高功率密度紫外LED封裝模組及其光固化應用

韓秋漪，李思琪，李明昊，荊 忠，張善端

(1.復旦大學電光源研究所，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用

韓秋漪1，李思琪1，李明昊1，荊 忠2，張善端1

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

紫外LED芯片技術的快速進步，推動了其在光固化領域的應用。為了更好地滿足工業生產應用的要求，開發了由銅板和AlN板構成的三明治結構的高功率密度紫外LED封裝模組，兼顧了高效導電和導熱性能。實現了單模組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光固化設備，在裝飾板生產線以及光纖拉絲塔上得到應用。結果表明，紫外LED光固化設備具有節能>80%的節能效果，且能大幅度提高產能，將為紫外光固化行業帶來更多的革新和機遇。

紫外LED；光固化；千瓦級功率；結溫測試；輻射效率

1 紫外LED的發展和應用

紫外LED作為特種照明的固態光源之一，在各種紫外光應用領域中頗有潛力，例如熒光檢測、高分辨率顯微鏡、紫外曝光、紫外固化、醫療應用、生物分析等。與汞燈、氙燈等光譜成分復雜的氣體放電紫外光源不同，紫外LED可以根據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，分別適合于不同應用領域。目前UVA-LED主要應用于紫外光固化，其占據了紫外LED市場的最大份額；而UVC-LED芯片則有望在殺菌和凈化等領域逐步擴大影響力[1]。

作為紫外輻射系統的核心，紫外LED芯片的性能直接決定了系統的使用效果，因此該方面的研究和開發一直是相關領域的熱點之一，獲得了各國政府的重點支持，近年來獲得了長足的發展。由于大規模用于藍光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的焦點之一。國內外眾多高校、研究機構和企業都持續致力于開發高性能的深紫外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發展以及成本快速下降，將會越來越多地應用在殺菌和凈化等領域，從而帶來更大的市場規模。

Yole Développement發布的2016年紫外LED行業調查報告顯示[1]，繼UVA-LED在光固化領域的繁榮之后，深紫外UVC-LED在滅菌和凈化等領域的應用也將逐漸興起。該報告對UVC-LED的發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在光固化領域的應用市場仍然將保持持續穩定的增長。預計到2021年，UVA-LED的市場規模將由2015年的1.07億美元增長到3.57億美元，復合年均增長率23%[1]。

目前UVA-LED芯片技術已經比較成熟，各種大功率芯片產品紛紛問世[9-10]。市場上的365～405 nm 的UVA-LED芯片產品，單顆芯片的輻射輸出功率可達幾毫瓦至幾十瓦，而且外量子效率也比較高，365 nm產品可達40%以上，385 nm產品可達50%，而405 nm芯片效率有60%。而且隨著生產規模的不斷擴大，UVA-LED芯片的價格也大幅度降低。持續提升的器件性能以及不斷下降的芯片成本，將使得UVA-LED進一步擴張在紫外光固化領域的比重。

然而，UVA-LED產品在不同光固化領域的滲透速度仍然有較大區別。對于點膠、數字噴墨印刷等尺寸小、速度低的固化應用，UVA-LED的接受度最高，其產品的開發和發展速度最快。而在高速、高輻照度的應用領域如顯示屏固化、涂料固化等領域，UVA-LED產品的推廣相對較慢，因為這些領域需要高強度、高穩定性的紫外輻射，因此對UVA-LED固化系統的性能要求更高。

由于絕大部分的大功率應用都不是單顆紫外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計是關鍵點。近年來，有不少關于大功率紫外LED系統的報道。Schneider等開發的大功率模組由98顆395 nm紫外LED芯片構成，輸入功率達到162 W，輻射功率密度最高達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，證實能夠極大地改善紫外LED的熱學性能，提高輻射輸出功率和輻射效率[14]。Yapici等用172顆380 nm的InGaN芯片設計了一種低成本的便攜式紫外LED曝光系統，最大輻射功率密度為20 mW·cm-2[15]。

盡管國內外已開發了許多大功率UVA-LED系統，但大部分與涂料固化、顯示屏固化等應用的條件仍有較大差距，主要在于封裝結構的熱學性能限制了系統功率密度的進一步提高，使得系統的輻照度和壽命等參數達不到要求。AlN材料兼具卓越的導熱性能和絕緣性能，因此在LED系統的散熱方面頗受關注。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難度高、金屬膜過流量小的問題，且制作過程復雜、成本昂貴，限制了其大規模應用。

簡而言之，由當前的市場需求所牽引，為了進一步提高紫外LED光固化設備的性能，必須開發更高輻照度、更長壽命的紫外LED封裝器件。而同時光學結構設計、散熱管理以及驅動器等其他部件的性能研究也是當前關注的重要方面。除此以外，各種定制設備也在不斷開發中，以滿足不同應用領域的差異化需求，如輻照度水平、工作距離、與其他生產設備的系統集成等。蓬勃發展的紫外LED光固化市場正在不斷吸引來自印刷設備、傳統固化行業、可見光LED照明、光學行業等其他領域的新企業和新參與者。

2 高功率密度紫外LED封裝模組的結構

涂料固化等工業應用領域，需要用到千瓦級以上的紫外固化設備，而且對設備大小、輻射強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。

一種高效導熱的“三明治”封裝結構最先被應用于高功率密度的紫外LED模組[19-20]。該封裝結構由兩塊銅板和兩塊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，導熱系數達到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

單個封裝結構模組中，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，垂直結構的紫外LED芯片陣列排布進行封裝。垂直芯片的底部電極與銅基板用高導熱系數的導電膠粘結，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極，而模組內的所有芯片并聯。模組之間可以并聯、也可以串聯，因此能夠根據應用要求拼裝出不同功率的光固化設備。

該封裝結構中，舍棄了LED模組中常用的PCB電路，而直接用銅板來導電，因此將模組的載流能力提高了數十倍，從而確保了大功率LED設備的可行性。而結構中材料層級的簡化以及高導熱系數材料的選取，使得模組結構的整體導熱性能得到了大幅度的提升，從而實現了200 W·cm-2以上的封裝電功率密度，最大功率密度可達500 W·cm-2。該封裝結構已申請了國家發明專利[20]。

基于金屬板導電、AlN板絕緣的設計要點，對“三明治”高效導熱LED封裝結構進行了改進和變形，另外提出了三種針對不同芯片結構以及應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構[21]，同樣采用銅板與AlN板間隔排布的“三明治”結構作為基板，以提高導熱性能和載流能力。但是針對倒裝芯片電極在同一側的特點，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，提高機械強度。

圖4是全串聯的高功率密度LED芯片封裝模組[22]，適用于大功率的垂直結構芯片。該封裝模組由若干個單芯片封裝器件構成，外部用絕緣框箍緊。單芯片封裝器件包含同軸結構的正極導電柱與和負極金屬管，兩者之間采用AlN材料作為內絕緣導熱層。相鄰器件之間有一層外絕緣層，其正負極端采用導電膠進行電連接，如圖4所示，形成全串聯封裝結構。LED芯片底部的P極與所述器件的方形導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，可以減小電源導線的線徑，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 全串聯的高功率密度LED芯片封裝結構[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，即可滿足部分應用所需的輻射強度要求。這種芯片電流非常大，需要幾十根金線來進行電連接。然而芯片表面兩側的焊盤面積很小，金線不得不排布得十分緊密，因此運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提出的封裝模組結構中，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構[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的大功率垂直結構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溫控制在165 ℃以內，單顆芯片的最高工作電流可達到35 A，則對應的電流密度達到4.5 A·mm-2，電功率高達140 W。被測模組樣品將六顆芯片并聯，構成的發光面面積為0.6 cm2。由國家燈具質量監督檢驗中心的檢測報告，該模組電壓為3.6 V，工作電流可達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模組的熱學特性和輻射特性，對設計樣品進行了結溫、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、輻射強度也很大，所以很難同時測量其工作狀態下的結溫和輻射通量。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行散熱，循環式恒溫水浴的溫度范圍(10～35)℃。實際測量了工作電流1～35 A范圍內模組的結溫和輻射特性。前期研究的1～25 A的主要結果已在第15屆國際照明科技研討會上以特邀報告的方式發表[24]，本文1～35 A的結果為首次發表。

圖6 實驗測量的高功率密度紫外LED模組的結構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模組的結溫測試與輻射特性測量是同時進行的。模組樣品正常工作時采用直流電源驅動，通過一個大電流開關實現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，用來計算對應的結溫。此外，測量過程中同時采用熱電偶監測基板溫度Tc，作為評價模組導熱性能的參考。模組的系統電壓由數字萬用表(Fluke 45)測量，工作電流則通過采樣電阻及數字萬用表(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(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。該積分球系統已用波長350～1 050 nm的鹵鎢標準燈定標過。另外光譜儀(Otsuka LE-5400)用來測量模組的輻射光譜。

實驗采用電壓法來測量模組樣品的結溫[25]。在正式測量前，先在20 mA恒定電流的條件下，標定溫度25～120 ℃范圍內的模組正向電壓Uf與結溫Tj的關系曲線。由于該范圍內Uf-Tj近似為線性關系，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。根據該曲線關系也可以推算出120 ℃以上的狀態。隨后在工作狀態下，測量模組電流從工作值切換到測試電流20 mA時的瞬態電壓，就可以計算出該狀態下的結溫Tj。

圖7 不同水冷溫度Tw下，高功率密度紫外LED模組的結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溫和基板溫度的測試結果，其中Tw代表水冷系統中的恒溫水浴的溫度。明顯可以看出，隨著電流增大，結溫的上升趨勢比較平緩，即便在非常高的電流密度狀態下，仍然保持在比較低的水平，說明芯片到基板的導熱性能非常好。而水冷溫度對結溫的影響很大，表明外部的散熱結構設計也是保證模組和設備穩定運行的必要條件。在電流較低時，結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。當水溫35 ℃、電流達到35 A時，溫差可以達到84 ℃。由此可以看出，該模組結構仍有進一步改善的空間。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設備即便在夏天采用自來水冷卻的條件下也能夠穩定運行，這為該系統的工業應用提供了強有力的保障。

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生了紅移Δλ。圖9更直觀地展示了峰值波長的紅移現象：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：當水冷溫度為10 ℃時，Δλ= 2.3 nm；當水冷溫度升至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反應對波長非常敏感，因此這種光譜紅移現象有可能導致實際應用中系統能效的降低。

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33.2 W，對應的輻出度高達423.5 W·cm-2。另外，實驗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142.9 W，輻射效率仍然達到了20.1%。而前文所述的由六顆芯片構成的輻射面積為(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%，輻出度達到230.6 W·cm-2，是Schneider等開發設備[11-13]的7～17倍。這個結果證明了紫外LED已成為UVA應用領域最高效的光源。

上述實驗測量結果表明，基于AlN板-銅板結構的高功率密度紫外LED封裝結構具有卓越的導熱性能。由該封裝結構制成的紫外LED設備能夠提供極高的紫外輻照度以及穩定的工作狀態，足以滿足各種工業應用的要求。

4 大功率紫外LED光固化設備的工業應用

作為一種節能環保的綠色技術，紫外光固化已廣泛應用于眾多工業生產，例如包裝印刷、電子產品生產、光纖制造、化學聚合、板材生產、家具制造、金屬防腐等。含有特定光引發劑的液態原料在紫外光照下發生固化反應，反應過程中無揮發性有機物(VOCs)產生，固化產物也具有良好的物理特性和化學穩定性。與傳統固化反應相比，光固化反應速度更快，也更環保。

光固化反應利用的是360～405 nm的近紫外光，因此UVA-LED在光固化行業具有很強的競爭力，涵蓋了涂料、油墨、膠黏劑等各種光固化領域。正如Yole的調查報告所言[1]，光固化行業是紫外LED市場最主要的構成部分。

基于前文所述的高功率密度紫外LED封裝模組，已開發了多種大功率紫外固化設備，系統功率達到了(10～30)kW，部分設備的照片列于圖11中。這些設備已成功應用于木地板生產、包裝印刷、光纖制造等工廠生產線中。用戶的反饋證實了這些大功率紫外LED光固化設備具有突出的節能效果和輻射維持特性，這將進一步促進紫外光固化技術的推廣和革新。

圖11 不同類型的大功率紫外LED光固化設備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：傳統生產線采用高壓汞燈作為紫外固化光源，其生產過程包含封底、膩子、印色、5次底涂、2次面涂以及1次淋涂。而采用新型的紫外LED生產線(如圖12所示)，只需要紫外光照1次即可完成產品表面涂料的快速固化，大大提高生產能力。在相同的生產環節中，50 W·cm-1的紫外LED就可以替代2支80 W·cm-1的高壓汞燈，實現節能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線Fig.12 The production line of wood-board-painting based on UV-LEDs

另一項令人矚目的革新發生在光纖制造領域。在光纖拉絲塔單條生產線中，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，節能80%以上。表1中詳細比較了兩組系統的能耗和電力成本?？梢钥吹?，單從紫外固化系統本身能耗而言，單套設備一年所節省的電能可達320 MW·h。如果考慮到微波汞燈系統所需的冷卻設備的能耗，則該數值將更為顯著。而且使用紫外LED設備后，可以加快生產速度，光纖產量還可以因此提高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，該固化爐已在國內領先的光纖企業中得到批量應用?！肮饫w拉絲塔用高效紫外LED固化系統”獲得2016年第18屆中國國際工業博覽會創新銀獎[26]。

表1 光纖拉絲塔單條生產線的能耗比較

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

隨著UVA-LED芯片技術趨于成熟，器件的性能穩定而成本降低。我們開發出了高功率密度的紫外LED封裝模組，由此設計制造出了不同功率、形狀的大功率光固化設備并成功進行了產業化，以滿足各種工業生產的要求。該封裝模組由AlN板和銅板構成，兼具高導熱性能和大電流負載能力，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143 W的條件下，結溫保持在160 ℃以下，輻射效率仍然能夠達到20.1%。而六顆芯片構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。由此開發出來的大功率紫外光固化設備，既具有突出的輻照度，又能達到良好的節能效果(節能>80%)，而且安全性更高，壽命更長，因此為紫外光固化行業提供了新一代的光源，正持續不斷地取代氣體放電紫外光源。

展望未來，紫外LED光固化產品市場仍然將持續穩定地增長：一方面，紫外LED光固化設備將進一步取代傳統的氣體放電紫外燈光固化市場的份額；另一方面，各種大功率設備和系統的開發將進一步拓展紫外光固化技術的應用領域，尤其是追求高速度、低成本、低能耗的工業生產線中，將會有越來越多的紫外LED光固化設備投入使用。

致謝：本文由2016年度上海市軍民融合專項項目計劃“聚脲涂裝設備及雙固化聚脲彈性體的研發和產業化”資助。感謝上海力茲照明電氣有限公司協助完成了大功率紫外LED模組的結溫和輻射測試。

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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