第 1 章 UV LED 简介
1.1 UV 油墨固化技术概述
20 世纪 60 年代，德国知名公司拜耳推出了第一代 UV 涂料，并将之应用于木器涂料工业，前面讲述过，UV 涂料具有低的 VOC (挥发性有机化合物)排放，这种环保特性是的 UV 涂料得以迅速发展。我国的 UV 固化技术经过了 20 多年的持续发展，现在我国的 UV 涂料也已达到 每年 5 万多吨的[3]。UV 光固化的基本原理：不同波长的紫外光会对不同的光引发剂产生作用，它不同于通过热能或蒸发来干燥的过程，紫外光固化技术是在固化剂中添加含有关键成分的“光引发剂”，当其暴露在正确匹配的紫外光源下时，可使该固化剂混合物迅速由液态变为固态。发生反应必须达到临界曝光量，即提供光引发剂发生反应所需要的最低量的能量。虽然理论上固定组成的 UV 涂料所需要的临界曝光量为一定值，但是实际固化过程中涂层所需要的能量远远高于这个定值。而且涂层性能、固化条件、UV 灯的状况，环境影响等因素，都会导致实际所需的曝光量的增大。固化所需要的能量与 UV 等的强度成反比，可以调节灯的功率和距离来实现增加强度的目的[4]。
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1.2 UV LED 概述
紫外 LED 是指中心波长为 405nm 以下的 LED， LED 行业内通常把发光波长在355～405nm 的称为近紫外 LED，低于 300nm 的称为深紫外 LED[8]。目前近紫外 LED 一般采用 GaN 作为紫外 LED 的基材，原因是 GaN 作为用的多的材料，其禁带宽度为 3.4eV,它对应的发光主波长正好在 365nm，位于近紫外波段的范围内。而 AlGaN(在 GaN 基材中添加 Al 以此来实现扩大带隙的目的)是深紫外 LED 的主要基材，可以获得的发光波长更短。如果结合波长和用途，UV LED 可以分为如下四大类，见图 3：(1)长波紫外线（UVA，ultraviolet A）：波长范围在 320～400 nm 之间，主要用途是光催化、光刻、验钞、固化、印刷等。
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第 2 章 COB 封装设计与工艺
2.1 UV LED 封装散热机制分析
前面讨论过，紫外 LED 也是具有 PN 结的发光二极管结构，PN 结在外加电场的作用下，电子和空穴的发生复合，产生光和释放热。其中，外加能量的 15%左右通过辐射复合转化为光能，其余 85%左右的能量通过非辐射复合发生转化为热。根据这个原理，如果希望尽量多的外加能量转化为光能，尽量少的转化为热能，所以需要提高LED 的量子效率，量子效率越高，产生出的热量就越少，光电转换效率也会越高。LED 的结温升高会导致芯片的正向压降下降，发出的光的波长向长波方向偏移，即发生红移现象，发光效率也会降低，还可能发生热应力，降低 LED 的发光效率和可靠性。所以论文在设计时要尽量降低 LED 的的结温，让 LED 芯片工作时产生的热量尽快散发出去。由于 COB 封装采用了芯片的高密度集成，基板上的热相对比较集中，对散热要求比较高。所以需要采用热导率高的基板材料和合适的发光芯片的高密度集成，为了降低封装热阻，管理好小面积内的热量，必须采用高导热率的材料作为基板，并且选择合适的封装方式来实现[23]。
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2.2 封装材料的比较
设计 COB 的封装结构时需要重点考虑提高光效和降低热阻。其中，封装胶和透镜的材料选择与光效的提高关系密切，一方面他们不但会直接对发光效率效率产生影响，另一方面如果不能将本应导出去的光转化成热，也会影响光效。前面讨论过，UV LED中结温是非常重要的参考，封装材料对结温的控制影响巨大。所以，在设计封装结构时不但要考虑好散热结构的设计，还需要匹配散热好的基板材料和其他导热材料。LED 的结温控制和发光效率的提高这两个问题都跟分装材料的选择息息相关，需要慎重选择封装材料。下面，将就针对各种基板、透镜材料、封装材料和界面材料做出比较，以供指导封装工艺的选材和设计。
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第 3 章 UV 固化模块的设计与仿真优化...............35
3.1 光学仿真与结果分析...............35
3.2 与现有产品的比较分析...............45
第 4 章 光学仿真设计...............40
4.1 光源模组样品制作...............43
4.2 样品的性能测试................44
第 4 章 光学仿真设计
4.1 光源模组样品制作
根据前面的透镜材料的分析，选择了一家硅胶透镜厂商，协助开发硅胶透镜。3.1.4 中模拟获得的透镜 3D 图发给厂商，开硅胶软模一套，大约半个月后，拿到了硅胶透镜的样品若干条，见下图 32。将紫外 COB 灯条固定在散热器上，并且将硅胶透镜罩在 COB 灯条上，固定好 COB、透镜和散热器装机准备测试，接上控制电路，点亮测试装机图片如下图 33 所示。选取了合作企业现有的相同应用下的一款印刷用紫外灯条光源，大小为 150mm 长度，（略长于本论文设计制作的样品），宽度也为 31.5mm 的紫外光源模组，见图 35，两者大小近似，数据具有可比较性，于是进行了一个对比分析。将本课题中设计制作的 COB 光源模组命名为 UV-1，将市场上获得的现有光源模组命名为 UV-2。
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4.2 样品的性能测试
测试设备为紫外能量计（UV Power Puck），在紫外固化行业中，固化过程中对紫外能量的要求十分严格，所以需要一个量化的测量仪器，这就是紫外能量计；它是类似于白光中常用的照度计，可以测量特定位置的点的辐射功率密度。它在紫外行业中的用十分普遍，是从事紫外产品的企业的标配。将装机好的样品，连接控制电路，将电流调到 1A 恒流，电压为 29.5V，总功率180W。用两个支架将紫外功率计稳定在 10cm 距离处，打开紫外功率计，见下图 34。接通电源后，测量获得的 10cm 处，紫外功率密度为 6.08W/cm2，与模拟值 6W/cm2的误差很小，考虑到可能是基板表面的白油涂层反光造成，影响可以忽略。说明这次的模拟和打样都很成功，已经实现了这个课题研究的目标。
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结论
随着紫外 LED，特别是 UVA 波段的紫外 LED 芯片技术的成熟，单颗芯片的能量越来越高，以前限制紫外 LED 应用在印刷行业的门槛已经逐步消失。但受制于紫外应用行业里专业的光学工程师的缺乏，像印刷这种需要专业的光学知识和设计能力的领域，还没有被完全发掘出市场。本论文在调查了印刷行业的专业需求，研究了现有紫外芯片的性能以后，设计了一款专业应用于高速柔印机的高功率密度的紫外固化灯的可行性研究。并结合要应用的目标固化设备，从封装开始进行 COB 设计，将 LED 芯片进行阵列排布，通过光学设计和散热技术相结合，并配合后期的二次光学设计，获得了一款高能量密度的紫外LED 光源模组，显著提高光学利用效率和被照射区域的光功率密度，相对市场上现有产品具有更优良的性能。
参考文献（略）
