UVC LED應用遭遇熱管理挑戰 英國公司研發出對策破行業難題

文章來源:恒光電器

發布時間:2017-09-12

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英國Cambridge Nanotherm公司的John Cafferkey認為，以前有句話說“產生的熱量要比光更多”，現在這句話也總結了UVC LED這個日益增長的市場面臨的“熱量挑戰”。目前，UVC LED主要用于為醫療儀器、水和其他日常消費品消毒。

UVC技術起源于20世紀初，那時水銀燈首次進行批量生產。

紫外線發射燈在1910年用于飲用水消毒。但是，那家原型廠因被證明是不太可靠的，因此遭到關閉。

在20世紀50年代，新的UVC水處理系統被試用，到20世紀80年代中期，歐洲共有約1500家工廠。

除水處理外，UVC用于一系列應用中，包括清潔醫療設備和醫院室，設計，為空調系統消毒以防止病原體擴散等。

雖然水銀蒸氣燈在這些大型應用中非常有效，但是燈泡很脆弱，建筑照明，以及使用危險汞意味著它們不適合更便攜的及環境友好型的應用。

近年來，LED制造商開發出越來越有效的UVC LED。雖然不如UVA LED（用于固化油墨和油漆）那么有效，但它們可用于低功率應用。

因此，行業分析師認為接下來幾年UVC LED將會迅速發展。這種繁榮的基礎是UVC LED為便攜式、消費友好型的UVC應用中創造了市場。例如，消費者將會購買便攜式消毒“魔杖”，它們可以用來消毒日常用品，如智能手機、平板電腦或鍵盤。

消費品制造商能夠將LED UVC技術嵌入到產品中進行自我消毒。例如，牙刷用完后放回到架子上，可以進行自動消毒；可以按下按鈕，嬰兒奶瓶就可以進行自動滅菌；當使用時，水龍頭可以對水進行滅菌。這些可能性是無止境的。

拯救生命的潛力

但是，LED射燈，UVC的一些更深入的應用才是令人關注的。便攜式滅菌瓶可以改善發展中國家向其公民提供清潔飲水的方式，需要飲用時，就可以對水進行消毒。這在一些地區尤其有價值，比如沒有集中式水消毒基礎設施的地區，或者可以迅速提供安全用水的災區。

除了新的應用之外，口碑，甚至醫院（UVC已在醫院使用多年）都可以受益。在全球范圍內，商業照明燈具，每年超過70萬患者住院時受到感染，技術資訊，恒光電器，75000人死亡。UVC技術可以嵌入醫療器械中，如聽診器和解剖刀，可以在幾秒鐘內消毒。

UVC LED有潛力將UVC的消毒能力帶入大眾市場，可能對公共衛生產生重大影響。

熱挑戰

該技術還處于起步階段，其中一個挑戰是UVC LED的熱管理。像任何電子元件一樣，LED對熱敏感。

UVC LED具有特別低的外量子效率（EQE）- 它們只將大約5％的功率輸入轉換成光。剩余95％的功率被轉換成熱量，熱量必須要快速去除，以保持LED芯片低于其最大工作溫度。假如沒有及時將LED芯片冷卻，將最終縮短其使用壽命，甚至不能使用。

隨著UVC LED越來越強大，制造商需要考慮新的方法來應對這一挑戰�，F在，問題仍然是如何處理UV LED的高熱需求，同時確保組件保持成本效益、耐用、能耐紫外線光源本身的磨損。

由于UV LED太小，大量的熱量無法從其表面擴散，超市照明，所以有效讓熱量排放的唯一途徑是通過LED背面。熱量必須從LED芯片導出，通過模塊PCB，到達散熱片，然后釋放到大氣中。

熱量也是PCB的問題

安裝LED的PCB必須具有高導熱性，對于可見光LED通常是金屬基印刷電路板（MCPCB）。但是，這些不適用于UVC應用。MCPCB由一塊金屬（通常為鋁或銅）制成， led亮化工程公司，上面的銅電路層附有一層電介質層，由導電但電絕緣的環氧樹脂組成。

基于環氧電介質的MCPCB可用于可見光應用，但UV（尤其是UVC）會降解有機物質， led室內照明，如環氧樹脂，進而顯著降低了UV應用中MCPCB的壽命。唯一可行的替代方案是使用電子級陶瓷。

其中，氮化鋁（AIN）具有優異的導熱性（140W/mK-170W/ mK），但很昂貴。氧化鋁（Al2O3）是更具成本效益的替代品，但沒有提供UV LED所需的熱導率(20W/mK-30W/mK)。同時，這兩者都很脆弱，并且容易損壞，家用照明，這意味著它們不容易用螺絲安裝，并且不適合于更強大的應用。

替代方案是具有濺射電路層的納米陶瓷。這提供150 W/mK以上的熱導率，LED-T5一體化燈管，并且在所需的熱范圍內。

英國Cambridge Nanotherm使用專利的電化學氧化（ECO）工藝，使用這種方法將鋁板的表面轉變成幾十微米薄的氧化鋁（Al2O3）陶瓷。

氧化鋁（Al2O3）陶瓷層作為上面的電路和下面的鋁之間的電介質。由于ECO工藝生產的氧化鋁陶瓷層非常薄，因此熱量可以很容易地通過，使其具有很好的導熱性。

該薄膜處理或濺射步驟遵循ECO工藝，直接將銅電路層附到納米陶瓷電介質上，建筑照明，以進一步提高熱效率。因為在任何階段都沒有使用有機環氧樹脂，裝修照明，所以紫外線沒有什么可以降解。

這種方法可以生產出與氮化鋁（AlN）相當熱性能的MCPCB，質量，但沒有任何與生產或脆性相關的問題。

由LED實現的UVC消毒技術可以帶來真正的變革效果，但是制造商和設計人員需要確保能夠克服UV LED所面臨的熱挑戰。（編譯：LED網 James）

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