UV-LED光源散熱器的研究進展

李 莉，岳 濤

天津工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，天津 300387

0 引言

UV-LED是繼汞燈、氙燈等傳統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、光效高、能耗小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，成為目前大多數紫外應用領域中的最佳換代產品。UV-LED按照波長范圍可劃分為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、生化檢測等領域；UVB在銀屑病及特定類型皮膚癌的光學醫(yī)療方面展現出良好的療效；UVA則常用于光學防偽、光催化、光固化等領域。此外，UV-LED芯片及其封裝燈珠均可實現小型化和微型化，易于與處理器、傳感器、執(zhí)行器、光學器件等集成封裝，形成緊湊的系統級封裝產品，從而完成特定領域的復雜功能，如用于微量氣體和液體檢測的光流控產品等。隨著UV-LED技術的持續(xù)提升，各個波長品類可滿足的市場需求將進一步被細化，逐漸展現出更加廣闊的應用前景[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工作時所產生的熱量更多。為了彌補單顆UV-LED芯片出光不足的問題，高光強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，會產生更高的熱流密度。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，出光峰值波長也會出現較大紅移，并且會顯著增加引發(fā)熱失效的概率，嚴重降低其使用可靠性和壽命，因此UV-LED對提升其散熱能力具有更加強烈的技術需求。

目前，對于UV-LED的研究對內應關注提升光輸出效率方面，通過研發(fā)新型材料和封裝技術來提高內量子效率，對外應選擇合理的散熱器結構將熱量高效地排出。文章主要對近年來國內外就UV-LED散熱器的研究進展進行綜述，并對UV-LED散熱器優(yōu)化方法進行了總結和展望。

1 散熱器選擇

應用在UV-LED系統上的散熱器主要包括風冷散熱器、液冷散熱器和新型散熱器。不同能量級別的UV所適用的散熱器不同。在研究早期，風冷只能適合較低輸出功率的紫外線應用。然而，近年來，在此方面已經取得了較大的進展，可以實現更高功率的空氣冷卻，而不會對芯片壽命和可靠性產生負面影響。

與空氣相比，用液體作介質可以更容易地獲得較低的結溫，從而使UV-LED系統效率更高、壽命更長、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場合應用。常見的風冷散熱器有翅片式、熱管式，液冷散熱器有主動循環(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風冷散熱器

風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，因此通常采用強制對流代替自然對流。

2.1 翅片式強迫對流

翅片作為散熱的核心部件，其形狀結構是影響風冷散熱器散熱效果的直接因素，人們對于翅片的設計日益重視，板翅式和針翅式結構是目前常見的翅片散熱器構造。

江蘇大學俞樂[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要求，確定了風量為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構UVC-LED模塊的針翅式散熱結構。這種結構對于未加散熱器而言，芯片結溫降低明顯。上述學者單一地對板翅式和針翅式結構的散熱能效進行了研究。林鵬等[7]設計了板翅式和針翅式散熱器結構，為了比較其性能的優(yōu)劣，對UV-LED固化裝置進行了建模和仿真，通過對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，對針翅式散熱器進行了優(yōu)化與試驗，模擬數據與試驗數據具有一致性。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，導致其加工復雜，容易堵塞，清洗困難。

2.2 熱管式強迫對流

熱管是高效熱傳導裝置，主要利用相變傳熱，熱管本身并沒有冷卻作用，只是一個良好的導熱體。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。

許多學者將模擬與試驗相結合進行研究。于洋等[8]為了研究熱管和風冷翅片與傳統風冷翅片相比具有更好的散熱性能，設計了大功率UV-LED印刷燈。結果表明其熱沉熱阻值在0.151～0.157 K/W，略微大于仿真結果0.118 K/W，但誤差在允許范圍之內，試驗結果與仿真結果具有一致性。另外，為了滿足印刷企業(yè)的實際生產需要，UV固化燈的電源需要具有可調且往往具有較高的數值。王勻等[9]設計了一款熱管風冷式散熱器，如圖2所示。同時，對芯片總功率1 500 W（熱功率1 200 W）的UV-LED固化燈進行了研究。試驗結果表明，在送風體積為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 ℃。模擬與試驗結果比較，誤差約為4%，驗證了模擬結果的準確性。

圖2 熱管風冷式散熱器

除了上述提到的溫度、熱沉熱阻值這些依據，瞬態(tài)性能對于判斷熱管風冷散熱器的結構是否可靠也特別重要。任航等[10]對于典型的UV-LED風冷翅片熱管式冷卻系統進行研究，該系統的熱功率為96 W。通過對風冷散熱器在給定條件和變化條件下的動態(tài)響應和試驗研究，模擬結果與試驗結果的溫度變化趨勢基本一致。熱源越接近，響應就越快，表明其瞬態(tài)溫度響應是滯后的。

3 UV-LED液冷式散熱器

液冷散熱器通過水泵帶動液體流動將熱量帶走，液冷散熱器通常用水作冷卻劑，由于在相同溫度下水的導熱系數大約是空氣導熱系數的20倍，其傳熱能力大于空氣導熱系數，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)周圍空間有限的應用中，在多種場合得以應用廣泛。

3.1 主動循環(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，水冷卻通道的設計是液冷研究的重點。冷卻通道的結構直接影響冷卻板中水的流動路徑和流動范圍，改變水的湍流涌動程度，改變對流換熱系數，對散熱有重要影響。

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

上述通道結構簡單，但整個UV系統的溫度分布的均勻性差。Li等[13]采用折流板并聯冷卻通道。翅片分離并且產生很多的小流道，加速了水的湍流效果、使得換熱更加有效。PN結最高溫度約為41.3 ℃，散熱結構滿足設計要求。丁玲[14]對1 000顆UV-LED系統設計并聯冷卻通道，水道總長為1.5 m。冷卻水自入口經過4節(jié)連接水管流出，在流速為0.065 m/s時，UV-LED結溫控制良好。

對不同冷卻通道形狀的相關研究進行總結，如表1所示。根據不同的應用場合，需合理地選擇相應的結構。

表1 不同的冷卻通道形狀相關研究

3.2 微通道冷卻式

微通道冷卻系統是由許多狹小的通道互相連接，這種構造可明顯提升對流換熱效果，具有體積小、散熱效率高、結構緊湊等優(yōu)點。但是，由于微通道在UV-LED系統中應用較少，使得該系統的通道結構設計、加工工藝和制造材料等方面存在問題，在實際應用中也存在一定的難點。

Schneider等[15]在面積為2.11 cm2上實現了一個由98個密集封裝的LED芯片組成的高功率密度UV-LED模組，如圖3所示。微通道結構相互連接，顯著增加了熱傳導的面積。該模塊在397 nm波長、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

除了傳統的風冷散熱器、液冷散熱器，為了有效地對UV-LED系統進行散熱，出現了一些新型的散熱器，如熱電制冷、液態(tài)金屬冷卻等。

在熱電制冷散熱過程中，半導體制冷片（TEC）只能作為散熱載體。TEC結構緊湊，能夠散熱的熱通量通常較低，并且通常用于低功耗的UV系統的散熱，再通過其他的散熱方式將熱量排出。Fredes等[16]對UV-C LED的熱電制冷裝置應用適當的PID控制進行了研究，驗證了深紫外光LED結溫控制策略，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，結溫下降迅速。何晶晶等[18]提出了將半導體制冷模塊及翅片強制對流散熱相結合，對于溫度控制具有良好的性能。

由于水在室溫下的低熱導率[0.6 W/（m-K）]限制了其對流換熱能力，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率高、導電性強、流動性好的冷卻介質的UV-LED光源模塊液態(tài)金屬散熱系統。該散熱系統在939.9 W/cm2的功率密度、122.1 A的工作電流下，芯片結溫僅79.7 ℃，說明該液態(tài)金屬散熱系統散熱性能良好。液態(tài)金屬散熱是近些年的研究熱點，可成為解決大功率UV-LED散熱問題方式之一。

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，采用復合電鍍技術成功設計了一種用于藍寶石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散熱系統結構時，常采用單因素分析、正交試驗和中心組合試驗。單因素分析只適用于單向試驗處理，如散熱器的厚度和數量，正交試驗法需要確定試驗因素、試驗水平和試驗評價指標，選擇合適的正交試驗表，確定試驗因素與水平的最佳組合。

林鵬等[7]采用單因素分析法對UV-LED針翅式散熱器系統進行參數優(yōu)化。通過對針翅式散熱器的翅片厚度和縱向排布數量進行最優(yōu)設計，發(fā)現在翅片厚度為2 mm、翅片排布為6×18時，散熱效果最好。

6 結論與展望

散熱問題已成為限制UV-LED系統功率提升的技術瓶頸，高功率UV-LED散熱問題必須結合傳熱學、材料科學和制造技術來解決。傳熱學提供散熱手段，材料科學改善材料導熱性能，制造技術提升制造工藝。

風冷和液冷散熱器是目前應用最廣泛的技術，此外，也出現了熱電制冷和液態(tài)金屬等新型散熱方式。但是，在改進的散熱技術領域，仍有許多值得探究的地方，新散熱方法的研究還有待進一步的發(fā)展。在散熱器結構設計方面，近年來的研究方向是通過優(yōu)化方法、材料選擇和工藝改進現有的結構。

雖然提高材料的導熱系數和裝配技術對于解決大功率UV-LED系統的散熱問題具有重要意義，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現高熱流密度UV-LED系統的散熱提供新的解決方案。目前，這些散熱方式需要進一步研究，如考慮液體金屬的氧化、與材料的兼容性等。