用于固化的高光密度紫外LED大功率光源设计

廖 刚,陈小媛 ，蒋福春，刘 文，徐 竞,柴广跃,2

（1.深圳大学光电工程学院，广东深圳518060；2.深圳技术大学，广东深圳518000)

据Allied Market Research(美国联合市场研究机构)推出的《全球UV固化油墨2014—2020年市场机会及预测》报告，全球UV固化油墨市场将于2020年达到35亿美元，2015—2020年间的复合年均增长率超过15.7%。紫外LED作为固态照明光源在各种紫外光应用领域颇具发展潜力。根据波长可将紫外LED分为 UVC（200～280 nm）、UVB（280～310 nm）、UVA（310～400 nm）。目前UVA主要应用于光固化，而UVC则在杀菌和净化等领域逐步扩大影响力。

UVA-LED芯片技术已经比较成熟，各种大功率芯片产品纷纷问世，但市场上的大功率产品都是用紫外芯片模组来满足大功率高密度要求。德国KIT大学的Schneider等把98颗395 nm的紫外LED芯片封装在陶瓷基板上，输入功率达到162 W，最高辐射密度达到31.6 W/cm。总之，由市场需求关系所致，必须开发出更大功率、更高辐射密度的紫外LED光源。

用于紫外固化的光源标准有3个方面：1）根据被固化产品的形状及材料特点选择或调整光源辐照度、光斑形状及大小，达到彻底固化的目的。2）光源的有效光谱范围宽以达到节约能源的目的。3）固化产品不变形，不脱胶，固化设备操作维护方便。

1 光源材料及结构

大功率紫外LED产品设计主要包括材料选择、结构设计、电气设计、光学设计、热学设计以及性能测试。大功率紫外LED的封装设计框架如图1所示。

图1 大功率紫外LED封装设计框架

1.1 材料选择

在光源设计时，需要重点考虑光效和热阻。其中，光效的提高与封装胶和透镜的材料关系密切，一方面直接影响发光效率，另一方面光会转化成热，如果不能将热导出也会影响光效。UV LED中结温是一个非常重要的因素。所以，在设计封装结构时不但要考虑散热结构设计，还需要选择散热好的基板材料和其他导热材料。

经过前期研究与实验对比，基板材料选择导热性能更优的AlN陶瓷基板，导热界面材料选择纳米银材料，纳米银材料的光电性能优于导电银胶。透镜选择硅胶透镜。

1.2 结构设计

芯片采用首尔半导体生产的型号为UV1000-38的正装垂直紫外LED芯片，波长为385 nm。该正装芯片大小为1.05 mm×1.05 mm，芯片结构示意图如图2所示。

图2 紫外芯片结构示意图

为使单位面积光功率密度达到要求，实现能量集中的线光源，在设计芯片排布方式时将芯片排列成线形。考虑LED近场分布测试仪和热阻测试仪的有限测试范围，设计了2种型号的基板，芯片间距都是2 mm，一块大小为31 mm×21.5 mm，采用9串1并，用于近场测试和热阻测试；另一块大小为114 mm×21.5 mm，采用9串6并，一共54颗芯片，用于实际样品制作。印刷电路板如图3所示。

图3 印刷电路板

2 COB样品制作

紫外芯片封装采用纳米银固晶和金线焊线，外围10 mm高度的围坝胶，再盖一层0.7 mm厚度的石英玻璃片。封装完成后的紫外LED COB样品如图4所示。

图4 UV LED样品

3 热学性能测试分析

将封装好的COB模组进行热阻测试，热阻测试结果有助于导热界面材料和散热器的选取。

热阻分析采用T3Ster，该设备是一款可用于半导体器件的热特性测试仪器。采用的测试方法是JESD51-1静态测试法和动态测试法，能收集测试物升温和降温的瞬态温度响应曲线，也能测试稳态热阻。

将紫外LED COB用导热硅脂固定于恒温槽中，恒温槽设为25℃。设置工作电流350 mA，工作电压29 V。测试获得所需的结温测试曲线，见图5，可知样品的结温为52.66℃。

图5 结温曲线

使用分析软件T3Ster Master对结温曲线进行分析，得到热阻结构曲线（图6）。由此可知，芯片热阻为6.405 K/W，总热阻为61.765 K/W。

图6 结构函数（微分）

4 透镜光学仿真及优化

近场光学测试采用由Radiant公司出品的SIG400近场测试仪,最短可以测试到340 nm波长的近紫外。SIG400所生成的高精度近场数据模型可直接应用于LED的光路和性能研究，直接用于光学优化，也可经自带软件Radiant Vision Systems ProSource将测试数据文件导出后用于几乎所有的光学优化仿真设计软件。

将9串1并的样品安装在测试台上，选取2.5倍镜头，进行对准。设定曝光时间，点亮样品记录电压、电流参数，关闭环境灯。测试结束后得到的文件后缀是.RSMX，利用ProSource软件将源文件转化成Light-Tools支持的.Ray格式文件，以便接下来的二次光学设计及优化。

为得到能量集中的线光源，使更多的光集中在被照射区域，需进行二次光学设计。将SIG400测试得到的源文件导入ProSource中，生成LightTools软件可以打开的后缀为.Ray的文件。

用LightTools软件打开后缀为.Ray的光源文件，因为近场测试的是9串1并COB样品，而二次光学设计使用的是9串6并COB样品，所以可利用Light-Tools软件中自带的阵列工具，进行6倍水平阵列，设置每个阵列模块边线紧挨重叠，这样就可获得9串6并的COB样品光源文件。阵列之后的COB 3D结构图如图7所示，光源效果如图8所示。

图7 9串1并COB样品阵列后的结构图

图8 阵列后的光场图

利用建模软件SolidWorks将二次光学透镜建好，属性设置为硅胶，硅树脂比环氧树脂具有更高的紫外光透过率，更优异的耐紫外光和耐热特性。然后导入到已经打开光源文件的LightTools中，因为胶印机最后一道工序是上光，而上光需要的距离为10 cm，所以在距离COB灯条10 cm处，设置一个平面探测器。软件设计界面如图9。

图9 LightTools中建模图

经过优化参数，得到模拟效果，如图10。二次光学设计已经实现了线光源的光斑，而且在10 cm距离处的光功率密度也达到了6 W/cm2，符合设计要求。

图10 优化参数后的模拟效果

此时，LightTools已经将优化后的透镜模型保存于solidworks中，打开solidworks，获得一份完整的3D透镜模型，如图11所示。

图11 3D透镜模型

5 光源制作及测试分析

开模制作一款如图11所示的硅胶透镜，并将其安装到COB样品的UV-LED芯片上部，对安装好透镜的完整UV-LED光源样品进行装机测试。测试条件为：工作电流为恒流1 A，工作电压为29.5 V，输入电功率为180 W。紫外能量计与UV-LED光源距离为10 cm，利用LS128紫外能量计测量样品的光功率密度值，测量装置如图12所示。由图可知，紫外功率密度实测值为6.08 W/cm2，与计算机模拟值6 W/cm2吻合。

图12 样品测试装置及结果图

6 结论

在调查印刷行业专业需求的前提下，研究现有紫外LED芯片的性能，设计了一款应用于高速柔印机的高功率密度紫外固化固体光源。从封装开始进行COB设计、LED芯片阵列排布，通过光学设计和散热技术，并配合后期的二次光学设计，获得一款高能量密度紫外LED光源模组，显著提高光学利用效率和被照射区域的光功率密度。

传统的柔印机使用高压汞灯，不但耗电，还存在汞污染的危险。使用紫外LED光源模组，可节省60%的电，并且没有汞污染，即点即亮。因此，紫外LED光源在未来有非常可观的应用前景。

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