Status Solidi C, 2013, 10: 289-293.

[10] MURAMOTO Y, KIMURA M and NOUDA S. Development and future of ultraviolet light-emitting diodes: UV-LED will replace the UV lamp [J]. Semiconductor Science and Technology, 2014, 29: 084004, 1-8.

[11] SCHNEIDER M, HERBOLD C, MESSERSCHMIDT K, et al. High power UV-LED-clusters on ceramic substrates [C]// 60th Electronic Components and Technology Conference. Las Vegas, NV，2010.

[12] SCHNEIDER M, LEYRER B, HERBOLD C, et al. Thermal improvements for high power UV LED Clusters [C]// 61st Electronic Components and Technology Conference. Lake Buena Vista: 2011.

[13] SCHNEIDER M, LEYRER B, HERBOLD C, et al. Index matched fluidic packaging of high power UV LED clusters on aluminum substrates for improved optical output power [C]// 62ndElectronic Components and Technology Conference. San Diego, CA，2012.

[14] HORNG R, LIN R, HU H, et al. Diamond-added-copper heat spreader for UV LED applications [J]. Electrochemical and Solid-State Letters, 2011, 14 (11): H453-H456.

[15] YAPICI MK, FARHAT I. UV-LED exposure system for low-cost photolithography [C]// Optical Microlithography XXVII. Proc. of SPIE, 2014, 9052: 90521T, 1-7.

[16] HEO Y J, KIM H T, KIM K J, et al. Enhanced heat transfer by room temperature deposition of AlN film on aluminum for a light emitting diode package [J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50 (1): 799-804.

[17] HSU M S, CHANG C C, WANG Y C. The thermal conductivity of LED under the influence of vacuum sputtering films [C]// Conference on Photonic Fibre and Crystal Devices-Advances in Materials and Innovations in Device Applications IV. San Diego, CA. Proc. of SPIE, 2010, 7781: Art. No. 77810T.

[18] YIN L Q, YANG L Q, YANG W Q, et al. Thermal design and analysis of multi-chip LED module with ceramic substrate [J]. Solid-State Electronics, 2010, 54 (12): 1520-1524.

[19] 韓秋漪, 張善端, 荊忠. 新型移動式LED紫外固化設(shè)備[J]. 涂料技術(shù)與文摘, 2014, 35 (9): 43-48.

[20] 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)：中國，103956356A[P]. 2014-07-30.

[21] 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)：中國，104078457A[P]. 2014-10-01.

[22] 張善端, 韓秋漪, 荊忠. 全串聯(lián)的高功率密度LED芯片封裝結(jié)構(gòu)：中國，105261689A[P]. 2016-01-20.

[23] 張善端, 韓秋漪, 荊忠. 超大功率垂直芯片的集成封裝結(jié)構(gòu)：中國，105261693A[P]. 2016-01-20.

[24] HAN Q Y, LI S Q, LI M H, et al. An industrial future of high power-density UV-LED modules for curing [C]// Proceedings of the 15th International Symposium on the Science and Technology of Lighting (LS15). Kyoto, Japan, 2016. Sheffield, UK: FAST-LS. 475-484.

[25] XI Y, SCHUBERT E F. Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method [J]. Applied Physics Letters, 2004, 85 (12): 2163-2165.

[26] 中國國際工業(yè)博覽會評獎部. 第十八屆中國國際工業(yè)博覽會獲獎?wù)蛊饭鎇N]. 人民日報, 2016-11-01.

High Power-density UV-LED Package Modules and Their Application in Curing

HAN Qiuyi1, LI Siqi1, LI Minghao1, JING Zhong2, ZHANG Shanduan1

(1.InstituteforElectricLightSources,FudanUniversity,Shanghai200433,China; 2.ShanghaiMachineOptoelectronicTechnologyCoLtd,Shanghai201612,China)

The rapid progress of ultraviolet (UV) LED chip technology pushes UV-LEDs’ application in curing field. For the purpose of meeting the requirement of industrial manufacture, high power-density UV-LED package modules are developed based on a sandwich packaging structure consisting of copper and AlN boards. The structure improves the module performances of both the thermal conduction and the current carrying. The parameters of a six-chip package module are: emitting area 0.6 cm2, input power 432 W, input power density 720 W·cm-2, emittance 230 W·cm-2, radiant efficiency 32%. This leads to the possibility of high-performance and high-power UV-LED curing systems, which have been used in wood-board-painting production lines and optical fibre drawing towers successfully. The results show more than 80% energy saving, and significant production capacity increase, which will bring revolution and opportunity to the UV curing industry.

ultraviolet LEDs; photo-curing; kilowatt power; junction temperature measurement; radiant efficiency

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.005