?UVLED光源散熱技術：現狀、優化與展望

近年來，UV-LED發展迅猛，系統功率持續攀升，然而散熱問題卻如影隨形，成為制約其進一步發展的關鍵因素。芯片結溫一旦升高，UV-LED的性能便會大打折扣。因此，要確保UV-LED系統在大功率運行時仍能保持優良特性，加強芯片散熱工作刻不容緩。 在UV-LED散熱領域，散熱器扮演著至關重要的角色，本文將重點探討UV-LED散熱器的相關內容，將其劃分為傳統散熱器和新型散熱器。傳統散熱器涵蓋風冷散熱器和液冷散熱器，新型散熱器則包括液態金屬散熱、TEC熱電制冷等。最后，還會對這些散熱方法的優缺點進行對比總結，介紹散熱器的優化途徑，并對它們在UV-LED散熱方面的應用前景展開分析。 散熱器的選擇策略 應用于UV-LED系統的散熱器主要有風冷、液冷和新型散熱器這幾種類型。不同能量級別的UV對散熱器的要求各異。早期，風冷散熱器僅適用于輸出功率較低的紫外線應用場景，但近年來，風冷技術取得了顯著進步，能夠在不損害芯片壽命和可靠性的前提下，實現更高功率的空氣冷卻。 相較于空氣，液體作為散熱介質更具優勢，它能使UV-LED系統獲得更低的結溫，從而提高系統效率、延長使用壽命并增強可靠性。正因如此，液冷成為一種極為有效的散熱方式，尤其適用于固化區域較大且需要高功率密度UV-LED的場合。常見的風冷散熱器類型包括翅片式和熱管式，液冷散熱器則有主動循環冷板式和微通道式等。 UV-LED風冷散熱器剖析 翅片式強迫對流 在翅片式強迫對流散熱器中，翅片是影響散熱效果的關鍵因素，其形狀結構備受關注，當前板翅式和針翅式結構較為常見。江蘇大學團隊針對總熱功率為 1200W 的 400 顆UV - LED芯片展開研究，在滿足生產要求的前提下，確定了最佳散熱參數。還有學者從增加換熱面積和提升散熱效率的角度出發，對特定結構的針翅式散熱結構進行研究，發現其能顯著降低芯片結溫。進一步對比研究表明，針翅式散熱器與空氣的接觸面更大，氣體充填和散熱性能更優，并且在優化和試驗后，模擬數據與試驗數據相符。不過，針翅式散熱器翅片密集，加工難度大，易堵塞且清洗困難。

熱管式強迫對流 熱管是一種高效的熱傳導裝置，主要依靠相變傳熱，本身雖無冷卻功能，但卻是出色的導熱體。U型熱管外部通常分布有翅片，這不僅滿足了紫外光固化系統小型化和便捷性的需求，還確保了散熱表面溫度的均勻性。

眾多學者通過模擬與試驗相結合的方法展開研究。研究熱管風冷翅片的散熱性能，設計了大功率UV-LED 印刷燈，結果顯示試驗結果與仿真結果基本一致。此外，還有學者針對特定功率的UV-LED固化燈進行研究，驗證了模擬結果的準確性。而且，瞬態性能對于評估熱管風冷散熱器結構的可靠性意義重大，相關研究表明熱源距離對響應速度有影響。 UV-LED液冷散熱器解析 主動循環冷板式 液冷散熱器借助水泵驅動液體流動來帶走熱量，通常以水為冷卻劑。由于水的導熱系數和比熱容相比空氣具有明顯優勢，能夠有效吸收UV-LED芯片產生的熱量，因此液冷散熱器可應用于緊湊型UV-LED裝置且周圍空間有限的固化區等多種場合。 在液冷研究中，冷板的水冷卻通道設計是重點。冷卻通道的結構會改變水的流動路徑、范圍以及湍流程度，進而影響對流換熱系數和散熱效果。學者們通過設計不同結構的水冷板散熱模型進行對比研究，發現U型水道等復雜結構的散熱效果優于直線型簡單結構。還有學者采用折流板并聯冷卻通道等特殊設計，進一步提升了散熱效率，滿足了設計要求。 微通道冷卻式 微通道冷卻系統由眾多相互連接的狹小通道構成，這種特殊結構能顯著增強對流換熱效果，具有體積小、散熱效率高且結構緊湊等優點。不過，微通道在UV-LED系統中的應用尚不廣泛，其通道結構設計、加工工藝和制造材料等方面存在諸多問題，導致在實際應用中面臨一定的挑戰。例如，有學者在小面積上實現了高功率密度UV-LED模組，微通道結構增加了熱傳導面積，但這種設計在實際推廣中仍有困難。 新型散熱器探索 除了傳統的風冷和液冷散熱器，為滿足UV-LED系統的散熱需求，新型散熱器應運而生，如熱電制冷和液態金屬冷卻等。 在熱電制冷散熱過程中，半導體制冷片（TEC）主要充當散熱載體。TEC 結構緊湊，但熱通量較低，一般適用于低功耗的 UV 系統散熱，常需結合其他散熱方式來排出熱量。相關研究表明，通過對UV-C LED 的熱電制冷裝置進行適當的控制研究，可提高LED的使用壽命。還有學者將深紫外LED芯片及電路集成在 TEC 器件上，實驗發現不同輸入電流下，與未加 TEC 時相比，結溫下降明顯。此外，將半導體制冷模塊與翅片強制對流散熱相結合的方案，在溫度控制方面表現出良好的性能。 由于水的低熱導率限制了其對流換熱能力，研究人員積極探索更高效的冷卻劑。液態金屬散熱成為研究熱點，比如利用鎵作為冷卻介質的液態金屬散熱系統。鎵具有高導熱率、強導電性和良好流動性等優點，在高功率密度下表現出出色的散熱性能，有望解決大功率UV-LED的散熱難題。 此外，還有新研發的DAC（金剛石 - 銅）散熱器，它采用復合電鍍技術，用于藍寶石UV-LED 杯形片。在特定工作電流下，使用 DAC 散熱器的UV-LED表面溫度低于純銅散熱器，同時輸出功率和功率效率均有所提高。 散熱器的優化路徑 在優化UV-LED散熱系統結構時，常采用單因素分析、正交試驗和中心組合試驗等方法。單因素分析適用于單一變量的試驗處理，如散熱器的厚度或數量。正交試驗法則需要明確試驗因素、水平和評價指標，選擇合適的正交試驗表，以確定最佳組合。 以單因素分析法優化UV-LED針翅式散熱器系統為例，通過對翅片厚度和縱向排布數量進行優化，發現當翅片厚度為特定值且排布方式為某一設置時，散熱效果達到最佳。 總結與展望 散熱問題已然成為UV-LED系統功率提升的瓶頸，解決高功率UV-LED的散熱問題需要綜合運用傳熱學、材料科學和制造技術。傳熱學為散熱提供理論方法，材料科學助力改善材料導熱性能，制造技術則推動制造工藝的進步。

目前，風冷和液冷散熱器是應用最為廣泛的技術，同時，熱電制冷和液態金屬等新型散熱方式也嶄露頭角。然而，在散熱技術改進的征程中，仍有諸多問題亟待解決，新型散熱方法的研究仍需深入拓展。在散熱器結構設計方面，近年來的研究重點在于運用優化方法、精選材料和改進工藝來優化現有結構。

雖然提高材料的導熱系數和裝配技術對解決大功率UV-LED系統的散熱問題至關重要，但散熱方式的選擇才是根本。熱電冷卻、液態金屬等新型散熱器為高熱流密度UV-LED系統的散熱提供了新的思路，但這些散熱方式仍需進一步研究，比如要考慮液態金屬的氧化問題以及與其他材料的兼容性等。