纳米陶瓷成UVCLED热管理完美选择

　　基于UVA的固化已经在工业应用中使用了多年。但是，使用高强度放电（HID）汞蒸气灯作为UV光源限制了它们适用的运用范围，由于这些灯虽然有效，但却很大、很脆弱并且启动很慢。

　　技术进步让UV LED作为HID的替代品而兴起。LED使用更少的电力、运行时温度较低，并且可以立即在特定的波长和功率周期下运行。这些特点正在改变紫外线固化行业，从提高效率到提供新的解决方案，例如手持式固化运用，这是HID灯所不能想象的。

　　而LED仍然相对低效。 进入UVA LED的电力只有大约40%转换成光，其余的60%转换成了废热。这种废热需要尽快从LED中移除，以避免LED过热并超过其最高工作温度。未能消除这类热量可能会致使光质恶化，并终究致使LED故障。

　　与HID灯不同，LED的表面面积小及相对较低的温度，这意味着它们可以对流并散发的热量可以忽略不计。去除热量的唯一方法是将其从芯片的背面导出、通过PCB、到散热片、再到周围环境。为了使LED芯片一直保持在其最优工作温度下，用于PCB的衬底材料需要高热效力。

　　氮化铝存在不足

　　在UVA运用中，模块衬底倾向于是金属基板或电子级陶瓷，特别是高性能氮化铝（AlN）。在功率密度更高的运用中，基于环氧树脂的MCPCB根本不具有必要的热性能（ 100W/mK，而AlN则是170W/mK），使得AlN成为首选基板。

　　然而，氮化铝也不是完美的。材料本身就比较昂贵，且比较脆弱，对制造商来说很辣手。一般的氮化铝尺寸为4x4英寸（偶尔7x5英寸），更大尺寸的通常产率更低，其脆性更强。即使是4x4英寸，产量损失20%也其实不罕见。

　　脆性的另一个问题是将完成的模块安装到散热器上。理想情况下，电路应尽量牢固地连接，以减少电路与散热器之间的气隙。如果用力过大，上螺丝将氮化铝模块拧到散热器上时，很容易造成氮化铝模块断裂。

　　显然，假如有一种替代材料具有与AlN相当的性能，并且有MCPCB的机械性能，那就十分理想了。那个选择就是纳米陶瓷。

　　纳米陶瓷更有优势

　　Cambridge Nanotherm采用专利的电化学氧化（ECO）工艺，将铝板的表面转变成唯一几十微米厚的氧化铝（Al2O ）陶瓷薄层。该氧化铝层用作上面的电路和下面的铝之间的电介质。与氮化铝相比，该层的薄度不止弥补了氧化铝相对较低的热效率，并且非常有效地传导热量。

　　电化学氧化工艺的下一个步骤是薄膜处理，将铜电路层直接喷到纳米陶瓷电介质，以进一步提高热效率。Nanotherm DMS（AlN的直接替代品，用于UV模块）具有152 W/mK的复合散热性能，稍低于高等级的AlN，除了最刻薄的UVA运用以外，能满足所有其他应用。

　　由于纳米陶瓷本质上是铝PCB，所以与标准的MCPCB相同，可以用机械方法处理，不会由于脆性而有产量损失，而且可以用螺丝固定在散热器上，不会有任何破损的风险。因此，纳米陶瓷提供了两全其美的结果：既有AlN的热性能，也有铝MCPCB的鲁棒性。

　　不仅仅是UVA

　　UVA并不是纳米陶瓷唯一可以发挥其独特性能的领域。它也可用于UVC。UVC辐射的独特杀菌特性让纳米陶瓷能通过破坏细菌DNA防止繁殖而杀死细菌，这使UVC成为杀菌的理想选择。

　　与UVA一样，HID灯虽然没有任何荧光粉涂层，但一直用于UVC。水银灯对于大规模的应用，如市政用水消毒，是非常有效的。在这些运用中，如果灯受到损坏，在汞可能造成危害之前，可以对有毒的灯泡进行严格的控制和快速更换。HID灯与UVA市场一样，限制了可能运用的范围。

　　现在，LED技术正在为小型便携式消毒设备创造一个全新的市场，这要归功于LED的尺寸小巧、坚固耐用、功耗低。像便携式消毒“魔杖”这样的产品即将上市，消费者可以对智能、平板电脑和键盘等日常用品进行消毒。连接在供水管道上的水消毒装置也可以对地下水等进行消毒。

　　而且，消费品制造商现在可以将 UVC LED技术嵌入到他们的产品中，将其变成“自我消毒”的物品。例如，牙刷可以在放回牙架后自行消毒，婴儿奶瓶可以自行消毒，瓶子可以通过按钮消毒里面的水。诸如此类的运用实际上有无限可能，这也许会对公共健康产生深远的影响。

　　UVC行业的增长潜力是巨大的，根据LEDinside预测从2018年以后会飞速增长。但是，UVC LED的热量挑战远远高于UVA，这也是这个行业需要面临的挑战。

　　进入UVC LED的功率大约95%被转换成热量，意味着只有5%的功率被转换成有用的光，这是由于UVC在短波长作业。UVA在 80nm作业，而UVC消毒设备在260nm的波长下作业。挑战在于，随着波长变短，LED的外部量子效力（EQE）就会降低。在 80nm波长（UVA）下，EQE最好是40%。到达260nm（UVC）时，EQE下降到百分之几，这意味着对UVC LED来讲，进入LED的功率大约95%被转换成废热，需要快速去除。

　　为了减少外部量子效力（EQE），所有这些领域都有重大的进展，包括使用大块AlN晶片作为外延工艺的基础，由于它具有较低的缺陷密度，这增加了内部量子效应。Bulk AlN也可以透射低于280nm的光线，有可能开创新的应用。围绕量子隧穿的项目正在探索减少电阻的方法，提高电子效率以改善电子注入效率，同时使用不同的芯片几何形状来改良光提取效率。

　　目前的事实是较短波长的紫外线应用效力非常低，并产生了大量的热量。为了获得适合的输出，需要输入大量的电力。这会产生过剩的热量，需要从LED中去除，以保持连接点处于其最高工作温度下。

　　对UVC LED来说，AlN传统上是唯一的选择。MCPCB不具有所需的热性能，并且由于具有用于形成介电层的有机环氧树脂，它们会被UVC光降解。纳米陶瓷是目前最完美的选择：热效率高、耐用、无机且符合本钱效益。如果热管理问题可以解决，则应用的可能将是巨大的。

　　热管理LED：UV成功的关键

　　LED技术正在对UV产业产生深远的影响。随着制造商转向LED，印刷行业的成本下落，效力也在提高。UVC LED应用正在给消毒和灭菌带来革命。然而，在热问题得到处理之前，热管理仍然是一个核心问题。但是有一点是确定的，纳米陶瓷的独特品质对于将UVC杀菌带入日常生活具有重要意义。