紫外LED的发展趋势和大功率器件的开发

紫外LED的发展趋势和大功率器件的开发

韩秋漪1，荆忠2，张善端1

摘  要：介绍了紫外LED的应用和市场，分析了紫外LED的技术趋势。采用氮化铝板和铜板设计了大功率紫外LED的封装结构，并对模组的工作特性进行了初步测量。结果发现，该封装结构具有优异的导热性能，封装功率密度可达500 W/cm2。当功率密度为245 W/cm2，30 ℃水冷条件下，结温低于80 ℃。该模组的辐射效率也可达到20%以上。基于该封装结构，有望开发出功率高达30 kW的紫外LED灯具系统，以满足工业应用的需求。
关键词：LED，集成封装，千瓦级功率，氮化铝板，结温测试
紫外照明就是利用紫外光引发的光化学、光生物、光物理效应来实现一系列反应，从而达到所需的效用或目的。紫外照明在工业、农业、医疗、信息、显示等众多的领域中发挥着重要的作用，包括杀菌消毒、医学治疗、有机物降解、光固化生产、光刻曝光、表面清洁、表面改性、荧光分析、紫外沉积等。
1. 紫外LED的市场和应用
目前市场上供应的紫外光源产品有多种不同类型，包括低压汞灯、紫外荧光灯、中高压汞灯、紫外金卤灯、微波中压汞灯(无极灯)、脉冲氙灯、准分子灯等气体放电灯，以及紫外发光二极管(LED)固态光源。这些光源在光谱成分、辐射强度、工作特性等方面各有特点，因此适用于不同的紫外光反应，可以满足不同的细分市场需求。由于气体放电光源的发展历史较长、技术工艺相对成熟，因此目前在紫外应用领域占据了主导市场。
但随着半导体照明技术的快速发展，紫外LED光源的性能在不断地提高，也吸引了众多的关注，逐渐进入紫外辐照应用领域。而LED光源体积小、寿命长、可靠性高、亮度可调、瞬时开关、设计灵活等优点，也为紫外LED光源的开发和发展提供了重要的驱动力。

根据Yole Développement的调研报告，2012年紫外应用市场的总产值为3.54亿美元，其中传统气体放电光源的应用市场占87.3%，而紫外LED仅占12.7%。但是到2017年，总产值预计可达7.76亿美元，而UV-LED的产值将以平均年增长率43%的速度快速增长，届时可达到2.7亿美元，占紫外光源市场的34.7%，如图1所示[1]。其中，紫外光固化是推动UV-LED产业发展的重要应用领域。假如能够开发并推广新的应用方向，则产值可进一步提高，估计能达到3亿美元。

   紫外光固化是指用紫外辐射使反应物产生辐射聚合、辐射交联和辐射接技等反应，将低物质转变成高分子量产物的化学过程。该反应无需高温加热，挥发性有机物(VOCs) 排放量极低，是一种公认的绿色环保的固化技术。紫外LED光源的能量集中、热效应小、可瞬时开关、设计灵活等优点，确保紫外固化反应更加高效、节能、安全，因此紫外LED在光固化领域中得到了快速的发展。目前国内外主要的紫外固化系统设备制造商都在向紫外LED方向转型[1]。在不久的未来，紫外LED设备逐步替代传统气体放电灯设备将成为必然的趋势。
除了常规生产中的油墨、涂料、胶黏剂固化以外，紫外LED在光刻方面的应用也吸引了众多关注。Huang等采用400 nm的LED制作了两种曝光灯的模块，并用该模块替代原有的紫外光源对光刻效果进行了评估了，证实了在电路板印制过程中可以用高功率紫外LED替代传统紫外灯[2]。而哈立法大学研究组则采用380 nm的InGaN UV-LED阵列封装，开发了一个低成本的便携式UV-LED光刻系统，降低了系统成本和复杂性，可以作为大制程窗口微型结构光刻的一种理想备选方案[3]。另外，随着近年来3D打印的热潮兴起，采用紫外LED来制作3D打印投影仪也是产品开发的热点之一。
除此以外，紫外LED在检测、医药、美容、杀菌、消毒、通信等众多其他领域的应用也是当前研究的焦点。
医学上用紫外光来治疗肿瘤已成为一种新兴的手段。Inada等对比了365 nm紫外LED和传统光源照射下Jurkat肿瘤细胞凋亡和坏死的数量[4]。实验证实两者的效果是一致的。在检测领域，紫外LED的可调控制特性，解决了荧光检测中连续紫外光难以提供周期性响应、无法形成清晰的荧光分析图像、有机物的荧光强度随曝光时间而衰减等问题[5]。而在紫外应用最主要的杀菌消毒领域，紫外LED的应用研究也在持续开展中。Chevremont等采用不同波长的紫外LED来处理城市污水，并对废水中的细菌和化学指标进行了评估[6, 7]。结果表明，UV-A和UV-C两种LED结合能够更有效地减少废水中微生物的含量。但是由于半导体制备技术的难度问题，短波紫外LED的发光效率、功率密度还很小，因此在杀菌消毒领域，紫外LED的应用仍处于实验室研究阶段，目前还难以满足实际的大规模应用要求。
2. 紫外LED的技术发展
根据实际应用，通常可以把峰值波长在405 nm以下的发光二极管称为紫外LED。其中波长在300~400 nm的称为近紫外(NUV) LED，而200~300 nm的则称为深紫外(DUV) LED[8]。
目前波长365 nm以上紫外LED的芯片制造技术已经相对成熟，芯片的质量相对可靠，性能比较好。由于晶体生长、芯片处理以及封装技术的发展，芯片的出光效率比较高，且波长越长，紫外芯片的效率更大：365 nm芯片的外量子效率可达30%以上，385 nm芯片可达50%而405 nm可达60%。
不仅是出光效率持续增长，单颗芯片的功率也在不断地提高。常规的近紫外LED芯片单颗功率已经达到了1 W以上，输出光功率达到了毫瓦级，可用于树脂固化、曝光机、验钞机等。各个主要的芯片制造商也在不断推出功率型近紫外LED产品，如NITRIDE的365 nm LED工作电流可达14 A，单颗输出光功率可达到12 W，是10年前的100倍[8]；Luminus的近紫外LED芯片(382~392 nm)最大工作电流可达30 A，输出光功率高达20 W。而随着技术进步以及应用需求的增加，这些大功率LED芯片的价格随着批量生产而持续下降，因此真正可以实用化。
除了效率、价格等方面取得的进步，紫外LED的波长也在向短波扩展。尽管在深紫外领域，由于存在较大的晶格失配等问题，制备工艺难度大，深紫外LED芯片的效率、功率仍然较小，价格非常昂贵，但相关研究机构和企业仍在不断地改进制备工艺和技术[9-12]，以期制作出效率更高、功率更大、波长更短的产品。
国内也已有一批科研院所和企业积极投入到了深紫外LED的研发中，并在装备、材料和器件方面都取得了一定的积累。相信在未来的几年中，紫外LED的性能和质量将得到进一步的提高。而一旦短波紫外LED芯片的性能得到了突破性的发展，紫外LED应用市场将随之迎来爆发式的增长。届时，紫外LED全面替代传统气体放电紫外光源将成为必然的趋势。
3. 大功率紫外LED设备的开发
随着生产力的发展，众多应用领域对高辐射通量光源的应用需求日益增加，因此需要开发各种大功率的紫外LED设备和系统来满足不同的应用要求。在某些工业领域如紫外固化、光化学合成和光生物改性中，对紫外光源的功率要求甚至达到了千瓦级以上(1−20 kW)。这不仅需要大功率的LED芯片，也对LED器件和模组的大功率封装提出了严格的要求。
Schneider等人将98个395 nm LED芯片封装在2.11 cm2铝基板上，并设计了一种高效导热的表面微型散热器，使得器件的辐射功率密度可达13.1 W/cm2。其LED阵列如图2所示[13]。但是该散热器的结构比较复杂，制作成千瓦级功率的LED设备还存在难度。

尽管近年来在大功率封装技术上取得了快速的发展，但千瓦级的大功率LED灯具封装仍然存在技术难题。基板材料、粘结材料的导热性是影响封装器件散热性能的重要因素，而基板上常用的印刷电路板也限制了LED封装器件的电流负载能力，这些都是限制LED封装功率增大的关键问题，并最终影响到了灯具系统的性能表现。
在各种材料中，氮化铝(AlN)具有极其出色的绝缘性能和导热性能，被认为是新一代半导体陶瓷基板的理想材料[14]。AlN作为一种陶瓷绝缘体，介电常数低，而导热性却很好，室温下的理论热导率为319 W/(m•K)，是Al2O3陶瓷的10倍以上。此外AlN的强度很高，稳定性较好，又安全无毒，不会对环境或人体健康造成影响。
基于AlN材料如此卓越的性能，我们设计了一种氮化铝板和铜(Cu)板间隔分布的三明治结构的大功率LED封装结构，如图3所示。该结构具有高效的导热性能，能够有效将芯片产生的热量传导到基板和散热器，从而能够通过有效地散热手段将热量从器件排出，确保LED的正常工作，提供稳定的性能。
根据图3(a)可以看出，该封装结构采用两层铜板分别作为封装器件的正负极。这种结构去除了限制电流密度的薄膜电路板，有效提高了LED模组的电流负载能力达10倍以上，因此确保了大功率封装密度的可行性。垂直结构的LED芯片并联于两个铜板电极之间，可以实现阵列结构的集成封装，如图3(b)所示。该封装的电极结构简单，也便于制造大功率系统是对LED封装模组进行串并联组合连接，可以降低对驱动电源的设计要求。AlN板位于铜板正负电极、铜板电极与散热器之间，既起到了良好的绝缘效果，又能够有效传导热量，提高封装器件和模组的散热性能。AlN板与铜板之间采用自制的导热胶进行粘结，该导热胶的导热系数可达120 W/(mK)以上，远高于常用的银浆20 W/(mK)和锡浆50 W/(mK)的导热性，进一步优化了LED模组的散热特性。而垂直结构芯片底部电极与铜板电极的粘结同样采用高导热系数的自制导电胶，确保了封装结构的热传导性能。
基于这个高效导热的LED封装结构，可以开发出各种不同功率和尺寸的大功率紫外LED灯具设备和系统。
4. 高效大功率紫外LED模组的性能测试结果
为了评估上述封装结构的温度和辐射性能，实际采用385 nm芯片制作了一个紫外LED模组并进行了初步实验和测量。
该紫外LED模组如图4所示，16个大功率紫外LED芯片组成2×8的阵列分布，每颗芯片的尺寸为2×2 mm2，最大芯片功率可达18 W。整个封装模组的出光面为2×0.5 cm2，电压为4.5 V，工作电流高达64 A，最大功率可达288 W。考虑到该紫外LED模组的功率密度非常高，采用水冷方式进行散热。由于测试设备等因素的影响，实际测量中该模组的功率密度范围为40~250 W/cm2。
首先采用电压法对该高功率密度紫外LED模组的结温进行了测试。该模组在20 mA恒定电流下标定了25~105 ℃范围内结温Tj与电压Vf的线性关系曲线，如图5所示。然后，在LED模组正常工作时，瞬时切断工作电流，并测量瞬态条件下紫外LED模组在20 mA测试电流下的电压值，即可以根据定标曲线推算出该工作条件下的结温情况。在测试过程中，LED模组采用循环水冷的方式来进行散热。
实际测量过程时，由于该紫外LED模组的工作电流超过了60 A，对测试设备提出了很高的要求，因此搭建了一套结温测试仪器来进行测量。实验中采用了两个并联的35 A大电流开关器件来实现LED模组的电流切换。紫外LED模组的工作电压和工作电流分别采用数字万用表和电流互感器测得。由单独的稳流电源(Maynuo M8813, 150 V/1 A)提供20 mA的测试电流，紫外LED模组的电压波形则由数字采集系统(LeCroy 44Xi, 400 MHz, 5GS/s)记录。读取电压波形的瞬时跳变值，得到测试电流下的伏安特性，并由此计算出该状态下的结温。
图6显示的是该高功率密度紫外LED模组在30 ℃水冷条件下的结温测试结果，该水温可以用来模拟盛夏时节的水冷条件。可以看出，尽管该模组的封装功率密度非常高，但是整体的结温水平基本上可以保持的很低的水平，即便在245 W/cm2的功率条件下，模组的结温也不超过80 ℃。这表明该封装结构确实能够有效地将芯片热量传导出来，只要配合适当的散热手段，就能够保证LED稳定而高效的工作。由此可以肯定，基于该封装结构的大功率紫外LED灯具设备或系统，即便是在夏天炎热的工作环境下，也能够表现出优越的性能。
除了结温测试以外，该高功率密度紫外LED模组的辐射特性也进行了测量。采用分布光度计设备配合紫外辐照度计(HAMAMATSU C9536/H9958)对该模组的辐射空间分布进行了测量，测试结果空间积分后就可以得到该模组的总辐射通量。在30 ℃水冷条件下，当模组输入功率为163.6 W时，其385 nm辐射功率为35.9 W，辐射效率达到21.9%。该辐射效率基本上与UVA紫外荧光灯的效率相当，但是紫外荧光灯的功率密度很小、启动时稳定时间长，因此紫外LED有望大范围替代紫外荧光灯在UVA领域的应用。另外，考虑到该紫外LED模组的出光面积仅有1 cm2，因此其辐射功率密度达到35.9 W/cm2，与Schneider等开发的LED设备[13]相比增加了近2倍，达到了国际领先水平。

初步的测量结果表明，基于AlN-Cu板三明治结构的LED封装结构能提供良好的导热性能，由此制造出来的大功率紫外LED灯具设备和系统能够提供高效的紫外辐射和稳定的工作性能，可以满足工业生产和应用的要求。图7罗列了部分已开发出来的紫外LED灯具系统，已成功应用于板材处理、紫外印刷等生产过程。其中，紫外LED系统的最大功率可达到30 kW。


5. 总结
近年来半导体技术得到了迅速的发展，紫外LED芯片的性能也随之得到了长足的进步，辐射效率、芯片功率都得到了很大的提高，辐射波长也在向短波方向不断开拓。365 nm以上的紫外LED芯片制造技术已日趋成熟，价格也在不断下降，已可以投入实际应用，在紫外光源中具备了一定的竞争力。短波的深紫外LED芯片受工艺技术的限制，仍处于实验室验证阶段，量产的效果不佳，但相信随着国内外研发力量的不断投入，有望在未来得到发展。
随着紫外LED芯片的性能提高，其应用市场也在不断增长，并在部分领域可逐步替代传统的气体放电紫外灯。目前紫外光固化是紫外LED的主要应用领域，而在医药、检测、环境卫生等领域内紫外LED的应用研究也在不断地开展中。
工业生产和制造相关的紫外应用中，需要大功率、高辐射通量的紫外光源。本文介绍了一种氮化铝板和铜板构成的三明治结构封装，具有高效的导热性能。该封装结构模组的初步性能测试结果表明，该结构能有效地将LED芯片的热量传导至基板和散热器，配合适当的散热手段，可以实现大功率LED灯具系统的散热性能要求。

致谢
本研究得到了江苏省科技支撑计划项目(BE2014092)的支持。感谢上海力兹照明电气有限公司提供了测试仪器和方案，协助完成了超大电流的紫外LED模组结温测试。

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