曹露澤，韓秋漪，李福生,，荊 忠，張善端,

(1.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438；3.上海邁芯光電科技有限公司，上海 201612)

引言

紫外(UV) LED作為一種新型固態(tài)光源，具有壽命長(zhǎng)、體積小、功耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，其全球市場(chǎng)規(guī)模正逐步擴(kuò)大，在長(zhǎng)波紫外(UVA)應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出對(duì)傳統(tǒng)紫外光源快速替代的態(tài)勢(shì)[4]。UVA波段主要應(yīng)用于紫外光固化和油墨印刷，穩(wěn)定的大功率紫外輸出和固化系統(tǒng)的安全性成為研究的重點(diǎn)[5,6]。大功率芯片的結(jié)溫控制至關(guān)重要，因?yàn)榻Y(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致正向電壓降低、峰值波長(zhǎng)紅移、輻射效率下降，會(huì)嚴(yán)重影響LED光源模塊的性能[7]。高效的熱管理可以從LED光源模塊散熱和外部散熱裝置兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

LED封裝過(guò)程中基板的制備很大程度上決定了整個(gè)模塊的機(jī)械可靠性、電連接和散熱性能，其中材料的選擇[8,9]和焊接層的連接情況[10]對(duì)降低芯片結(jié)溫至關(guān)重要。外部散熱裝置目前主要有半導(dǎo)體制冷、風(fēng)冷和液冷散熱等方式[11-13]。水冷散熱的換熱效果好，且相對(duì)于其他工質(zhì)來(lái)說(shuō)成本低、易于操作，適用于光固化區(qū)域較大且需要高功率密度UV-LED的場(chǎng)合[14,15]。王志斌等[16]設(shè)計(jì)了一種雙進(jìn)雙出射流水冷散熱器，將4顆總功率為60 W的LED溫度保持在32 ℃左右。Schneider等[17]制備了98顆芯片封裝的紫外光源模塊，采用微通道水冷散熱器，輻射功率密度達(dá)到31.6 W·cm2。但是目前大多數(shù)UV-LED光源的功率仍不滿足涂料光固化和光纖制造領(lǐng)域應(yīng)用的需要[6,18]，設(shè)備功率密度需要進(jìn)一步地提高，須在實(shí)現(xiàn)大電流大功率的條件下，依然達(dá)到良好的散熱效果。

本文設(shè)計(jì)并制作了全串聯(lián)UV-LED模塊，相比于全并聯(lián)電路[19]高達(dá)122 A的總電流，全串聯(lián)結(jié)構(gòu)電流減少數(shù)倍，解決了電流不均的難題，降低大電流電源制造成本。采用水冷散熱器對(duì)其進(jìn)行有效散熱，將芯片結(jié)溫降至安全范圍內(nèi)，達(dá)到滿足光固化應(yīng)用的功率密度要求。

1 全串聯(lián)光源模塊設(shè)計(jì)

本文提出了一種全串聯(lián)結(jié)構(gòu)的LED光源模塊，封裝了6顆370 nm的垂直結(jié)構(gòu)UV-LED芯片。如圖1(a)所示，芯片尺寸2.8 mm×2.8 mm，間隔0.2 mm緊密排列，實(shí)現(xiàn)了超高功率密度的模塊封裝?；宀糠肿隽苏w設(shè)計(jì)，包括電路板、AlN絕緣基板、銅連接線和焊接層。

AlN基板厚度2 mm，頂面圖形化覆銅，圖形由6個(gè)間隔0.2 mm的長(zhǎng)方形組成，單個(gè)長(zhǎng)方形尺寸為60 mm×19 mm，用于和6塊單面PCB板焊接；AlN基板背面整面覆銅，用于和外部散熱器焊接。

電路板分為6個(gè)尺寸為40 mm×3 mm×2 mm的長(zhǎng)方體，分別焊接在AlN基板的圖形化覆銅位置，保證上方芯片間隔0.2 mm的密接排列，具體尺寸如圖1(b)、(c)所示。銅線可焊接在AlN基板的鍍銅層上作為L(zhǎng)ED正極接線，另外通過(guò)打金線的方式連接芯片與電路板上鍍金層，鍍金層上可焊接銅線另一端作為負(fù)極接線。前一顆芯片的正極通過(guò)銅線與后一顆芯片的負(fù)極相連，實(shí)現(xiàn)電路的串聯(lián)。

圖1 (a)全串聯(lián)UV-LED光源模塊結(jié)構(gòu)，(b)正視圖，(c)俯視圖Fig.1 (a)Structural details of the full series UV-LED module，(b) front view of the module，(c) top view of the module

本文設(shè)計(jì)的全串聯(lián)連接方式的光源模塊，多顆芯片通過(guò)的電流相同，避免了全并聯(lián)光源模塊的芯片之間的電流不均勻性，每顆芯片的光輸出和壽命具有良好的一致性；另外還避免了全并聯(lián)模塊流過(guò)總線電流過(guò)大的問題，減小總線上的壓降和功率損耗。UV-LED的單顆芯片工作電壓一般在3.5 V左右，6顆全串的LED總電壓在21 V左右，電流<15 A，對(duì)電源的電流電壓范圍要求相對(duì)較低，降低了電源成本，也降低了人工維護(hù)成本。此外全串聯(lián)模塊方便更換，易于拼接成為線光源。

2 UV-LED的水冷散熱仿真

2.1 仿真幾何模型構(gòu)建

本文對(duì)水冷散熱器進(jìn)行3D幾何建模，建模時(shí)忽略螺孔、金線、密封圈等微小結(jié)構(gòu)，保留金屬基板、絕緣基板、散熱器蓋板、水槽以及水域等主體部分，整體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，表1列出了水冷散熱器的主要參數(shù)。圖2(b)標(biāo)注了設(shè)置在芯片表面、電路板和散熱器蓋板上的探針點(diǎn)位置，用來(lái)分別檢測(cè)仿真中三個(gè)位置的溫度變化。

圖2 (a) 模塊幾何模型,(b) 探針點(diǎn)位置Fig.2 (a)Geometric model of module,(b) position of the probe point

表1 散熱器尺寸參數(shù)Table 1 Dimensions of radiators

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分與有限元偏微分方程邊界節(jié)點(diǎn)關(guān)系密切，是仿真模型計(jì)算成功與否的至關(guān)重要的一步。劃分網(wǎng)格越細(xì)密，計(jì)算結(jié)果精度越高，但會(huì)對(duì)算力提出更高的要求，且還會(huì)消耗大量機(jī)時(shí)?；趯?duì)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和時(shí)間成本的綜合考慮，本文手動(dòng)選擇合適的網(wǎng)格劃分密度，在散熱器蓋板和水槽處使用較粗化網(wǎng)絡(luò)，而在尺寸較小的地方比如芯片、電路板、絕緣基板處的網(wǎng)格調(diào)整為較細(xì)化，如圖3所示，總網(wǎng)格數(shù)在25萬(wàn)左右，此模型構(gòu)建網(wǎng)格時(shí)間僅需2.7 s。

圖3 模塊網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

幾何模型導(dǎo)入完成后，需要對(duì)幾何體的具體零件設(shè)定材料種類，并輸入材料的各項(xiàng)參數(shù)，見表2。部分基本材料的屬性參數(shù)可以直接從材料庫(kù)中導(dǎo)入，流體部分需要在湍流的流體屬性中設(shè)置。為了避免焊接層過(guò)薄導(dǎo)致網(wǎng)格劃分出錯(cuò)和出現(xiàn)低質(zhì)量警告等問題，在仿真中設(shè)置熱接觸薄層來(lái)模擬真實(shí)焊接層，接觸模型設(shè)置為等效薄熱阻層，設(shè)定熱導(dǎo)率和厚度，提高了模型構(gòu)建效率和仿真計(jì)算速度。

表2 不同區(qū)域的尺寸和材料Table 2 Dimensions and materials at different positions

邊界條件的設(shè)置如下：

(1)設(shè)定好固體傳熱、液體傳熱的區(qū)域，選定進(jìn)出水口邊界。

(2)選擇湍流模型k-ε模型并且選擇不可壓縮流。

(3)設(shè)定初始環(huán)境溫度21 ℃，設(shè)置入水口溫度與水域溫度一致。

(4)將6顆芯片區(qū)域設(shè)置為熱源，熱功率等于預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電功率減去輻射功率。

(5)添加熱通量模塊并選擇對(duì)流熱通量，設(shè)定約10 W m-2K-1的對(duì)流傳熱系數(shù)。

2.4 仿真結(jié)果

仿真中改變水溫、電流以及水速，計(jì)算得到模塊各探針點(diǎn)的溫度，探究滿足芯片安全工作溫度的極限條件，另外從各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)上分析更有效的散熱優(yōu)化方式，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提供指導(dǎo)參數(shù)。

仿真得到水流速度和溫度信息，圖4(a)顯示了散熱器內(nèi)部水流流速情況，可以看到，進(jìn)水管中水流速度較快，到達(dá)蓋板下方時(shí)流速下降明顯，普遍只有0.3 m/s左右，湍流強(qiáng)度減弱，對(duì)蓋板表面的沖擊力減小。由于壓力因素，出水管中的水流速度增大，出水管和進(jìn)水管之間的水流橫向流動(dòng)性較差。從圖4(b)溫度剖面圖可以看出，芯片的熱量均勻地向四周散發(fā)，溫度以芯片排列位置為軸線呈對(duì)稱分布，但熱量在垂直方向上經(jīng)過(guò)AlN絕緣基板時(shí)傳熱受到阻礙，AlN板的溫度沒有明顯地升高。

圖4 (a) COMSOL流速剖面圖，(b) 溫度剖面圖Fig.4 (a) Section results of flow velocity in COMSOL，(b) section results of temperature

從圖5中可以直觀地看到芯片溫度、電路板溫度和蓋板溫度的變化趨勢(shì)，均隨電流增大而升高。由于熱量的堆積，芯片結(jié)溫上升較快，而電極和蓋板距離芯片位置越來(lái)越遠(yuǎn)，溫度上升趨勢(shì)逐漸平緩，與結(jié)溫溫差也越來(lái)越大，符合理論傳熱路徑。當(dāng)水溫15 ℃時(shí)，15 A大電流工作狀態(tài)下LED電壓為3.6 V，仿真最大電功率達(dá)到324 W，最大輸出熱功率為259.2 W，功率密度可達(dá)642.9 W/cm2，芯片結(jié)溫最低為116 ℃，滿足安全工作限制溫度。由此說(shuō)明，該封裝方法對(duì)于大功率LED器件是可行有效的，水冷散熱器也具有良好的散熱效果。

圖5 各探針點(diǎn)溫度仿真結(jié)果，水溫為：(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 ℃水溫、15 A電流下，芯片溫度和電路板溫差約為42 ℃，電路板溫度和蓋板溫差約為35 ℃，下方水冷散熱器表面基本保持了水浴的溫度。這與仿真中熱接觸薄層的設(shè)置有關(guān)。模塊包含三層焊接層，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)散熱產(chǎn)生重要影響，且電路板是最靠近熱源的部分，對(duì)于整體散熱起到至關(guān)重要的作用。因此，減小熱阻、加強(qiáng)電路板與底板焊接層的導(dǎo)熱能力成為繼續(xù)優(yōu)化模塊散熱性能的研究方向。

圖6為固定水溫20 ℃時(shí)，不同電流下的結(jié)溫隨流速變化關(guān)系。在小電流條件下，流速對(duì)于芯片結(jié)溫的影響較小，結(jié)溫基本保持一致，這是由于器件在小功率工作狀態(tài)下產(chǎn)生熱量較少，散熱方式以固體傳熱為主。在大電流時(shí)，流速的變化對(duì)結(jié)溫影響較明顯，曲線有明顯的向下趨勢(shì)，最大差值達(dá)到24 ℃，散熱能力提高了20%。仿真結(jié)果指出優(yōu)化流速對(duì)于提高水冷散熱器散熱有很好的效果，特別是針對(duì)大功率光源模塊，可為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)思路。

圖6 不同電流下結(jié)溫隨水速的變化Fig.6 Dependence of junction temperature of UV-LED chips on flow velocity under various current in simulation

2.5 仿真基板厚度優(yōu)化

改變電路板厚度對(duì)于模塊散熱性能有重要影響。如圖7所示的溫度剖面看出，厚基板會(huì)給水平方向散熱更多的空間，分擔(dān)一部分垂直方向的熱流，降低了到達(dá)下一層基板的熱量，提高散熱性能。如圖8所示，在基板厚度小于5 mm的范圍，結(jié)溫隨基板厚度的增加迅速降低，從140 ℃降至117 ℃。在厚度大于5 mm的區(qū)域結(jié)溫變化幅度較小，說(shuō)明通過(guò)增加銅基板厚度來(lái)改善傳熱是有限度的，過(guò)厚的銅板會(huì)增加熱量向下一級(jí)傳遞的路徑，不會(huì)帶來(lái)更明顯的散熱效果，在實(shí)際應(yīng)用中取合適厚度的銅板可以節(jié)約用料、降低成本。

圖7 不同基板厚度溫度分布剖面圖Fig.7 Section results of temperature distribution under different substrate thicknesses

圖8 不同基板厚度各探針點(diǎn)的溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation of probe points under different substrate thicknesses

基板位置的探針點(diǎn)溫度會(huì)隨基板厚度的增加而升高，因?yàn)榛搴穸仍黾訒r(shí)水平方向分擔(dān)了垂直方向的熱量，基板溫度會(huì)有所上升，而較厚的基板探針點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定。蓋板溫度在基板厚度小于5 mm時(shí)呈下降趨勢(shì)，但之后趨于平穩(wěn)，是因?yàn)樯w板與電路板之間還存在一層絕緣基板，所以厚度的增加對(duì)蓋板表面溫度影響不大。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

3.1 模塊制備

圖9為光源模塊實(shí)物圖。電路板由銅層、絕緣層、鍍金層構(gòu)成，其中的薄絕緣層由玻璃纖維和樹脂混合制成。電路板與AlN底板進(jìn)行焊接之前，會(huì)先在覆銅層之間的溝槽中涂滿絕緣材料，防止焊接過(guò)程中由于焊點(diǎn)溢出或者焊球掉落造成的電路短路；6顆芯片依次共晶在鍍層金上，為了避免之后的焊接過(guò)程焊料飛濺等不確定性因素對(duì)于芯片表面的影響，在芯片上方添加一層臨時(shí)防護(hù)層。最后在正負(fù)極電極層上焊接導(dǎo)線，正負(fù)極之間接入齊納二極管，保護(hù)LED不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊，用于保護(hù)器件避免受到靜電影響。

圖9 全串聯(lián)UV-LED模塊樣品圖Fig.9 Sampleof full series UV-LED module

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

整體實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖10所示。全串聯(lián)紫外LED光源模塊測(cè)試系統(tǒng)包括電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、光參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)和熱參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。其中需要具體測(cè)出LED電壓、電流參數(shù)以及光譜分布和輻射功率，基于正向電壓法測(cè)量出芯片結(jié)溫，并實(shí)測(cè)出基板表面溫度。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.10 Experimental setup

(1)電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。采用恒壓電源(儀達(dá)，SS-3030 KD)作為L(zhǎng)ED工作電源提供1～15 A的電流，使用恒流源(臺(tái)灣固緯電子，GPD-3303S)提供20 mA的測(cè)試電流，信號(hào)發(fā)生器(Owon,Ag1022)連接汞開關(guān)控制LED工作電源和20 mA測(cè)試電源的開啟時(shí)間，一般設(shè)置在1%以內(nèi)。利用數(shù)字示波器(LeCroy,44Xi)監(jiān)控LED電壓切換時(shí)波形變化，調(diào)節(jié)示波器至合適的分辨率便于讀取跳變點(diǎn)的電壓值。

(2)光參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。采用光電熱測(cè)試系統(tǒng)(上海力茲，LEDT-400A)，包括積分球(Labsphere,300 mm)、光譜儀(日本大塚，LE-5400)和配套光譜測(cè)試軟件。在測(cè)試之前用12 V鹵鎢標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)積分球進(jìn)行定標(biāo)，穩(wěn)定10 min后即可進(jìn)行光參數(shù)的測(cè)量。測(cè)試軟件采集LED光譜功率分布并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(3)熱參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。熱參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)包括熱電偶、高精度高溫烘箱、熱分析儀(上海力茲，LEDT-300B)和測(cè)試軟件。測(cè)試前需要先得到模塊的電壓—溫度定標(biāo)曲線K線。恒溫箱溫度加熱至40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃，每到達(dá)一個(gè)溫度點(diǎn)保持穩(wěn)定30 min。溫度滿足穩(wěn)定條件后開始判斷電壓穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定的溫度、電壓數(shù)據(jù)并保存至后臺(tái)，軟件會(huì)將所測(cè)溫度值和電壓實(shí)時(shí)繪圖得到電壓—溫度變化曲線，當(dāng)所有測(cè)試全部結(jié)束時(shí)形成定標(biāo)曲線K線。在光源模塊的負(fù)極粘接熱電偶，以獲取基板溫度，粘接位置距離芯片約3 mm。實(shí)驗(yàn)開始前，使用熱成像儀(FLUKE Ti9)對(duì)模塊表面進(jìn)行測(cè)試，表面熱成像如圖11所示。避免模塊因芯片共晶或基板焊接工藝而導(dǎo)致的熱阻分布不均，調(diào)整模塊至均勻性最好的狀態(tài)。

圖11 UV-LED模塊表面熱成像Fig.11 Thermal imaging of the UV-LED module surface

3.3 全串聯(lián)光源模塊的電參數(shù)和結(jié)溫

實(shí)驗(yàn)測(cè)得LED光源模塊在不同電流下的工作電壓，圖12為不同水溫下的電壓—電流變化曲線，可以清晰地看出LED電壓隨著電流的增大而逐漸增大。由于水溫的不同，在相同工作電流大小下電壓隨水溫的升高而降低，但下降幅度較小，在0.5 V以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中芯片實(shí)際可測(cè)試最大電流為15 A，最大輸入電功率達(dá)到325.8 W，此時(shí)達(dá)到最大功率密度646.5 W/cm2。

圖12 不同水溫下的電壓—電流關(guān)系Fig.12 Dependence of voltage on current under various water temperature

圖13顯示了模塊結(jié)溫和電路板溫度的變化情況，可以看出在小電流時(shí)，電路板溫度和結(jié)溫相差在5 ℃以內(nèi)，但大電流情況下，溫差逐漸變大，在15 A時(shí)溫差達(dá)到了80 ℃以上，結(jié)溫的上升幅度明顯高于基板溫度，電路板的散熱性能對(duì)于降低結(jié)溫是至關(guān)重要的，而水溫變化對(duì)結(jié)溫和電路板溫度影響較為均勻，測(cè)量溫差與水溫溫差基本相同。

圖13 不同水溫下結(jié)溫、基板溫度隨電流的變化(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 全串聯(lián)光源模塊光參數(shù)

圖14顯示了水溫15 ℃～35 ℃時(shí)LED光源模塊的光譜分布。隨著電流逐漸增加至15 A，可明顯看出峰值波長(zhǎng)變大，輻射光譜紅移。小電流時(shí)峰值波長(zhǎng)改變不明顯。但電流從10 A增加到15 A時(shí)，峰值波長(zhǎng)明顯紅移，水溫15 ℃時(shí)峰值波長(zhǎng)從369.8 nm增加到372.4 nm，增加了2.6 nm；結(jié)溫從84 ℃大幅升高到131 ℃，增加了47 ℃。這證明光譜功率分布會(huì)受到芯片結(jié)溫的影響，結(jié)溫越高影響越大，若不能有效控制結(jié)溫，則UV-LED的壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響。從水溫的影響來(lái)看，圖15中可以看出10 A以上的光譜輻通量的峰值隨水溫的升高而下降，15 A的曲線峰值下降最為明顯。水溫從15 ℃～35 ℃，15 A電流下的最高光譜輻通量降低了0.77 W/nm，5 A時(shí)僅降低0.18 W/nm，5 A以下光譜輻通量基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明小電流時(shí)，水溫對(duì)光譜輻通量的影響較小。

圖14 不同電流下UV-LED模塊光譜，水溫為：(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 ℃

圖15 不同電流下最高光譜輻通量隨水溫的變化關(guān)系Fig.15 Dependence of maximum spectralradiant flux on water temperature under various current

圖16為L(zhǎng)ED輻通量隨功率變化的曲線，可以看出LED輻通量會(huì)隨電流增加升高，在電流10 A之前上升趨勢(shì)明顯，10～15 A數(shù)據(jù)段上升緩慢，這與LED的輻射效率有關(guān)。圖17為L(zhǎng)ED輻射效率—功率變化曲線，輻射效率隨結(jié)溫升高而降低，圖中可以看到明顯的下降趨勢(shì)，大電流時(shí)輻射效率的大幅降低會(huì)使LED的輻射通量到達(dá)上升極限。水溫升高對(duì)輻射效率同樣有影響，水溫相差20 ℃，輻射效率最多降低了2.6%。本光源模塊在電流1 A時(shí)可得最高輻射效率41.9%，在最大電流15 A時(shí)輻射效率仍可達(dá)22.9%。

圖16 不同水溫下的輻通量—輸入功率關(guān)系Fig.16 Dependence of radiant flux on input power under variouswater temperature

圖17 不同水溫下的輻射效率—輸入功率關(guān)系Fig.17 Dependence of radiant efficiency on input power with various water temperature

3.5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖18為仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可見芯片結(jié)溫的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，這是由于仿真中對(duì)于輻射效率的設(shè)置依據(jù)了預(yù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更加貼合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性變化。在水溫20 ℃以下，結(jié)溫差值不超過(guò)15 ℃，但是在大電流下溫差達(dá)到20 ℃以上，這是因?yàn)榉抡嬷袑?duì)電路板更細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的簡(jiǎn)化，焊接層存在氣泡的不確定性無(wú)法完美的模擬，仿真中電路板導(dǎo)熱性能相對(duì)較好，可導(dǎo)出熱量比實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的電路板要多，所以大功率狀態(tài)結(jié)溫更低。仿真結(jié)果整體符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了COMSOL熱學(xué)和流體力學(xué)建模的準(zhǔn)確性。

圖18 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，水溫為：(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 結(jié)論

本文完成了全串聯(lián)高功率密度紫外LED光源模塊的設(shè)計(jì)和制備，提供了水冷散熱方案。利用3D軟件和COMSOL軟件建立了水冷散熱系統(tǒng)模型，在20 ℃水溫和15 A電流時(shí)仿真結(jié)溫為120 ℃，最高功率密度可達(dá)643 W/cm2。針對(duì)基板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了散熱性能最佳厚度為5 mm。搭建水冷散熱系統(tǒng)和LED光電熱參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得到在水溫15 ℃時(shí)，光源模塊的最大輸入電功率達(dá)到325.8 W，最大功率密度646.5 W/cm2，此時(shí)利用該水冷散熱器的LED芯片結(jié)溫保持在130 ℃左右。實(shí)驗(yàn)還測(cè)得LED相關(guān)光電特性，結(jié)果表明，隨著結(jié)溫升高，LED光譜紅移、正向電壓減小、發(fā)光效率降低。本文研制的高功率密度UV-LED模塊能夠滿足超大功率應(yīng)用中安全結(jié)溫需要，為光固化設(shè)備開發(fā)提供理論和數(shù)據(jù)支持。另外全串聯(lián)模塊在大電流情況下相比于并聯(lián)模塊電源制造成本降低，進(jìn)一步拓展了紫外光固化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。