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英国公司研发UVC LED应用遭遇热管理挑战对策 破行业难题

发布时间: 2017-09-14 10:30     来源: LEDinside

英国Cambridge Nanotherm公司的John Cafferkey认为,以前有句话说“产生的热量要比光更多”,现在这句话也总结了UVCLED这个日益增长的市场面临的“热量挑战”。目前,UVC LED主要用于为医疗仪器、水和其他日常消费品消毒。

UVC技术起源于20世纪初,那时水银灯首次进行批量生产。

紫外线发射灯在1910年用于饮用水消毒。但是,那家原型厂因被证明是不太可靠的,因此遭到关闭。

在20世纪50年代,新的UVC水处理系统被试用,到20世纪80年代中期,欧洲共有约1500家工厂。

除水处理外,UVC用于一系列应用中,包括清洁医疗设备和医院室,为空调系统消毒以防止病原体扩散等。

虽然水银蒸气灯在这些大型应用中非常有效,但是灯泡很脆弱,以及使用危险汞意味着它们不适合更便携的及环境友好型的应用。

近年来,LED制造商开发出越来越有效的UVC LED。虽然不如UVA LED(用于固化油墨和油漆)那么有效,但它们可用于低功率应用。

因此,行业分析师认为接下来几年UVC LED将会迅速发展。这种繁荣的基础是UVC LED为便携式、消费友好型的UVC应用中创造了市场。例如,消费者将会购买便携式消毒“魔杖”,它们可以用来消毒日常用品,如智能手机、平板电脑或键盘。

消费品制造商能够将LED UVC技术嵌入到产品中进行自我消毒。例如,牙刷用完后放回到架子上,可以进行自动消毒;可以按下按钮,婴儿奶瓶就可以进行自动灭菌;当使用时,水龙头可以对水进行灭菌。这些可能性是无止境的。

拯救生命的潜力

但是,UVC的一些更深入的应用才是令人关注的。便携式灭菌瓶可以改善发展中国家向其公民提供清洁饮水的方式,需要饮用时,就可以对水进行消毒。这在一些地区尤其有价值,比如没有集中式水消毒基础设施的地区,或者可以迅速提供安全用水的灾区。

除了新的应用之外,甚至医院(UVC已在医院使用多年)都可以受益。在全球范围内,每年超过70万患者住院时受到感染,75000人死亡。UVC技术可以嵌入医疗器械中,如听诊器和解剖刀,可以在几秒钟内消毒。

UVC LED有潜力将UVC的消毒能力带入大众市场,可能对公共卫生产生重大影响。

热挑战

该技术还处于起步阶段,其中一个挑战是UVC LED的热管理。像任何电子元件一样,LED对热敏感。

UVC LED具有特别低的外量子效率(EQE)- 它们只将大约5%的功率输入转换成光。剩余95%的功率被转换成热量,热量必须要快速去除,以保持LED芯片低于其最大工作温度。假如没有及时将LED芯片冷却,将最终缩短其使用寿命,甚至不能使用。

随着UVC LED越来越强大,制造商需要考虑新的方法来应对这一挑战。现在,问题仍然是如何处理UV LED的高热需求,同时确保组件保持成本效益、耐用、能耐紫外线光源本身的磨损。

由于UV LED太小,大量的热量无法从其表面扩散,所以有效让热量排放的唯一途径是通过LED背面。热量必须从LED芯片导出,通过模块PCB,到达散热片,然后释放到大气中。

热量也是PCB的问题

安装LED的PCB必须具有高导热性,对于可见光LED通常是金属基印刷电路板(MCPCB)。但是,这些不适用于UVC应用。MCPCB由一块金属(通常为铝或铜)制成,上面的铜电路层附有一层电介质层,由导电但电绝缘的环氧树脂组成。

基于环氧电介质的MCPCB可用于可见光应用,但UV(尤其是UVC)会降解有机物质,如环氧树脂,进而显著降低了UV应用中MCPCB的寿命。唯一可行的替代方案是使用电子级陶瓷。

其中,氮化铝(AIN)具有优异的导热性(140W/mK-170W/ mK),但很昂贵。氧化铝(Al2O3)是更具成本效益的替代品,但没有提供UV LED所需的热导率(20W/mK-30W/mK)。同时,这两者都很脆弱,并且容易损坏,这意味着它们不容易用螺丝安装,并且不适合于更强大的应用。

替代方案是具有溅射电路层的纳米陶瓷。这提供150 W/mK以上的热导率,并且在所需的热范围内。

英国Cambridge Nanotherm使用专利的电化学氧化(ECO)工艺,使用这种方法将铝板的表面转变成几十微米薄的氧化铝(Al2O3)陶瓷。

氧化铝(Al2O3)陶瓷层作为上面的电路和下面的铝之间的电介质。由于ECO工艺生产的氧化铝陶瓷层非常薄,因此热量可以很容易地通过,使其具有很好的导热性。

该薄膜处理或溅射步骤遵循ECO工艺,直接将铜电路层附到纳米陶瓷电介质上,以进一步提高热效率。因为在任何阶段都没有使用有机环氧树脂,所以紫外线没有什么可以降解。

这种方法可以生产出与氮化铝(AlN)相当热性能的MCPCB,但没有任何与生产或脆性相关的问题。

由LED实现的UVC消毒技术可以带来真正的变革效果,但是制造商和设计人员需要确保能够克服UV LED所面临的热挑战。

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