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紫外LED的發展趨勢和大功率器件的開發

發布日期:2016-03-24    【字號:  

紫外LED的發展趨勢和大功率器件的開發

韓秋漪1,荊忠2,張善端1

1復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心,復旦大學電光源研究所,200433
2上海鎵銦光電科技有限公司,201613
摘  要:介紹了紫外LED的應用和市場,分析了紫外LED的技術趨勢。采用氮化鋁板和銅板設計了大功率紫外LED的封裝結構,并對模組的工作特性進行了初步測量。結果發現,該封裝結構具有優異的導熱性能,封裝功率密度可達500 W/cm2。當功率密度為245 W/cm2,30 ℃水冷條件下,結溫低于80 ℃。該模組的輻射效率也可達到20%以上?;谠摲庋b結構,有望開發出功率高達30 kW的紫外LED燈具系統,以滿足工業應用的需求。
關鍵詞:LED,集成封裝,千瓦級功率,氮化鋁板,結溫測試
紫外照明就是利用紫外光引發的光化學、光生物、光物理效應來實現一系列反應,從而達到所需的效用或目的。紫外照明在工業、農業、醫療、信息、顯示等眾多的領域中發揮著重要的作用,包括殺菌消毒、醫學治療、有機物降解、光固化生產、光刻曝光、表面清潔、表面改性、熒光分析、紫外沉積等。
1. 紫外LED的市場和應用
目前市場上供應的紫外光源產品有多種不同類型,包括低壓汞燈、紫外熒光燈、中高壓汞燈、紫外金鹵燈、微波中壓汞燈(無極燈)、脈沖氙燈、準分子燈等氣體放電燈,以及紫外發光二極管(LED)固態光源。這些光源在光譜成分、輻射強度、工作特性等方面各有特點,因此適用于不同的紫外光反應,可以滿足不同的細分市場需求。由于氣體放電光源的發展歷史較長、技術工藝相對成熟,因此目前在紫外應用領域占據了主導市場。
但隨著半導體照明技術的快速發展,紫外LED光源的性能在不斷地提高,也吸引了眾多的關注,逐漸進入紫外輻照應用領域。而LED光源體積小、壽命長、可靠性高、亮度可調、瞬時開關、設計靈活等優點,也為紫外LED光源的開發和發展提供了重要的驅動力。

根據Yole Développement的調研報告,2012年紫外應用市場的總產值為3.54億美元,其中傳統氣體放電光源的應用市場占87.3%,而紫外LED僅占12.7%。但是到2017年,總產值預計可達7.76億美元,而UV-LED的產值將以平均年增長率43%的速度快速增長,屆時可達到2.7億美元,占紫外光源市場的34.7%,如圖1所示[1]。其中,紫外光固化是推動UV-LED產業發展的重要應用領域。假如能夠開發并推廣新的應用方向,則產值可進一步提高,估計能達到3億美元。

   紫外光固化是指用紫外輻射使反應物產生輻射聚合、輻射交聯和輻射接技等反應,將低物質轉變成高分子量產物的化學過程。該反應無需高溫加熱,揮發性有機物(VOCs) 排放量極低,是一種公認的綠色環保的固化技術。紫外LED光源的能量集中、熱效應小、可瞬時開關、設計靈活等優點,確保紫外固化反應更加高效、節能、安全,因此紫外LED在光固化領域中得到了快速的發展。目前國內外主要的紫外固化系統設備制造商都在向紫外LED方向轉型[1]。在不久的未來,紫外LED設備逐步替代傳統氣體放電燈設備將成為必然的趨勢。
除了常規生產中的油墨、涂料、膠黏劑固化以外,紫外LED在光刻方面的應用也吸引了眾多關注。Huang等采用400 nm的LED制作了兩種曝光燈的模塊,并用該模塊替代原有的紫外光源對光刻效果進行了評估了,證實了在電路板印制過程中可以用高功率紫外LED替代傳統紫外燈[2]。而哈立法大學研究組則采用380 nm的InGaN UV-LED陣列封裝,開發了一個低成本的便攜式UV-LED光刻系統,降低了系統成本和復雜性,可以作為大制程窗口微型結構光刻的一種理想備選方案[3]。另外,隨著近年來3D打印的熱潮興起,采用紫外LED來制作3D打印投影儀也是產品開發的熱點之一。
除此以外,紫外LED在檢測、醫藥、美容、殺菌、消毒、通信等眾多其他領域的應用也是當前研究的焦點。
醫學上用紫外光來治療腫瘤已成為一種新興的手段。Inada等對比了365 nm紫外LED和傳統光源照射下Jurkat腫瘤細胞凋亡和壞死的數量[4]。實驗證實兩者的效果是一致的。在檢測領域,紫外LED的可調控制特性,解決了熒光檢測中連續紫外光難以提供周期性響應、無法形成清晰的熒光分析圖像、有機物的熒光強度隨曝光時間而衰減等問題[5]。而在紫外應用最主要的殺菌消毒領域,紫外LED的應用研究也在持續開展中。Chevremont等采用不同波長的紫外LED來處理城市污水,并對廢水中的細菌和化學指標進行了評估[6, 7]。結果表明,UV-A和UV-C兩種LED結合能夠更有效地減少廢水中微生物的含量。但是由于半導體制備技術的難度問題,短波紫外LED的發光效率、功率密度還很小,因此在殺菌消毒領域,紫外LED的應用仍處于實驗室研究階段,目前還難以滿足實際的大規模應用要求。
2. 紫外LED的技術發展
根據實際應用,通??梢园逊逯挡ㄩL在405 nm以下的發光二極管稱為紫外LED。其中波長在300~400 nm的稱為近紫外(NUV) LED,而200~300 nm的則稱為深紫外(DUV) LED[8]。
目前波長365 nm以上紫外LED的芯片制造技術已經相對成熟,芯片的質量相對可靠,性能比較好。由于晶體生長、芯片處理以及封裝技術的發展,芯片的出光效率比較高,且波長越長,紫外芯片的效率更大:365 nm芯片的外量子效率可達30%以上,385 nm芯片可達50%而405 nm可達60%。
不僅是出光效率持續增長,單顆芯片的功率也在不斷地提高。常規的近紫外LED芯片單顆功率已經達到了1 W以上,輸出光功率達到了毫瓦級,可用于樹脂固化、曝光機、驗鈔機等。各個主要的芯片制造商也在不斷推出功率型近紫外LED產品,如NITRIDE的365 nm LED工作電流可達14 A,單顆輸出光功率可達到12 W,是10年前的100倍[8];Luminus的近紫外LED芯片(382~392 nm)最大工作電流可達30 A,輸出光功率高達20 W。而隨著技術進步以及應用需求的增加,這些大功率LED芯片的價格隨著批量生產而持續下降,因此真正可以實用化。
除了效率、價格等方面取得的進步,紫外LED的波長也在向短波擴展。盡管在深紫外領域,由于存在較大的晶格失配等問題,制備工藝難度大,深紫外LED芯片的效率、功率仍然較小,價格非常昂貴,但相關研究機構和企業仍在不斷地改進制備工藝和技術[9-12],以期制作出效率更高、功率更大、波長更短的產品。
國內也已有一批科研院所和企業積極投入到了深紫外LED的研發中,并在裝備、材料和器件方面都取得了一定的積累。相信在未來的幾年中,紫外LED的性能和質量將得到進一步的提高。而一旦短波紫外LED芯片的性能得到了突破性的發展,紫外LED應用市場將隨之迎來爆發式的增長。屆時,紫外LED全面替代傳統氣體放電紫外光源將成為必然的趨勢。
3. 大功率紫外LED設備的開發
隨著生產力的發展,眾多應用領域對高輻射通量光源的應用需求日益增加,因此需要開發各種大功率的紫外LED設備和系統來滿足不同的應用要求。在某些工業領域如紫外固化、光化學合成和光生物改性中,對紫外光源的功率要求甚至達到了千瓦級以上(1?20 kW)。這不僅需要大功率的LED芯片,也對LED器件和模組的大功率封裝提出了嚴格的要求。
Schneider等人將98個395 nm LED芯片封裝在2.11 cm2鋁基板上,并設計了一種高效導熱的表面微型散熱器,使得器件的輻射功率密度可達13.1 W/cm2。其LED陣列如圖2所示[13]。但是該散熱器的結構比較復雜,制作成千瓦級功率的LED設備還存在難度。


盡管近年來在大功率封裝技術上取得了快速的發展,但千瓦級的大功率LED燈具封裝仍然存在技術難題?;宀牧?、粘結材料的導熱性是影響封裝器件散熱性能的重要因素,而基板上常用的印刷電路板也限制了LED封裝器件的電流負載能力,這些都是限制LED封裝功率增大的關鍵問題,并最終影響到了燈具系統的性能表現。
在各種材料中,氮化鋁(AlN)具有極其出色的絕緣性能和導熱性能,被認為是新一代半導體陶瓷基板的理想材料[14]。AlN作為一種陶瓷絕緣體,介電常數低,而導熱性卻很好,室溫下的理論熱導率為319 W/(m?K),是Al2O3陶瓷的10倍以上。此外AlN的強度很高,穩定性較好,又安全無毒,不會對環境或人體健康造成影響。
基于AlN材料如此卓越的性能,我們設計了一種氮化鋁板和銅(Cu)板間隔分布的三明治結構的大功率LED封裝結構,如圖3所示。該結構具有高效的導熱性能,能夠有效將芯片產生的熱量傳導到基板和散熱器,從而能夠通過有效地散熱手段將熱量從器件排出,確保LED的正常工作,提供穩定的性能。
根據圖3(a)可以看出,該封裝結構采用兩層銅板分別作為封裝器件的正負極。這種結構去除了限制電流密度的薄膜電路板,有效提高了LED模組的電流負載能力達10倍以上,因此確保了大功率封裝密度的可行性。垂直結構的LED芯片并聯于兩個銅板電極之間,可以實現陣列結構的集成封裝,如圖3(b)所示。該封裝的電極結構簡單,也便于制造大功率系統是對LED封裝模組進行串并聯組合連接,可以降低對驅動電源的設計要求。AlN板位于銅板正負電極、銅板電極與散熱器之間,既起到了良好的絕緣效果,又能夠有效傳導熱量,提高封裝器件和模組的散熱性能。AlN板與銅板之間采用自制的導熱膠進行粘結,該導熱膠的導熱系數可達120 W/(mK)以上,遠高于常用的銀漿20 W/(mK)和錫漿50 W/(mK)的導熱性,進一步優化了LED模組的散熱特性。而垂直結構芯片底部電極與銅板電極的粘結同樣采用高導熱系數的自制導電膠,確保了封裝結構的熱傳導性能。

基于這個高效導熱的LED封裝結構,可以開發出各種不同功率和尺寸的大功率紫外LED燈具設備和系統。
4. 高效大功率紫外LED模組的性能測試結果
為了評估上述封裝結構的溫度和輻射性能,實際采用385 nm芯片制作了一個紫外LED模組并進行了初步實驗和測量。

該紫外LED模組如圖4所示,16個大功率紫外LED芯片組成2×8的陣列分布,每顆芯片的尺寸為2×2 mm2,最大芯片功率可達18 W。整個封裝模組的出光面為2×0.5 cm2,電壓為4.5 V,工作電流高達64 A,最大功率可達288 W??紤]到該紫外LED模組的功率密度非常高,采用水冷方式進行散熱。由于測試設備等因素的影響,實際測量中該模組的功率密度范圍為40~250 W/cm2。
首先采用電壓法對該高功率密度紫外LED模組的結溫進行了測試。該模組在20 mA恒定電流下標定了25~105 ℃范圍內結溫Tj與電壓Vf的線性關系曲線,如圖5所示。然后,在LED模組正常工作時,瞬時切斷工作電流,并測量瞬態條件下紫外LED模組在20 mA測試電流下的電壓值,即可以根據定標曲線推算出該工作條件下的結溫情況。在測試過程中,LED模組采用循環水冷的方式來進行散熱。

實際測量過程時,由于該紫外LED模組的工作電流超過了60 A,對測試設備提出了很高的要求,因此搭建了一套結溫測試儀器來進行測量。實驗中采用了兩個并聯的35 A大電流開關器件來實現LED模組的電流切換。紫外LED模組的工作電壓和工作電流分別采用數字萬用表和電流互感器測得。由單獨的穩流電源(Maynuo M8813, 150 V/1 A)提供20 mA的測試電流,紫外LED模組的電壓波形則由數字采集系統(LeCroy 44Xi, 400 MHz, 5GS/s)記錄。讀取電壓波形的瞬時跳變值,得到測試電流下的伏安特性,并由此計算出該狀態下的結溫。
圖6顯示的是該高功率密度紫外LED模組在30 ℃水冷條件下的結溫測試結果,該水溫可以用來模擬盛夏時節的水冷條件??梢钥闯?,盡管該模組的封裝功率密度非常高,但是整體的結溫水平基本上可以保持的很低的水平,即便在245 W/cm2的功率條件下,模組的結溫也不超過80 ℃。這表明該封裝結構確實能夠有效地將芯片熱量傳導出來,只要配合適當的散熱手段,就能夠保證LED穩定而高效的工作。由此可以肯定,基于該封裝結構的大功率紫外LED燈具設備或系統,即便是在夏天炎熱的工作環境下,也能夠表現出優越的性能。

除了結溫測試以外,該高功率密度紫外LED模組的輻射特性也進行了測量。采用分布光度計設備配合紫外輻照度計(HAMAMATSU C9536/H9958)對該模組的輻射空間分布進行了測量,測試結果空間積分后就可以得到該模組的總輻射通量。在30 ℃水冷條件下,當模組輸入功率為163.6 W時,其385 nm輻射功率為35.9 W,輻射效率達到21.9%。該輻射效率基本上與UVA紫外熒光燈的效率相當,但是紫外熒光燈的功率密度很小、啟動時穩定時間長,因此紫外LED有望大范圍替代紫外熒光燈在UVA領域的應用。另外,考慮到該紫外LED模組的出光面積僅有1 cm2,因此其輻射功率密度達到35.9 W/cm2,與Schneider等開發的LED設備[13]相比增加了近2倍,達到了國際領先水平。


初步的測量結果表明,基于AlN-Cu板三明治結構的LED封裝結構能提供良好的導熱性能,由此制造出來的大功率紫外LED燈具設備和系統能夠提供高效的紫外輻射和穩定的工作性能,可以滿足工業生產和應用的要求。圖7羅列了部分已開發出來的紫外LED燈具系統,已成功應用于板材處理、紫外印刷等生產過程。其中,紫外LED系統的最大功率可達到30 kW。


5. 總結
近年來半導體技術得到了迅速的發展,紫外LED芯片的性能也隨之得到了長足的進步,輻射效率、芯片功率都得到了很大的提高,輻射波長也在向短波方向不斷開拓。365 nm以上的紫外LED芯片制造技術已日趨成熟,價格也在不斷下降,已可以投入實際應用,在紫外光源中具備了一定的競爭力。短波的深紫外LED芯片受工藝技術的限制,仍處于實驗室驗證階段,量產的效果不佳,但相信隨著國內外研發力量的不斷投入,有望在未來得到發展。
隨著紫外LED芯片的性能提高,其應用市場也在不斷增長,并在部分領域可逐步替代傳統的氣體放電紫外燈。目前紫外光固化是紫外LED的主要應用領域,而在醫藥、檢測、環境衛生等領域內紫外LED的應用研究也在不斷地開展中。
工業生產和制造相關的紫外應用中,需要大功率、高輻射通量的紫外光源。本文介紹了一種氮化鋁板和銅板構成的三明治結構封裝,具有高效的導熱性能。該封裝結構模組的初步性能測試結果表明,該結構能有效地將LED芯片的熱量傳導至基板和散熱器,配合適當的散熱手段,可以實現大功率LED燈具系統的散熱性能要求。

致謝
本研究得到了江蘇省科技支撐計劃項目(BE2014092)的支持。感謝上海力茲照明電氣有限公司提供了測試儀器和方案,協助完成了超大電流的紫外LED模組結溫測試。

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