用于固化的高光密度紫外LED大功率光源設(shè)計

廖 剛,陳小媛 ，蔣福春，劉 文，徐 競,柴廣躍,2

（1.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳518060；2.深圳技術(shù)大學(xué)，廣東深圳518000)

據(jù)Allied Market Research(美國聯(lián)合市場研究機構(gòu))推出的《全球UV固化油墨2014—2020年市場機會及預(yù)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(fù)合年均增長率超過15.7%。紫外LED作為固態(tài)照明光源在各種紫外光應(yīng)用領(lǐng)域頗具發(fā)展?jié)摿?。根?jù)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(yīng)用于光固化，而UVC則在殺菌和凈化等領(lǐng)域逐步擴大影響力。

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，但市場上的大功率產(chǎn)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(xué)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(guān)系所致，必須開發(fā)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(jù)被固化產(chǎn)品的形狀及材料特點選擇或調(diào)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(jié)約能源的目的。3）固化產(chǎn)品不變形，不脫膠，固化設(shè)備操作維護方便。

1 光源材料及結(jié)構(gòu)

大功率紫外LED產(chǎn)品設(shè)計主要包括材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計、光學(xué)設(shè)計、熱學(xué)設(shè)計以及性能測試。大功率紫外LED的封裝設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 大功率紫外LED封裝設(shè)計框架

1.1 材料選擇

在光源設(shè)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(guān)系密切，一方面直接影響發(fā)光效率，另一方面光會轉(zhuǎn)化成熱，如果不能將熱導(dǎo)出也會影響光效。UV LED中結(jié)溫是一個非常重要的因素。所以，在設(shè)計封裝結(jié)構(gòu)時不但要考慮散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，還需要選擇散熱好的基板材料和其他導(dǎo)熱材料。

經(jīng)過前期研究與實驗對比，基板材料選擇導(dǎo)熱性能更優(yōu)的AlN陶瓷基板，導(dǎo)熱界面材料選擇納米銀材料，納米銀材料的光電性能優(yōu)于導(dǎo)電銀膠。透鏡選擇硅膠透鏡。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

芯片采用首爾半導(dǎo)體生產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 紫外芯片結(jié)構(gòu)示意圖

為使單位面積光功率密度達到要求，實現(xiàn)能量集中的線光源，在設(shè)計芯片排布方式時將芯片排列成線形?？紤]LED近場分布測試儀和熱阻測試儀的有限測試范圍，設(shè)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(xué)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(jié)果有助于導(dǎo)熱界面材料和散熱器的選取。

熱阻分析采用T3Ster，該設(shè)備是一款可用于半導(dǎo)體器件的熱特性測試儀器。采用的測試方法是JESD51-1靜態(tài)測試法和動態(tài)測試法，能收集測試物升溫和降溫的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，也能測試穩(wěn)態(tài)熱阻。

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

圖5 結(jié)溫曲線

使用分析軟件T3Ster Master對結(jié)溫曲線進行分析，得到熱阻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)函數(shù)（微分）

4 透鏡光學(xué)仿真及優(yōu)化

近場光學(xué)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(shù)據(jù)模型可直接應(yīng)用于LED的光路和性能研究，直接用于光學(xué)優(yōu)化，也可經(jīng)自帶軟件Radiant Vision Systems ProSource將測試數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出后用于幾乎所有的光學(xué)優(yōu)化仿真設(shè)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(shè)定曝光時間，點亮樣品記錄電壓、電流參數(shù)，關(guān)閉環(huán)境燈。測試結(jié)束后得到的文件后綴是.RSMX，利用ProSource軟件將源文件轉(zhuǎn)化成Light-Tools支持的.Ray格式文件，以便接下來的二次光學(xué)設(shè)計及優(yōu)化。

為得到能量集中的線光源，使更多的光集中在被照射區(qū)域，需進行二次光學(xué)設(shè)計。將SIG400測試得到的源文件導(dǎo)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(xué)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

圖8 陣列后的光場圖

利用建模軟件SolidWorks將二次光學(xué)透鏡建好，屬性設(shè)置為硅膠，硅樹脂比環(huán)氧樹脂具有更高的紫外光透過率，更優(yōu)異的耐紫外光和耐熱特性。然后導(dǎo)入到已經(jīng)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(shè)置一個平面探測器。軟件設(shè)計界面如圖9。

圖9 LightTools中建模圖

經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)，得到模擬效果，如圖10。二次光學(xué)設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)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(shè)計要求。

圖10 優(yōu)化參數(shù)后的模擬效果

此時，LightTools已經(jīng)將優(yōu)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(jié)果圖

6 結(jié)論

在調(diào)查印刷行業(yè)專業(yè)需求的前提下，研究現(xiàn)有紫外LED芯片的性能，設(shè)計了一款應(yīng)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(shè)計、LED芯片陣列排布，通過光學(xué)設(shè)計和散熱技術(shù)，并配合后期的二次光學(xué)設(shè)計，獲得一款高能量密度紫外LED光源模組，顯著提高光學(xué)利用效率和被照射區(qū)域的光功率密度。

傳統(tǒng)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(jié)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?？捎^的應(yīng)用前景。

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