UV-LED單個芯片面積小便于靈活設計但相應的是單個芯片的輻射功率也較低在很多應用中難以滿足高輻射功率密度的要求這也是目前UV-LED在眾多領域很難替代UV放電燈的重要原因之一因此隨著UV-LED的發展其封裝和系統設計也成為關注的焦點

德國

德國KIT的Schneider等提出了一種高功率密度的UV-LED模組將98個395nm的LED芯片密集封裝在陶瓷基板上可以實現較高的輻射功率密度最初98個LED芯片通過銀膠封裝在氧化鋁陶瓷基板上如圖所示單顆LED芯片輸入電功率為1.65W工作電流500mA結溫25℃輸出輻射功率為375mW98個芯片串聯整個模組的最大輸入功率為162W封裝面積為2.11cm2熱功率密度達到59.2W/cm2

風冷條件下的特征測試結果顯示在輸入功率120W工作電流400mA狀態下模組發出的紫外波長為397nm輻射功率密度為13.1W/cm2而熱學仿真結果表明假如提高該模組的散熱特性輻射功率密度預計可以達到20.8W/cm2為此設計了一個表面微型散熱器如圖所示

該散熱器基于層流條件下熱傳導的微通道較短的原理眾多短小的微通道相互并聯以提高熱傳導的面積并采用水作為冷卻液采用塑料制成的該結構散熱器的熱通量達500W/cm2采用鋁或氧化鋁陶瓷等熱阻更低的材料時該散熱器的熱通量預計能夠達到800W/cm2因此可以有效提高LED模組的散熱性能隨后采用厚膜印刷的鋁基板來代替陶瓷基板結果證實改良后的模組散熱性能更好最大輻照度可達到31.6W/cm2

中國臺灣

中國臺灣中興大學的Horng等人采用復合電鍍工藝制備出摻雜金剛石的銅（Diamond-addedCopperDAC）散熱器并應用于UV-LED封裝散熱激光閃光法測得DAC散熱器的熱擴散系數為0.7179cm2/s實驗結果表明采用DAC散熱器的UV-LED熱阻僅為18.4K/W低于純銅的24.8K/W其散熱特性和光學性能都得到了改善注入電流為350mA時使用DAC散熱器的UV-LED的表面溫度為45.3℃而相同條件下純銅散熱器的UV-LED表面溫度為50.1℃僅藍寶石襯底的表面溫度為62.5℃該條件下UV-LED的輻射輸出功率和輻射效率分別增大至71.8mW和4.3%

復旦大學

復旦大學課題組基于銅板與AlN板三明治結構的高功率密度封裝開發了kW級以上的大功率紫外LED光固化系統AlN板作為銅板正負電極之間銅板電極與散熱器之間的絕緣層既能達到良好的絕緣效果又能夠確保芯片熱量的高效導出從而改善LED模組的散熱特性銅板作為電極連接增大了LED模組的驅動電流將單位面積的封裝功率提高到20~500W/cm2如圖所示的移動式紫外固化系統輸入功率密度達到200W/cm2總功率14kW能很好地應用于各種不同的地坪涂料的固化處理并已應用于耐磨紙涂層和木器油漆的固化

廣東海洋大學

廣東海洋大學的Zhou等人設計了一種特殊的扇形UV-LED陣列用來滿足高速旋轉固化如光盤固化等應用的特殊要求并采用TracePro光學仿真軟件對該光源的輻照度分布進行了模擬其陣列結構如圖a所示若干大功率UV-LED組成扇形陣列安裝在鋁基板上每層UV-LED等間隔分布在以O為圓心的圓弧上沿半徑方向上LED芯片的個數逐漸線性增加從而輻照度沿徑向逐漸增加由圖b截面可知UV-LED陣列分布在拋物型柱面上每個LED正前方分別裝有準直透鏡生成發散角小于3°的近似平行光然后UV-LED陣列的出射光匯聚在較小的矩形區域內形成高功率密度的輻照面

南京信息工程大學

南京信息工程大學的肖韶榮等人為構造指紋熒光檢測中所需的均勻照明紫外光源設計了一種圓環形的UV-LED陣列照明首先檢測單顆LED的輻射角分布擬合單個LED的近似光強分布方程然后用8顆LED均勻置于半徑為10mm的圓環上在圓環上方5mm處的中心軸上放置1個LED在給定的觀察屏上照度不均勻誤差下根據斯派羅法則確定觀測屏與圓環陣列之間的距離從而實現LED圓環陣列的照度分布均勻化實驗結果表明觀測屏到圓環距離為11.0cm時在半徑為10.0mm的圓內照度的不均勻相對誤差小于1.27%這種LED陣列光照度均勻化方法可靠性高設計方法簡單易行但由于各LED的輻射有一定離散性故其均勻化效果與理想效果還存在一定差異