UVC LED應用遭遇熱管理挑戰,一英國企業研發出對策

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主要用於為醫療儀器、水和其他日常消費品消毒。
 
UVC技術起源於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年用於飲用水消毒。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1,500家工廠。
 
除水處理外,UVC用於一系列應用中,包括清潔醫療設備和醫院室,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,以及使用危險汞意味著它們不適合更可攜的及環境友好型的應用。
 
近年來,LED製造商開發出越來越有效的UVC LED。雖然不如UVA LED(用於固化油墨和油漆)那麼有效,但它們可用於低功率應用。
 
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為可攜式、消費友好型的UVC應用中創造了市場。例如,消費者將會購買可攜式消毒「魔杖」,它們可以用來消毒日常用品,如智慧手機、平板電腦或鍵盤。
 
消費品製造商能夠將LED UVC技術嵌入到產品中進行自我消毒。例如,牙刷用完後放回到架子上,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,UVC的一些更深入的應用才是令人關注的。可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,甚至醫院(UVC已在醫院使用多年)都可以受益。在全球範圍內,每年超過70萬患者住院時受到感染,75,000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
 
該技術還處於起步階段,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具有特別低的外部量子效率(EQE)—它們只將大約5%的功率輸入轉換成光。剩餘95%的功率被轉換成熱量,熱量必須要快速去除,以保持LED晶片低於其最大工作溫度。假如沒有及時將LED晶片冷卻,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,製造商需要考慮新的方法來應對這一挑戰。現在,問題仍然是如何處理UV LED的高熱需求,同時確保元件保持成本效益、耐用、能耐紫外線光源本身的磨損。
 
由於UV LED太小,大量的熱量無法從其表面擴散,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晶片導出,通過模組PCB,到達散熱片,然後釋放到大氣中。
 
熱量也是PCB的問題
 
安裝LED的PCB必須具有高導熱性,對於可見光LED通常是金屬基印刷電路板(MCPCB)。但是,這些不適用於UVC應用。MCPCB由一塊金屬(通常為鋁或銅)製成,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。
 
基於環氧電介質的MCPCB可用於可見光應用,但UV(尤其是UVC)會降解有機物質,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,並且容易損壞,這意味著它們不容易用螺絲安裝,並且不適合於更廣泛的應用。
 
替代方案是具有濺射電路層的奈米陶瓷。這提供150 W/mK以上的熱導率,並且在所需的熱範圍內。
 
英國Cambridge Nanotherm使用專利的電化學氧化(ECO)技術,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。由於ECO技術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技術,直接將銅電路層附到奈米陶瓷電介質上,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,所以紫外線沒有什麼可以降解。
 
這種方法可以生產出與氮化鋁(AlN)相當熱性能的MCPCB,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,但是製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:LEDinside James。首圖來源:Barney Livingston-Cyanotype Experiment via Flickr CC2.0)
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