​UVLED光源散热技术：现状、优化与展望

近年来，UV-LED发展迅猛，系统功率持续攀升，然而散热问题却如影随形，成为制约其进一步发展的关键因素。芯片结温一旦升高，UV-LED的性能便会大打折扣。因此，要确保UV-LED系统在大功率运行时仍能保持优良特性，加强芯片散热工作刻不容缓。 在UV-LED散热领域，散热器扮演着至关重要的角色，本文将重点探讨UV-LED散热器的相关内容，将其划分为传统散热器和新型散热器。传统散热器涵盖风冷散热器和液冷散热器，新型散热器则包括液态金属散热、TEC热电制冷等。最后，还会对这些散热方法的优缺点进行对比总结，介绍散热器的优化途径，并对它们在UV-LED散热方面的应用前景展开分析。 散热器的选择策略 应用于UV-LED系统的散热器主要有风冷、液冷和新型散热器这几种类型。不同能量级别的UV对散热器的要求各异。早期，风冷散热器仅适用于输出功率较低的紫外线应用场景，但近年来，风冷技术取得了显著进步，能够在不损害芯片寿命和可靠性的前提下，实现更高功率的空气冷却。 相较于空气，液体作为散热介质更具优势，它能使UV-LED系统获得更低的结温，从而提高系统效率、延长使用寿命并增强可靠性。正因如此，液冷成为一种极为有效的散热方式，尤其适用于固化区域较大且需要高功率密度UV-LED的场合。常见的风冷散热器类型包括翅片式和热管式，液冷散热器则有主动循环冷板式和微通道式等。 UV-LED风冷散热器剖析 翅片式强迫对流 在翅片式强迫对流散热器中，翅片是影响散热效果的关键因素，其形状结构备受关注，当前板翅式和针翅式结构较为常见。江苏大学团队针对总热功率为 1200W 的 400 颗UV - LED芯片展开研究，在满足生产要求的前提下，确定了最佳散热参数。还有学者从增加换热面积和提升散热效率的角度出发，对特定结构的针翅式散热结构进行研究，发现其能显著降低芯片结温。进一步对比研究表明，针翅式散热器与空气的接触面更大，气体充填和散热性能更优，并且在优化和试验后，模拟数据与试验数据相符。不过，针翅式散热器翅片密集，加工难度大，易堵塞且清洗困难。

热管式强迫对流 热管是一种高效的热传导装置，主要依靠相变传热，本身虽无冷却功能，但却是出色的导热体。U型热管外部通常分布有翅片，这不仅满足了紫外光固化系统小型化和便捷性的需求，还确保了散热表面温度的均匀性。

众多学者通过模拟与试验相结合的方法展开研究。研究热管风冷翅片的散热性能，设计了大功率UV-LED 印刷灯，结果显示试验结果与仿真结果基本一致。此外，还有学者针对特定功率的UV-LED固化灯进行研究，验证了模拟结果的准确性。而且，瞬态性能对于评估热管风冷散热器结构的可靠性意义重大，相关研究表明热源距离对响应速度有影响。 UV-LED液冷散热器解析 主动循环冷板式 液冷散热器借助水泵驱动液体流动来带走热量，通常以水为冷却剂。由于水的导热系数和比热容相比空气具有明显优势，能够有效吸收UV-LED芯片产生的热量，因此液冷散热器可应用于紧凑型UV-LED装置且周围空间有限的固化区等多种场合。 在液冷研究中，冷板的水冷却通道设计是重点。冷却通道的结构会改变水的流动路径、范围以及湍流程度，进而影响对流换热系数和散热效果。学者们通过设计不同结构的水冷板散热模型进行对比研究，发现U型水道等复杂结构的散热效果优于直线型简单结构。还有学者采用折流板并联冷却通道等特殊设计，进一步提升了散热效率，满足了设计要求。 微通道冷却式 微通道冷却系统由众多相互连接的狭小通道构成，这种特殊结构能显著增强对流换热效果，具有体积小、散热效率高且结构紧凑等优点。不过，微通道在UV-LED系统中的应用尚不广泛，其通道结构设计、加工工艺和制造材料等方面存在诸多问题，导致在实际应用中面临一定的挑战。例如，有学者在小面积上实现了高功率密度UV-LED模组，微通道结构增加了热传导面积，但这种设计在实际推广中仍有困难。 新型散热器探索 除了传统的风冷和液冷散热器，为满足UV-LED系统的散热需求，新型散热器应运而生，如热电制冷和液态金属冷却等。 在热电制冷散热过程中，半导体制冷片（TEC）主要充当散热载体。TEC 结构紧凑，但热通量较低，一般适用于低功耗的 UV 系统散热，常需结合其他散热方式来排出热量。相关研究表明，通过对UV-C LED 的热电制冷装置进行适当的控制研究，可提高LED的使用寿命。还有学者将深紫外LED芯片及电路集成在 TEC 器件上，实验发现不同输入电流下，与未加 TEC 时相比，结温下降明显。此外，将半导体制冷模块与翅片强制对流散热相结合的方案，在温度控制方面表现出良好的性能。 由于水的低热导率限制了其对流换热能力，研究人员积极探索更高效的冷却剂。液态金属散热成为研究热点，比如利用镓作为冷却介质的液态金属散热系统。镓具有高导热率、强导电性和良好流动性等优点，在高功率密度下表现出出色的散热性能，有望解决大功率UV-LED的散热难题。 此外，还有新研发的DAC（金刚石 - 铜）散热器，它采用复合电镀技术，用于蓝宝石UV-LED 杯形片。在特定工作电流下，使用 DAC 散热器的UV-LED表面温度低于纯铜散热器，同时输出功率和功率效率均有所提高。 散热器的优化路径 在优化UV-LED散热系统结构时，常采用单因素分析、正交试验和中心组合试验等方法。单因素分析适用于单一变量的试验处理，如散热器的厚度或数量。正交试验法则需要明确试验因素、水平和评价指标，选择合适的正交试验表，以确定最佳组合。 以单因素分析法优化UV-LED针翅式散热器系统为例，通过对翅片厚度和纵向排布数量进行优化，发现当翅片厚度为特定值且排布方式为某一设置时，散热效果达到最佳。 总结与展望 散热问题已然成为UV-LED系统功率提升的瓶颈，解决高功率UV-LED的散热问题需要综合运用传热学、材料科学和制造技术。传热学为散热提供理论方法，材料科学助力改善材料导热性能，制造技术则推动制造工艺的进步。

目前，风冷和液冷散热器是应用最为广泛的技术，同时，热电制冷和液态金属等新型散热方式也崭露头角。然而，在散热技术改进的征程中，仍有诸多问题亟待解决，新型散热方法的研究仍需深入拓展。在散热器结构设计方面，近年来的研究重点在于运用优化方法、精选材料和改进工艺来优化现有结构。

虽然提高材料的导热系数和装配技术对解决大功率UV-LED系统的散热问题至关重要，但散热方式的选择才是根本。热电冷却、液态金属等新型散热器为高热流密度UV-LED系统的散热提供了新的思路，但这些散热方式仍需进一步研究，比如要考虑液态金属的氧化问题以及与其他材料的兼容性等。