全串联高功率密度紫外LED结构和散热研究

曹露泽，韩秋漪，李福生,，荆 忠，张善端,

(1.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433；2.复旦大学电光源研究所，上海 200438；3.上海迈芯光电科技有限公司，上海 201612)

引言

紫外(UV) LED作为一种新型固态光源，具有寿命长、体积小、功耗低、绿色环保等优点[1-3]，其全球市场规模正逐步扩大，在长波紫外(UVA)应用领域呈现出对传统紫外光源快速替代的态势[4]。UVA波段主要应用于紫外光固化和油墨印刷，稳定的大功率紫外输出和固化系统的安全性成为研究的重点[5,6]。大功率芯片的结温控制至关重要，因为结温升高会导致正向电压降低、峰值波长红移、辐射效率下降，会严重影响LED光源模块的性能[7]。高效的热管理可以从LED光源模块散热和外部散热装置两个方面进行设计和优化。

LED封装过程中基板的制备很大程度上决定了整个模块的机械可靠性、电连接和散热性能，其中材料的选择[8,9]和焊接层的连接情况[10]对降低芯片结温至关重要。外部散热装置目前主要有半导体制冷、风冷和液冷散热等方式[11-13]。水冷散热的换热效果好，且相对于其他工质来说成本低、易于操作，适用于光固化区域较大且需要高功率密度UV-LED的场合[14,15]。王志斌等[16]设计了一种双进双出射流水冷散热器，将4颗总功率为60 W的LED温度保持在32 ℃左右。Schneider等[17]制备了98颗芯片封装的紫外光源模块，采用微通道水冷散热器，辐射功率密度达到31.6 W·cm2。但是目前大多数UV-LED光源的功率仍不满足涂料光固化和光纤制造领域应用的需要[6,18]，设备功率密度需要进一步地提高，须在实现大电流大功率的条件下，依然达到良好的散热效果。

本文设计并制作了全串联UV-LED模块，相比于全并联电路[19]高达122 A的总电流，全串联结构电流减少数倍，解决了电流不均的难题，降低大电流电源制造成本。采用水冷散热器对其进行有效散热，将芯片结温降至安全范围内，达到满足光固化应用的功率密度要求。

1 全串联光源模块设计

本文提出了一种全串联结构的LED光源模块，封装了6颗370 nm的垂直结构UV-LED芯片。如图1(a)所示，芯片尺寸2.8 mm×2.8 mm，间隔0.2 mm紧密排列，实现了超高功率密度的模块封装。基板部分做了整体设计，包括电路板、AlN绝缘基板、铜连接线和焊接层。

AlN基板厚度2 mm，顶面图形化覆铜，图形由6个间隔0.2 mm的长方形组成，单个长方形尺寸为60 mm×19 mm，用于和6块单面PCB板焊接；AlN基板背面整面覆铜，用于和外部散热器焊接。

电路板分为6个尺寸为40 mm×3 mm×2 mm的长方体，分别焊接在AlN基板的图形化覆铜位置，保证上方芯片间隔0.2 mm的密接排列，具体尺寸如图1(b)、(c)所示。铜线可焊接在AlN基板的镀铜层上作为LED正极接线，另外通过打金线的方式连接芯片与电路板上镀金层，镀金层上可焊接铜线另一端作为负极接线。前一颗芯片的正极通过铜线与后一颗芯片的负极相连，实现电路的串联。

图1 (a)全串联UV-LED光源模块结构，(b)正视图，(c)俯视图Fig.1 (a)Structural details of the full series UV-LED module，(b) front view of the module，(c) top view of the module

本文设计的全串联连接方式的光源模块，多颗芯片通过的电流相同，避免了全并联光源模块的芯片之间的电流不均匀性，每颗芯片的光输出和寿命具有良好的一致性；另外还避免了全并联模块流过总线电流过大的问题，减小总线上的压降和功率损耗。UV-LED的单颗芯片工作电压一般在3.5 V左右，6颗全串的LED总电压在21 V左右，电流<15 A，对电源的电流电压范围要求相对较低，降低了电源成本，也降低了人工维护成本。此外全串联模块方便更换，易于拼接成为线光源。

2 UV-LED的水冷散热仿真

2.1 仿真几何模型构建

本文对水冷散热器进行3D几何建模，建模时忽略螺孔、金线、密封圈等微小结构，保留金属基板、绝缘基板、散热器盖板、水槽以及水域等主体部分，整体结构如图2(a)所示，表1列出了水冷散热器的主要参数。图2(b)标注了设置在芯片表面、电路板和散热器盖板上的探针点位置，用来分别检测仿真中三个位置的温度变化。

图2 (a) 模块几何模型,(b) 探针点位置Fig.2 (a)Geometric model of module,(b) position of the probe point

表1 散热器尺寸参数Table 1 Dimensions of radiators

2.2 网格划分

网格划分与有限元偏微分方程边界节点关系密切，是仿真模型计算成功与否的至关重要的一步。划分网格越细密，计算结果精度越高，但会对算力提出更高的要求，且还会消耗大量机时。基于对仿真结果准确性和时间成本的综合考虑，本文手动选择合适的网格划分密度，在散热器盖板和水槽处使用较粗化网络，而在尺寸较小的地方比如芯片、电路板、绝缘基板处的网格调整为较细化，如图3所示，总网格数在25万左右，此模型构建网格时间仅需2.7 s。

图3 模块网格划分Fig.3 Model meshing

2.3 仿真参数设置

几何模型导入完成后，需要对几何体的具体零件设定材料种类，并输入材料的各项参数，见表2。部分基本材料的属性参数可以直接从材料库中导入，流体部分需要在湍流的流体属性中设置。为了避免焊接层过薄导致网格划分出错和出现低质量警告等问题，在仿真中设置热接触薄层来模拟真实焊接层，接触模型设置为等效薄热阻层，设定热导率和厚度，提高了模型构建效率和仿真计算速度。

表2 不同区域的尺寸和材料Table 2 Dimensions and materials at different positions

边界条件的设置如下：

(1)设定好固体传热、液体传热的区域，选定进出水口边界。

(2)选择湍流模型k-ε模型并且选择不可压缩流。

(3)设定初始环境温度21 ℃，设置入水口温度与水域温度一致。

(4)将6颗芯片区域设置为热源，热功率等于预实验测得的电功率减去辐射功率。

(5)添加热通量模块并选择对流热通量，设定约10 W m-2K-1的对流传热系数。

2.4 仿真结果

仿真中改变水温、电流以及水速，计算得到模块各探针点的温度，探究满足芯片安全工作温度的极限条件，另外从各点温度变化趋势上分析更有效的散热优化方式，为后续实验规避风险，提供指导参数。

仿真得到水流速度和温度信息，图4(a)显示了散热器内部水流流速情况，可以看到，进水管中水流速度较快，到达盖板下方时流速下降明显，普遍只有0.3 m/s左右，湍流强度减弱，对盖板表面的冲击力减小。由于压力因素，出水管中的水流速度增大，出水管和进水管之间的水流横向流动性较差。从图4(b)温度剖面图可以看出，芯片的热量均匀地向四周散发，温度以芯片排列位置为轴线呈对称分布，但热量在垂直方向上经过AlN绝缘基板时传热受到阻碍，AlN板的温度没有明显地升高。

图4 (a) COMSOL流速剖面图，(b) 温度剖面图Fig.4 (a) Section results of flow velocity in COMSOL，(b) section results of temperature

从图5中可以直观地看到芯片温度、电路板温度和盖板温度的变化趋势，均随电流增大而升高。由于热量的堆积，芯片结温上升较快，而电极和盖板距离芯片位置越来越远，温度上升趋势逐渐平缓，与结温温差也越来越大，符合理论传热路径。当水温15 ℃时，15 A大电流工作状态下LED电压为3.6 V，仿真最大电功率达到324 W，最大输出热功率为259.2 W，功率密度可达642.9 W/cm2，芯片结温最低为116 ℃，满足安全工作限制温度。由此说明，该封装方法对于大功率LED器件是可行有效的，水冷散热器也具有良好的散热效果。

图5 各探针点温度仿真结果，水温为：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.5 Simulation results of probe pointwith water temperature:(a) 15 ℃，(b) 20 ℃，(c) 25 ℃，(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

在15 ℃水温、15 A电流下，芯片温度和电路板温差约为42 ℃，电路板温度和盖板温差约为35 ℃，下方水冷散热器表面基本保持了水浴的温度。这与仿真中热接触薄层的设置有关。模块包含三层焊接层，对整个系统散热产生重要影响，且电路板是最靠近热源的部分，对于整体散热起到至关重要的作用。因此，减小热阻、加强电路板与底板焊接层的导热能力成为继续优化模块散热性能的研究方向。

图6为固定水温20 ℃时，不同电流下的结温随流速变化关系。在小电流条件下，流速对于芯片结温的影响较小，结温基本保持一致，这是由于器件在小功率工作状态下产生热量较少，散热方式以固体传热为主。在大电流时，流速的变化对结温影响较明显，曲线有明显的向下趋势，最大差值达到24 ℃，散热能力提高了20%。仿真结果指出优化流速对于提高水冷散热器散热有很好的效果，特别是针对大功率光源模块，可为后续实验提供指导思路。

图6 不同电流下结温随水速的变化Fig.6 Dependence of junction temperature of UV-LED chips on flow velocity under various current in simulation

2.5 仿真基板厚度优化

改变电路板厚度对于模块散热性能有重要影响。如图7所示的温度剖面看出，厚基板会给水平方向散热更多的空间，分担一部分垂直方向的热流，降低了到达下一层基板的热量，提高散热性能。如图8所示，在基板厚度小于5 mm的范围，结温随基板厚度的增加迅速降低，从140 ℃降至117 ℃。在厚度大于5 mm的区域结温变化幅度较小，说明通过增加铜基板厚度来改善传热是有限度的，过厚的铜板会增加热量向下一级传递的路径，不会带来更明显的散热效果，在实际应用中取合适厚度的铜板可以节约用料、降低成本。

图7 不同基板厚度温度分布剖面图Fig.7 Section results of temperature distribution under different substrate thicknesses

图8 不同基板厚度各探针点的温度变化曲线Fig.8 Temperature variation of probe points under different substrate thicknesses

基板位置的探针点温度会随基板厚度的增加而升高，因为基板厚度增加时水平方向分担了垂直方向的热量，基板温度会有所上升，而较厚的基板探针点温度基本稳定。盖板温度在基板厚度小于5 mm时呈下降趋势，但之后趋于平稳，是因为盖板与电路板之间还存在一层绝缘基板，所以厚度的增加对盖板表面温度影响不大。

3 实验测量

3.1 模块制备

图9为光源模块实物图。电路板由铜层、绝缘层、镀金层构成，其中的薄绝缘层由玻璃纤维和树脂混合制成。电路板与AlN底板进行焊接之前，会先在覆铜层之间的沟槽中涂满绝缘材料，防止焊接过程中由于焊点溢出或者焊球掉落造成的电路短路；6颗芯片依次共晶在镀层金上，为了避免之后的焊接过程焊料飞溅等不确定性因素对于芯片表面的影响，在芯片上方添加一层临时防护层。最后在正负极电极层上焊接导线，正负极之间接入齐纳二极管，保护LED不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击，用于保护器件避免受到静电影响。

图9 全串联UV-LED模块样品图Fig.9 Sampleof full series UV-LED module

3.2 实验测试系统

整体实验测试系统如图10所示。全串联紫外LED光源模块测试系统包括电参数测试系统、光参数测试系统和热参数测试系统。其中需要具体测出LED电压、电流参数以及光谱分布和辐射功率，基于正向电压法测量出芯片结温，并实测出基板表面温度。

图10 实验测试系统Fig.10 Experimental setup

(1)电参数测试系统。采用恒压电源(仪达，SS-3030 KD)作为LED工作电源提供1～15 A的电流，使用恒流源(台湾固纬电子，GPD-3303S)提供20 mA的测试电流，信号发生器(Owon,Ag1022)连接汞开关控制LED工作电源和20 mA测试电源的开启时间，一般设置在1%以内。利用数字示波器(LeCroy,44Xi)监控LED电压切换时波形变化，调节示波器至合适的分辨率便于读取跳变点的电压值。

(2)光参数测试系统。采用光电热测试系统(上海力兹，LEDT-400A)，包括积分球(Labsphere,300 mm)、光谱仪(日本大塚，LE-5400)和配套光谱测试软件。在测试之前用12 V卤钨标准灯对积分球进行定标，稳定10 min后即可进行光参数的测量。测试软件采集LED光谱功率分布并对数据进行处理。

(3)热参数测试系统。热参数测试系统包括热电偶、高精度高温烘箱、热分析仪(上海力兹，LEDT-300B)和测试软件。测试前需要先得到模块的电压—温度定标曲线K线。恒温箱温度加热至40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃，每到达一个温度点保持稳定30 min。温度满足稳定条件后开始判断电压稳定性，得到稳定的温度、电压数据并保存至后台，软件会将所测温度值和电压实时绘图得到电压—温度变化曲线，当所有测试全部结束时形成定标曲线K线。在光源模块的负极粘接热电偶，以获取基板温度，粘接位置距离芯片约3 mm。实验开始前，使用热成像仪(FLUKE Ti9)对模块表面进行测试，表面热成像如图11所示。避免模块因芯片共晶或基板焊接工艺而导致的热阻分布不均，调整模块至均匀性最好的状态。

图11 UV-LED模块表面热成像Fig.11 Thermal imaging of the UV-LED module surface

3.3 全串联光源模块的电参数和结温

实验测得LED光源模块在不同电流下的工作电压，图12为不同水温下的电压—电流变化曲线，可以清晰地看出LED电压随着电流的增大而逐渐增大。由于水温的不同，在相同工作电流大小下电压随水温的升高而降低，但下降幅度较小，在0.5 V以内。实验中芯片实际可测试最大电流为15 A，最大输入电功率达到325.8 W，此时达到最大功率密度646.5 W/cm2。

图12 不同水温下的电压—电流关系Fig.12 Dependence of voltage on current under various water temperature

图13显示了模块结温和电路板温度的变化情况，可以看出在小电流时，电路板温度和结温相差在5 ℃以内，但大电流情况下，温差逐渐变大，在15 A时温差达到了80 ℃以上，结温的上升幅度明显高于基板温度，电路板的散热性能对于降低结温是至关重要的，而水温变化对结温和电路板温度影响较为均匀，测量温差与水温温差基本相同。

图13 不同水温下结温、基板温度随电流的变化(a)15 ℃、(b)20 ℃、(c)25 ℃、(d)30 ℃、(e)35 ℃Fig.13 Dependence of junction and substrate temperature on current when the water temperature is (a)15 ℃,(b)20 ℃,(c)25 ℃,(d)30 ℃ and (e)35 ℃

3.4 全串联光源模块光参数

图14显示了水温15 ℃～35 ℃时LED光源模块的光谱分布。随着电流逐渐增加至15 A，可明显看出峰值波长变大，辐射光谱红移。小电流时峰值波长改变不明显。但电流从10 A增加到15 A时，峰值波长明显红移，水温15 ℃时峰值波长从369.8 nm增加到372.4 nm，增加了2.6 nm；结温从84 ℃大幅升高到131 ℃，增加了47 ℃。这证明光谱功率分布会受到芯片结温的影响，结温越高影响越大，若不能有效控制结温，则UV-LED的寿命会受到严重影响。从水温的影响来看，图15中可以看出10 A以上的光谱辐通量的峰值随水温的升高而下降，15 A的曲线峰值下降最为明显。水温从15 ℃～35 ℃，15 A电流下的最高光谱辐通量降低了0.77 W/nm，5 A时仅降低0.18 W/nm，5 A以下光谱辐通量基本保持稳定，说明小电流时，水温对光谱辐通量的影响较小。

图14 不同电流下UV-LED模块光谱，水温为：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.14 The spectra of UV-LED modules at various current when the water temperature is (a) 15 ℃,(b) 20 ℃,(c) 25 ℃,(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

图15 不同电流下最高光谱辐通量随水温的变化关系Fig.15 Dependence of maximum spectralradiant flux on water temperature under various current

图16为LED辐通量随功率变化的曲线，可以看出LED辐通量会随电流增加升高，在电流10 A之前上升趋势明显，10～15 A数据段上升缓慢，这与LED的辐射效率有关。图17为LED辐射效率—功率变化曲线，辐射效率随结温升高而降低，图中可以看到明显的下降趋势，大电流时辐射效率的大幅降低会使LED的辐射通量到达上升极限。水温升高对辐射效率同样有影响，水温相差20 ℃，辐射效率最多降低了2.6%。本光源模块在电流1 A时可得最高辐射效率41.9%，在最大电流15 A时辐射效率仍可达22.9%。

图16 不同水温下的辐通量—输入功率关系Fig.16 Dependence of radiant flux on input power under variouswater temperature

图17 不同水温下的辐射效率—输入功率关系Fig.17 Dependence of radiant efficiency on input power with various water temperature

3.5 仿真与实验结果对比

图18为仿真和实验结果的对比，可见芯片结温的实测和仿真结果的变化趋势一致，这是由于仿真中对于辐射效率的设置依据了预实验的实验数据，更加贴合实验数据的非线性变化。在水温20 ℃以下，结温差值不超过15 ℃，但是在大电流下温差达到20 ℃以上，这是因为仿真中对电路板更细节的结构进行的简化，焊接层存在气泡的不确定性无法完美的模拟，仿真中电路板导热性能相对较好，可导出热量比实际实验中的电路板要多，所以大功率状态结温更低。仿真结果整体符合实验结果，验证了COMSOL热学和流体力学建模的准确性。

图18 仿真与实验结果对比，水温为：(a) 15 ℃、(b) 20 ℃、(c) 25 ℃、(d) 30 ℃、(e) 35 ℃Fig.18 Comparison of simulation and experiment results with water temperature is (a) 15 ℃,(b) 20 ℃,(c) 25 ℃,(d) 30 ℃ and (e) 35 ℃

4 结论

本文完成了全串联高功率密度紫外LED光源模块的设计和制备，提供了水冷散热方案。利用3D软件和COMSOL软件建立了水冷散热系统模型，在20 ℃水温和15 A电流时仿真结温为120 ℃，最高功率密度可达643 W/cm2。针对基板厚度进行了优化，得到了散热性能最佳厚度为5 mm。搭建水冷散热系统和LED光电热参数测试系统，测试得到在水温15 ℃时，光源模块的最大输入电功率达到325.8 W，最大功率密度646.5 W/cm2，此时利用该水冷散热器的LED芯片结温保持在130 ℃左右。实验还测得LED相关光电特性，结果表明，随着结温升高，LED光谱红移、正向电压减小、发光效率降低。本文研制的高功率密度UV-LED模块能够满足超大功率应用中安全结温需要，为光固化设备开发提供理论和数据支持。另外全串联模块在大电流情况下相比于并联模块电源制造成本降低，进一步拓展了紫外光固化技术的应用领域。