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光固化涂料有效改善了大功率LED模组的散热性能

2016年4月15日  |  中国家用电器网  http://homea.chinairn.com |打印】【关闭

中研普华报道

随着半导体照明技术的快速发展,发光二极管(LED)凭借体积小、寿命长、可靠性高、亮度可调等优点,由其制成的光源、灯具和照明器具产品逐渐进入各种可见光照明和紫外辐照应用领域。随着人们对照明应用要求的变化和高光通量和高辐通量应用需求的增加,大功率LED的需求不断增长,且具体要求也在不断变化。而在工业领域如紫外固化、光化学合成和光生物改性等,应用的紫外光源的功率要求甚至达到了千瓦级以上(1~20kW)。

1、紫外固化技术

紫外光固化是指用紫外线(UV)照射有机涂层,使其产生辐射聚合、辐射交联和辐射接枝等反应,将低相对分子质量的物质转变成高相对分子质量产物的化学过程。由于该固化反应中不需要加热,反应体系中也基本不含有溶剂或只含有极少量的溶剂,且经过辐照后液膜几乎100%固化,因此反应引起的挥发性有机化合物(VOC)排放量非常低,基本上不会污染环境,是一种绿色环保的固化技术。

光固化技术还具有许多卓越的优点

反应速度非常快,固化所需时间仅有几秒至几十秒,能够有效地提高生产率;

固化温度很低,不需要额外加热,在室温下就可以实现固化,比热固化节能约90%,适用于不宜高温固化的材料;

固化产品性能优良,耐腐蚀、耐磨损、强度高、抗冲击;

固化成本低,产量高,产品性价比好。

所以光固化是一种高效、高品质、节能环保的技术。

长期以来,光固化技术在国际上获得飞速发展,其产品在许多行业都得到广泛应用,包括光固化涂料、光固化油墨、光固化胶粘剂、光固化保护套、光刻胶、激光三维成像、三维造型等。随着全球对环保的日益重视,美国、德国、日本、意大利等许多国家已通过立法来限制VOC排放量高的传统涂料的使用,UV涂料等环保新材料已逐步取代传统产品。

近年来,紫外固化技术在地坪涂料中的应用得到了越来越多的关注和推广,在欧美市场已取得了商业化的突破。地坪要求具有一定的强度和刚度,并且根据不同场所有不同的性能要求,例如防潮、防水、保暖、耐磨、耐腐蚀等。传统的地坪涂料都采用化学方法,使涂料在自然条件下固化,一层涂料通常需要2~6h的干燥时间,完全固化则需要24h。而在一般地坪涂料的施工过程中,需要进行多次打磨→涂漆→固化的过程,因此施工期限长,人力成本高。而紫外固化技术能使涂料在数秒至数十秒内深层固化,大大缩短了工期,节约了成本。而且紫外涂层固化后表面具有非常良好的性能,完全能够满足各种场合对地坪的要求。

2、紫外光源

紫外光源作为光固化反应中必不可少的重要构成之一,也有着巨大的需求量。根据统计,在印刷行业中,1998年全球安装的紫外光源固化装置为4.2万套,而到2007年已达到了8.5万套,增长了一倍以上。目前紫外固化技术在地坪涂料的应用中还处于初期阶段,随着行业技术的不断发展和成熟,对于紫外固化设备的需求也必然大幅增加。

当前市场上供应的紫外光源产品有多种不同类型,包括气体放电灯如普通中高压汞灯、微波中压汞灯(无极灯)、脉冲氙灯等,以及紫外LED光源,分别应用于不同的行业。根据灯功率、辐射效率、光谱分布、价格成本等因素考量,这些类型的光源在紫外固化应用中各有其优势和缺点。

几种常用紫外光源的光谱,包括低压汞灯、UV荧光灯、中高压汞灯、氙灯、准分子灯以及UVLED等,不同光源发出的紫外光谱存在很大的差异。在紫外固化反应中必须要使用光引发剂,光引发剂吸收一定波长的能量,产生自由基、阳离子等,从而引发单体聚合交联固化的反应。但是不同光引发剂对光子波长的响应范围不同,因此在设计地坪涂料紫外固化的施工方案时,必须确保紫外光源与光引发剂的匹配。

从低压汞灯的光谱中可以看到灯发出的主要是位于254nm的线光谱,另外还有少量297、313和365nm的紫外辐射。这是一种高效的紫外光源,通常其254nm辐射效率可达50%以上,而且放电设备相对简单可靠,在杀菌、紫外固化、环境污染治理等方面都有着广泛的应用。图1(a)中的另一条谱线是UV荧光灯的光谱,该灯实际上就是低压汞灯灯管内表面涂覆紫外荧光粉,254nm紫外辐射激发荧光粉后,在350nm附近产生较宽的带光谱,同时与透射出的低压汞灯其他辐射谱线叠加而成。其放电原理与低压汞灯一致,但荧光粉的转换效率<60%,导致部分辐射能量的损失,且紫外荧光粉的衰减很快。尽管低气压放电灯的紫外效率较高,但是单灯功率小,功率密度低,因此很难满足大功率应用的需求。

目前中高压汞灯是最常用的大功率紫外光源,光谱如图1(b)所示,其功率密度能达到5~25kW/m,辐射强度很大,而且光谱范围非常宽,覆盖了紫外到可见区域。但是固化反应中的光敏剂对不同波长光的吸收响应不同,有些光敏剂对辐射光有较强的选择性,只有特定波长范围内的辐射光才能使反应有效进行,其他的辐射是无效的。因此这种宽光谱类型的光源,在实际的应用中存在辐射能量的浪费。

微波中压汞灯与普通中高压汞灯类似,具有很高的功率密度,辐射强度大,光谱也相似,且比普通汞灯的启动时间短,但也存在与普通汞灯相类似的问题。而且由于采用微波驱动的方式,微波汞灯的尺寸受到一定的限制。

脉冲氙灯也是比较常用的紫外固化光源,其总体辐射强度较大,输出热量较低,能够形成高脉冲的辐射。氙灯的辐射能量主要集中在可见和红外区域,紫外辐射占总辐射的比例很小,因此用于紫外固化的效率是相对比较低的。

准分子光源最大的特点是能够产生高强度的窄带光谱辐射,发出的紫外波长宽度仅有几个nm,因此非常适合用于波长选择性强的应用。但是准分子灯的辐射效率比汞灯要低,而且价格非常昂贵,成为制约其应用的主要原因。

伴随着十多年来半导体技术的快速发展,固态紫外光源即紫外LED光源成为了紫外固化光源的新贵。众所周知,LED具有能效高、寿命长、节能环保、使用灵活方便的特点,在可见照明领域,LED光源和灯具逐渐成为主流照明产品,正逐步取代从小功率到大功率的传统照明光源。随着紫外LED芯片的辐射效率提升和价格下降,紫外LED光源实现了在365nm以上UVA应用领域的开拓,为特种紫外光源的研究和开发开启了新的方向,有望逐步替代现有的汞灯等传统气体放电光源。图1(d)是不同芯片的UV-LED光谱,可以看到目前UV-LED在365nm以上有多种不同的中心波长可以选择,因而可以满足光引发剂的使用要求。根据Anyaogu等人对氙(Xe)灯系统、汞灯系统以及紫外LED光源固化木质涂层、PC涂层等反应中的结果比较,紫外LED基本能够达到与传统气体放电光源相同的效果,固化后涂层的特性能满足要求。

列举并比较了几种紫外光源的效率、功率密度等参数。从表1中可以明确看出,UV-LED的整个系统能效具有无可比拟的竞争优势,其系统能效是中高压汞灯的4~5倍,而且是可以满足大功率应用要求的。

相比于目前以气体放电灯作为紫外光源的固化装置,紫外LED固化系统的独特优点有:

1、LED光谱范围窄,有效波长辐射效率高。紫外LED发出的光谱比较窄,半宽仅有十几个nm,光谱能量集中。而近年来紫外LED芯片技术取得了长足的进步,目前主波长365nm以上的LED芯片发光效率可达40%以上。汞灯等光源尽管总辐射效率比较高,但是由于其光谱组成非常复杂,涵盖紫外到可见区域,所以有效的紫外波段辐射效率相对较低。因此,只要满足UV-LED的辐射中心波长与涂料中光引发剂的响应波长的匹配性,那么紫外LED灯具的辐射利用效率就更高。

2、结构紧凑,单位面积的辐射功率(即功率密度)大。在对地坪涂料进行快速固化的过程中,固化反应对紫外辐射的功率密度有较高的要求,采用的紫外光源的功率达到了千瓦级以上。而LED体积小,结构紧凑,芯片集成封装制成的灯具可以实现很高的功率密度,能够得到较强的辐照度,而且整个系统装置能够制作得比较轻巧便捷,便于施工操作。

3、单面出光,系统效率高。中高压汞灯等气体放电光源是向全空间发射紫外光的,因此在实际应用中为了提高效率,固化反应系统中通常配有反射罩,灯具效率只有约60%,造成较大的辐射损失。而LED是半空间出光的,紫外辐射的方向性较好,灯具效率可达90%。

4、使用寿命长,可即开即关。长寿命是LED的主要优点之一。传统的气体放电灯使用寿命一般只有1000~4000h,而紫外LED的使用寿命可以达到20000~30000h。此外,汞灯等气体放电光源启动较慢,灯从启动到稳定工作需要0.5~1h,且寿命受电极影响很大,频繁开关灯会严重影响电极性能从而大大缩短灯的寿命,所以这些灯在使用过程中必须持续燃点,能耗大。而LED的寿命与开关次数没有明显关联,又能够实现瞬时启动,所以可以仅在需要进行紫外辐射时点灯,其实际使用寿命远远超过气体放电灯的寿命。另外,紫外LED灯具这种即开即关的特点也能够避免不必要的电力消耗,更加符合节能环保的要求。

5、无热辐射,安全性更高。汞灯等气体放电光源除了产生紫外辐射等以外,放电过程中还会形成大量的可见和近红外热量损耗。为了维持灯内放电物质的蒸气压,因此光源的表面温度非常高(放电管表面温度达700~900℃)。在地坪施工尤其是室内环境施工过程中,可能会产生一些挥发性的易燃易爆气体,遇到汞灯等光源的高温照射,容易引起燃烧或爆炸等安全事故。而LED是一种“冷光源”,其发出的光中不含红外辐射,且LED芯片产生的热量通过散热结构设计从背面基板导出并采用合理的制冷设施冷却散热,因此光源表面温度低,也不会在被照射表面产生热量积聚,能够避免此类事故的发生。

3、紫外光源与光引发剂的匹配

目前为止,高辐射效率的UV-LED发出的中心波长都在365nm以上,因此在选择与UV-LED固化系统匹配的涂料配方时,必须要选用在长波处具有较大吸收光谱的光引发剂。而采用汞灯作为紫外光源的固化系统中,最常用的是光引发剂1173(2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮)。该光引发剂的吸收光谱在短波300nm左右有很大的吸收峰,但是在长波380nm附近吸收率很低,因此,该种光引发剂并不适用于UV-LED固化系统。使用UV-LED固化系统应该选择吸收光谱较长的光引发剂,如光引发剂819苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦等。

可以用“有效紫外利用效率”来评价固化系统中光源与光引发剂的匹配性。该参数综合考量了紫外光源的辐射效率以及光引发剂的吸收谱,而没有考虑光源的实际功率,有助于对应用体系的整体效率进行客观评价,不仅可用于紫外固化系统,也可以用于其他紫外应用。

以UV耐污地坪消光面漆为例,其参考配方如表2所示。配方中采用了光引发剂1173,与中压汞灯相配合,能达到较好的固化效果,其有效紫外利用效率为0.058,而中心波长为380nm的UV-LED与该光引发剂的有效紫外利用效率仅为0.014,只有中压汞灯的1/4。而如果采用光引发剂819,则配合UV-LED的有效紫外利用效率可达1.118,远大于配合中压汞灯的0.226。因此光引发剂819与UV-LED的匹配性更好。

当然,光引发剂在紫外固化反应中的效率对于整体效率的评价也会造成影响,但有效紫外利用效率的提出,为紫外光源与光引发剂的方案选择提供了参考依据。而不同光引发剂之间的比较,需要对各种光引发剂的吸收谱进行更加定量地测定,这还有待进一步的研究工作。

4、高效大功率紫外LED光固化系统

为了满足光固化工业应用对大功率紫外光源的照明需求,针对现有的大功率LED封装技术难点,我们研究开发了千瓦级以上的大功率紫外LED光固化系统。该LED固化系统采用铜板与氮化铝板的三明治封装结构,直接以铜板作为电极连接,AlN板作为绝缘导热板,实现了高功率密度的封装结构。

采用铜板电极代替薄膜电路板连接,可以将LED模组的电流负载能力提高10倍以上,解决了印刷电路板薄膜的限流问题,增大了LED模组的驱动电流,将单位面积的封装功率提高到20~500W/cm2。在大功率集成封装中,为LED芯片的串并联组合提供了更多的选择,能够更为合理地设计灯具的电压和电流等参数,降低了对驱动电源的设计要求。

AlN板作为铜板正负电极之间、铜板电极与散热器之间的绝缘层,既能达到良好的绝缘效果,又能够确保芯片热量的高效导出,从而改善LED模组的散热特性。而且AlN板表面无需镀金属膜,制作工艺简单,能够有效提高成品率,降低制造成本。

另外,LED模组封装中采用自制的高效导热胶作为粘结材料。该导热胶的导热系数可达120W/(m·K)以上,确保了芯片与基板、铜板与AlN板之间的热传导,降低了封装结构的内部热阻,进一步优化了LED模组的散热性能。

自主研发的一款地坪涂料LED紫外固化系统和光源模组的照片。这种移动式的紫外固化系统的输入功率密度达到200W/cm2,总功率14kW,结构小巧,操作方便,施工简单,能很好地应用于各种不同的地坪固化处理。

5、结语

紫外固化作为一种高效环保的绿色技术,近年来得到快速地发展和推广。尤其随着我国经济的增长,紫外固化应用存在着巨大的市场潜力。在这种发展趋势下,急需开发大功率紫外LED光固化系统以满足应用的需求。针对大功率LED模组封装中存在的技术难点,已发明了采用铜板与AlN板的三明治封装结构,有效改善了大功率LED模组的散热性能,提高了模组的载流能力,并设计研发出了千瓦级以上的紫外LED光固化系统。

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