基于UVA的固化已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中使用了多年。但是，使用高強(qiáng)度放電(HID)汞蒸氣燈作為UV光源限制了它們適用的應(yīng)用范圍，因?yàn)檫@些燈雖然有效，但卻很大、很脆弱并且啟動很慢。
技術(shù)進(jìn)步讓UV LED作為HID的替代品而興起。LED使用更少的電力、運(yùn)行時溫度較低，并且可以立即在特定的波長和功率周期下運(yùn)行。這些特點(diǎn)正在改變紫外線固化行業(yè)，從提高效率到提供新的解決方案，例如手持式固化應(yīng)用，這是HID燈所不能想象的。
而LED仍然相對低效。 進(jìn)入UVA LED的電力只有大約40%轉(zhuǎn)換成光，其余的60%轉(zhuǎn)換成了廢熱。這種廢熱需要盡快從LED中移除，以防止LED過熱并超過其最高工作溫度。未能消除這種熱量可能會導(dǎo)致光質(zhì)惡化，并最終導(dǎo)致LED故障。
與HID燈不同，LED的表面面積小及相對較低的溫度，這意味著它們可以對流并散發(fā)的熱量可以忽略不計(jì)。去除熱量的唯一方法是將其從芯片的背面導(dǎo)出、通過PCB、到散熱片、再到周圍環(huán)境。為了使LED芯片一直保持在其最優(yōu)工作溫度下，用于PCB的襯底材料需要高熱效率。
氮化鋁存在不足
在UVA應(yīng)用中，模塊襯底傾向于是金屬基板或電子級陶瓷，特別是高性能氮化鋁(AlN)。在功率密度更高的應(yīng)用中，基于環(huán)氧樹脂的MCPCB根本不具備必要的熱性能(<100W/mK，而AlN則是170W/mK)，使得AlN成為首選基板。
然而，氮化鋁也不是完美的。材料本身就比較昂貴，且比較脆弱，對制造商來說很棘手。一般的氮化鋁尺寸為4x4英寸(偶爾7x5英寸)，更大尺寸的通常產(chǎn)率更低，其脆性更強(qiáng)。即使是4x4英寸，產(chǎn)量損失20%也并不罕見。
脆性的另一個問題是將完成的模塊安裝到散熱器上。理想情況下，電路應(yīng)盡可能牢固地連接，以減少電路與散熱器之間的氣隙。如果用力過大，上螺絲將氮化鋁模塊擰到散熱器上時，很容易造成氮化鋁模塊斷裂。
顯然，假如有一種替代材料具有與AlN相當(dāng)?shù)男阅?，并且有MCPCB的機(jī)械性能，那就十分理想了。那個選擇就是納米陶瓷。
納米陶瓷更有優(yōu)勢
Cambridge Nanotherm采用專利的電化學(xué)氧化(ECO)工藝，將鋁板的表面轉(zhuǎn)變成僅有幾十微米厚的氧化鋁(Al2O3)陶瓷薄層。該氧化鋁層用作上面的電路和下面的鋁之間的電介質(zhì)。與氮化鋁相比，該層的薄度不止彌補(bǔ)了氧化鋁相對較低的熱效率，并且非常有效地傳導(dǎo)熱量。
電化學(xué)氧化工藝的下一個步驟是薄膜處理，將銅電路層直接噴到納米陶瓷電介質(zhì)，以進(jìn)一步提高熱效率。Nanotherm DMS(AlN的直接替代品，用于UV模塊)具有152 W/mK的復(fù)合散熱性能，稍低于高等級的AlN，除了最苛刻的UVA應(yīng)用之外，能滿足所有其他應(yīng)用。
因?yàn)榧{米陶瓷本質(zhì)上是鋁PCB，所以與標(biāo)準(zhǔn)的MCPCB相同，可以用機(jī)械方法處理，不會因?yàn)榇嘈远挟a(chǎn)量損失，而且可以用螺絲固定在散熱器上，不會有任何破損的風(fēng)險。因此，納米陶瓷提供了兩全其美的結(jié)果：既有AlN的熱性能，也有鋁MCPCB的魯棒性。
不僅僅是UVA
UVA并不是納米陶瓷唯一可以發(fā)揮其獨(dú)特性能的領(lǐng)域。它也可用于UVC。UVC輻射的獨(dú)特殺菌特性讓納米陶瓷能通過破壞細(xì)菌DNA防止繁殖而殺死細(xì)菌，這使UVC成為殺菌的理想選擇。
典型的紫外線汞蒸氣燈
與UVA一樣，HID燈雖然沒有任何熒光粉涂層，但一直用于UVC。水銀燈對于大規(guī)模的應(yīng)用，如市政用水消毒，是非常有效的。在這些應(yīng)用中，如果燈受到損壞，在汞可能造成危害之前，可以對有毒的燈泡進(jìn)行嚴(yán)格的控制和快速更換。HID燈與UVA市場一樣，限制了可能應(yīng)用的范圍。
現(xiàn)在，LED技術(shù)正在為小型便攜式消毒設(shè)備創(chuàng)造一個全新的市場，這要?dú)w功于LED的尺寸小巧、堅(jiān)固耐用、功耗低。像便攜式消毒“魔杖”這樣的產(chǎn)品即將上市，消費(fèi)者可以對智能手機(jī)、平板電腦和鍵盤等日常用品進(jìn)行消毒。連接在供水管道上的水消毒裝置也可以對地下水等進(jìn)行消毒。
而且，消費(fèi)品制造商現(xiàn)在可以將 UVC LED技術(shù)嵌入到他們的產(chǎn)品中，將其變成“自我消毒”的物品。例如，牙刷可以在放回牙架后自行消毒，嬰兒奶瓶可以自行消毒，瓶子可以通過按鈕消毒里面的水。諸如此類的應(yīng)用實(shí)際上有無限可能，這也許會對公共健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
UVC行業(yè)的增長潛力是巨大的，根據(jù)LEDinside預(yù)測從2018年以后會飛速增長。但是，UVC LED的熱量挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于UVA，這也是這個行業(yè)需要面臨的挑戰(zhàn)。
進(jìn)入UVC LED的功率大約95%被轉(zhuǎn)換成熱量，意味著只有5%的功率被轉(zhuǎn)換成有用的光，這是由于UVC在短波長作業(yè)。UVA在380nm作業(yè)，而UVC消毒設(shè)備在260nm的波長下作業(yè)。挑戰(zhàn)在于，隨著波長變短，LED的外部量子效率(EQE)就會降低。在380nm波長(UVA)下，EQE最好是40%。達(dá)到260nm(UVC)時，EQE下降到百分之幾，這意味著對于UVC LED來說，進(jìn)入LED的功率大約95%被轉(zhuǎn)換成廢熱，需要快速去除。
為了減少外部量子效率(EQE)，所有這些領(lǐng)域都有重大的進(jìn)展，包括使用大塊AlN晶片作為外延工藝的基礎(chǔ)，因?yàn)樗哂休^低的缺陷密度，這增加了內(nèi)部量子效應(yīng)。Bulk AlN也可以透射低于280nm的光線，有可能開創(chuàng)新的應(yīng)用。圍繞量子隧穿的項(xiàng)目正在探索減少電阻的方法，提高電子效率以改善電子注入效率，同時使用不同的芯片幾何形狀來改善光提取效率。
目前的事實(shí)是較短波長的紫外線應(yīng)用效率非常低，并產(chǎn)生了大量的熱量。為了獲得合適的輸出，需要輸入大量的電力。這會產(chǎn)生多余的熱量，需要從LED中去除，以保持連接點(diǎn)處于其最高工作溫度下。
對于UVC LED來說，AlN傳統(tǒng)上是唯一的選擇。MCPCB不具備所需的熱性能，并且由于具有用于形成介電層的有機(jī)環(huán)氧樹脂，它們會被UVC光降解。納米陶瓷是目前最完美的選擇：熱效率高、耐用、無機(jī)且符合成本效益。如果熱管理問題可以解決，則應(yīng)用的可能將是巨大的。
熱管理LED：UV成功的關(guān)鍵
LED技術(shù)正在對UV產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著制造商轉(zhuǎn)向LED，印刷行業(yè)的成本下降，效率也在提高。UVC LED應(yīng)用正在給消毒和滅菌帶來革命。然而，在熱問題得到處理之前，熱管理仍然是一個核心問題。然而有一點(diǎn)是確定的，納米陶瓷的獨(dú)特品質(zhì)對于將UVC殺菌帶入日常生活具有重要意義。
基于LED的UV固化正在革新印刷行業(yè)
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