UV-LED光源散热器的研究进展

李 莉，岳 涛

天津工业大学 电气与电子工程学院，天津 300387

0 引言

UV-LED是继汞灯、氙灯等传统气体紫外光源之后的新型固态紫外光源，具有性能稳定、光波单一可调、光效高、能耗小、绿色环保等优点，成为目前大多数紫外应用领域中的最佳换代产品。UV-LED按照波长范围可划分为UVC（200～280 nm）、UVB（280～320 nm）和UVA（320～400 nm）三大品类[1]。其中，UVC主要用于杀菌消毒、生化检测等领域；UVB在银屑病及特定类型皮肤癌的光学医疗方面展现出良好的疗效；UVA则常用于光学防伪、光催化、光固化等领域。此外，UV-LED芯片及其封装灯珠均可实现小型化和微型化，易于与处理器、传感器、执行器、光学器件等集成封装，形成紧凑的系统级封装产品，从而完成特定领域的复杂功能，如用于微量气体和液体检测的光流控产品等。随着UV-LED技术的持续提升，各个波长品类可满足的市场需求将进一步被细化，逐渐展现出更加广阔的应用前景[2]。

与可见光LED相比，UV-LED的出光效率较低，尤其是UVB和UVC产品的外量子效率（EQE）普遍低于10%[3]。这主要是由于外延材料中的固有缺陷使得更宽的带隙间发生载流子非辐射复合率更高，且UV出光路径中发生界面全反射损耗和菲涅尔反射损耗的程度更大，再加上绝大部分封装材料均能吸收芯片射出的UV光子[4]，使UV-LED工作时所产生的热量更多。为了弥补单颗UV-LED芯片出光不足的问题，高光强灯珠中往往需要封装多颗芯片，但多芯片封装在提高出光量的同时，会产生更高的热流密度。如果UV-LED仍然沿用可见光LED的散热方式，将很难保证结温能被降至最高允许值以下，从而加剧量子效率和出光量的下降，出光峰值波长也会出现较大红移，并且会显著增加引发热失效的概率，严重降低其使用可靠性和寿命，因此UV-LED对提升其散热能力具有更加强烈的技术需求。

目前，对于UV-LED的研究对内应关注提升光输出效率方面，通过研发新型材料和封装技术来提高内量子效率，对外应选择合理的散热器结构将热量高效地排出。文章主要对近年来国内外就UV-LED散热器的研究进展进行综述，并对UV-LED散热器优化方法进行了总结和展望。

1 散热器选择

应用在UV-LED系统上的散热器主要包括风冷散热器、液冷散热器和新型散热器。不同能量级别的UV所适用的散热器不同。在研究早期，风冷只能适合较低输出功率的紫外线应用。然而，近年来，在此方面已经取得了较大的进展，可以实现更高功率的空气冷却，而不会对芯片寿命和可靠性产生负面影响。

与空气相比，用液体作介质可以更容易地获得较低的结温，从而使UV-LED系统效率更高、寿命更长、可靠性更好。因此，液冷作为一种非常有效的散热方式，特别是在较大的固化区域且需要高功率密度UV-LED场合应用。常见的风冷散热器有翅片式、热管式，液冷散热器有主动循环冷板式、微通道式等。新型散热器包括TEC热电制冷、液态金属等。

2 UV-LED风冷散热器

风冷散热器按照类别可分为翅片式及热管式，由于阵列式UV-LED芯片功率密度大，自然对流可以提供较小的散热能力和较高的热耗，因此通常采用强制对流代替自然对流。

2.1 翅片式强迫对流

翅片作为散热的核心部件，其形状结构是影响风冷散热器散热效果的直接因素，人们对于翅片的设计日益重视，板翅式和针翅式结构是目前常见的翅片散热器构造。

江苏大学俞乐[5]研究了400颗总热功率为1 200 WUVLED芯片。为了满足紫外光固化光源的生产要求，确定了风量为7 m3/min、室温为20 ℃、散热器衬底厚度为10 mm、翅片高度为70 mm、翅片间距为3 mm、翅片厚度为1 mm时散热效果最好。王磊[6]从增加换热面积和有效散热角度出发，提出了一种基于圆形反光杯结构UVC-LED模块的针翅式散热结构。这种结构对于未加散热器而言，芯片结温降低明显。上述学者单一地对板翅式和针翅式结构的散热能效进行了研究。林鹏等[7]设计了板翅式和针翅式散热器结构，为了比较其性能的优劣，对UV-LED固化装置进行了建模和仿真，通过对气流路径和切向温度云图的比较，表明针翅式与空气的接触面较大，具有较好的气体充填和散热性能。同时，对针翅式散热器进行了优化与试验，模拟数据与试验数据具有一致性。板翅式和针翅式散热器如图1所示。

图1 板翅式与针翅式散热器

与板翅片相比，针翅片能有效地减小散热器的体积，降低材料消耗，更有利于在恒定散热面积条件下的散热。但由于针翅式散热器翅片密集，排列紧凑，导致其加工复杂，容易堵塞，清洗困难。

2.2 热管式强迫对流

热管是高效热传导装置，主要利用相变传热，热管本身并没有冷却作用，只是一个良好的导热体。U型热管的外部通常分布有翅片，满足了紫外光固化系统小型化和方便性的要求，保证了散热表面温度的均匀性。

许多学者将模拟与试验相结合进行研究。于洋等[8]为了研究热管和风冷翅片与传统风冷翅片相比具有更好的散热性能，设计了大功率UV-LED印刷灯。结果表明其热沉热阻值在0.151～0.157 K/W，略微大于仿真结果0.118 K/W，但误差在允许范围之内，试验结果与仿真结果具有一致性。另外，为了满足印刷企业的实际生产需要，UV固化灯的电源需要具有可调且往往具有较高的数值。王匀等[9]设计了一款热管风冷式散热器，如图2所示。同时，对芯片总功率1 500 W（热功率1 200 W）的UV-LED固化灯进行了研究。试验结果表明，在送风体积为7 m3/min、散热器为35片的情况下，热源基底的最低温度为32.2 ℃，最高温度为50.5 ℃。模拟与试验结果比较，误差约为4%，验证了模拟结果的准确性。

图2 热管风冷式散热器

除了上述提到的温度、热沉热阻值这些依据，瞬态性能对于判断热管风冷散热器的结构是否可靠也特别重要。任航等[10]对于典型的UV-LED风冷翅片热管式冷却系统进行研究，该系统的热功率为96 W。通过对风冷散热器在给定条件和变化条件下的动态响应和试验研究，模拟结果与试验结果的温度变化趋势基本一致。热源越接近，响应就越快，表明其瞬态温度响应是滞后的。

3 UV-LED液冷式散热器

液冷散热器通过水泵带动液体流动将热量带走，液冷散热器通常用水作冷却剂，由于在相同温度下水的导热系数大约是空气导热系数的20倍，其传热能力大于空气导热系数，而且水的比热容与空气相比大得多，因此能有效地吸收UV-LED芯片产生的热量。紧凑型UV-LED装置的液冷散热器可集成到固化区周围空间有限的应用中，在多种场合得以应用广泛。

3.1 主动循环冷板式

冷板作为一种单一的流体换热器，可以有效地冷却UV-LED装置。目前，水冷却通道的设计是液冷研究的重点。冷却通道的结构直接影响冷却板中水的流动路径和流动范围，改变水的湍流涌动程度，改变对流换热系数，对散热有重要影响。

为了对比直线型和U型水道的性能，王杰等[11]设计了两种UV-LED水冷板散热模型，芯片的热耗散功率为1 800 W，因为U型水道与单水道相比流动路径长、流动范围广，所以其平均温度优于直线型。倪笠等[12]针对LED模块采用S形板管式水冷板进行散热研究。每个LED模块最大热功率为180 W，功率密度为15.43 W/m2，结温和压降均符合设计要求。

上述通道结构简单，但整个UV系统的温度分布的均匀性差。Li等[13]采用折流板并联冷却通道。翅片分离并且产生很多的小流道，加速了水的湍流效果、使得换热更加有效。PN结最高温度约为41.3 ℃，散热结构满足设计要求。丁玲[14]对1 000颗UV-LED系统设计并联冷却通道，水道总长为1.5 m。冷却水自入口经过4节连接水管流出，在流速为0.065 m/s时，UV-LED结温控制良好。

对不同冷却通道形状的相关研究进行总结，如表1所示。根据不同的应用场合，需合理地选择相应的结构。

表1 不同的冷却通道形状相关研究

3.2 微通道冷却式

微通道冷却系统是由许多狭小的通道互相连接，这种构造可明显提升对流换热效果，具有体积小、散热效率高、结构紧凑等优点。但是，由于微通道在UV-LED系统中应用较少，使得该系统的通道结构设计、加工工艺和制造材料等方面存在问题，在实际应用中也存在一定的难点。

Schneider等[15]在面积为2.11 cm2上实现了一个由98个密集封装的LED芯片组成的高功率密度UV-LED模组，如图3所示。微通道结构相互连接，显著增加了热传导的面积。该模块在397 nm波长、400 mA输入电流和120 W输入功率下获得13.1 W/cm2的辐射密度。

图3 高功率密度UV-LED芯片模组

4 新型散热器

除了传统的风冷散热器、液冷散热器，为了有效地对UV-LED系统进行散热，出现了一些新型的散热器，如热电制冷、液态金属冷却等。

在热电制冷散热过程中，半导体制冷片（TEC）只能作为散热载体。TEC结构紧凑，能够散热的热通量通常较低，并且通常用于低功耗的UV系统的散热，再通过其他的散热方式将热量排出。Fredes等[16]对UV-C LED的热电制冷装置应用适当的PID控制进行了研究，验证了深紫外光LED结温控制策略，可以在一定程度上提高LED的使用寿命。柳星星[17]将深紫外LED芯片及电路集成在TEC器件上，在不同的输入电流情况下，与未加TEC相比，结温下降迅速。何晶晶等[18]提出了将半导体制冷模块及翅片强制对流散热相结合，对于温度控制具有良好的性能。

由于水在室温下的低热导率[0.6 W/（m-K）]限制了其对流换热能力，研究人员一直在寻找更有效的冷却剂。李思琪等[19]提出了一种利用镓作为热导率高、导电性强、流动性好的冷却介质的UV-LED光源模块液态金属散热系统。该散热系统在939.9 W/cm2的功率密度、122.1 A的工作电流下，芯片结温仅79.7 ℃，说明该液态金属散热系统散热性能良好。液态金属散热是近些年的研究热点，可成为解决大功率UV-LED散热问题方式之一。

为了提高UV-LED的光输出性能和可靠性，Horng等[20]研究开发了一种高散热装置，采用复合电镀技术成功设计了一种用于蓝宝石UV-LED杯形片的DAC（金刚石-铜）散热器。在350 mA的工作电流下，使用DAC散热器的UV-LED其表面温度低于相同条件下的纯铜散热器，此外，UV-LED的输出功率和功率效率均有所提高。

5 优化方法

在优化UV-LED散热系统结构时，常采用单因素分析、正交试验和中心组合试验。单因素分析只适用于单向试验处理，如散热器的厚度和数量，正交试验法需要确定试验因素、试验水平和试验评价指标，选择合适的正交试验表，确定试验因素与水平的最佳组合。

林鹏等[7]采用单因素分析法对UV-LED针翅式散热器系统进行参数优化。通过对针翅式散热器的翅片厚度和纵向排布数量进行最优设计，发现在翅片厚度为2 mm、翅片排布为6×18时，散热效果最好。

6 结论与展望

散热问题已成为限制UV-LED系统功率提升的技术瓶颈，高功率UV-LED散热问题必须结合传热学、材料科学和制造技术来解决。传热学提供散热手段，材料科学改善材料导热性能，制造技术提升制造工艺。

风冷和液冷散热器是目前应用最广泛的技术，此外，也出现了热电制冷和液态金属等新型散热方式。但是，在改进的散热技术领域，仍有许多值得探究的地方，新散热方法的研究还有待进一步的发展。在散热器结构设计方面，近年来的研究方向是通过优化方法、材料选择和工艺改进现有的结构。

虽然提高材料的导热系数和装配技术对于解决大功率UV-LED系统的散热问题具有重要意义，但散热的最终选择必须依赖于散热方式。热电冷却、液态金属等新型散热器为实现高热流密度UV-LED系统的散热提供新的解决方案。目前，这些散热方式需要进一步研究，如考虑液体金属的氧化、与材料的兼容性等。