納米陶瓷為UV LED帶來新曙光，UVA、UVC皆可用

基於UVA的固化已經在工業應用中使用了多年。但是，使用高強度放電（HID）汞蒸氣燈作為UV光源限制了它們適用的應用範圍，因為這些燈雖然有效，但卻很大、很脆弱並且啟動很慢。

技術進步讓UV LED作為HID的替代品而興起。LED使用更少的電力、運行時溫度較低，並且可以立即在特定的波長和功率周期下運行。這些特點正在改變紫外線固化行業，從提高效率到提供新的解決方案，例如手持式固化應用，這是HID燈所不能想像的。

而LED仍然相對低效。 進入UVA LED的電力只有大約40％轉換成光，其餘的60％轉換成了廢熱。這種廢熱需要儘快從LED中移除，以防止LED過熱並超過其最高工作溫度。未能消除這種熱量可能會導致光質惡化，並最終導致LED故障。

與HID燈不同，LED的表面面積小及相對較低的溫度，這意味著它們可以對流並散發的熱量可以忽略不計。去除熱量的唯一方法是將其從晶元的背面導出、通過PCB、到散熱片、再到周圍環境。為了使LED晶元一直保持在其最優工作溫度下，用於PCB的襯底材料需要高熱效率。

氮化鋁存在不足

在UVA應用中，模塊襯底傾向於是金屬基板或電子級陶瓷，特別是高性能氮化鋁（AlN）。在功率密度更高的應用中，基於環氧樹脂的MCPCB根本不具備必要的熱性能（

然而，氮化鋁也不是完美的。材料本身就比較昂貴，且比較脆弱，對製造商來說很棘手。一般的氮化鋁尺寸為4x4英寸（偶爾7x5英寸），更大尺寸的通常產率更低，其脆性更強。即使是4x4英寸，產量損失20％也並不罕見。

脆性的另一個問題是將完成的模塊安裝到散熱器上。理想情況下，電路應儘可能牢固地連接，以減少電路與散熱器之間的氣隙。如果用力過大，上螺絲將氮化鋁模塊擰到散熱器上時，很容易造成氮化鋁模塊斷裂。

顯然，假如有一種替代材料具有與AlN相當的性能，並且有MCPCB的機械性能，那就十分理想了。那個選擇就是納米陶瓷。

納米陶瓷更有優勢

Cambridge Nanotherm採用專利的電化學氧化（ECO）工藝，將鋁板的表面轉變成僅有幾十微米厚的氧化鋁(Al2O3)陶瓷薄層。該氧化鋁層用作上面的電路和下面的鋁之間的電介質。與氮化鋁相比，該層的薄度不止彌補了氧化鋁相對較低的熱效率，並且非常有效地傳導熱量。

電化學氧化工藝的下一個步驟是薄膜處理，將銅電路層直接噴到納米陶瓷電介質，以進一步提高熱效率。Nanotherm DMS（AlN的直接替代品，用於UV模塊）具有152 W/mK的複合散熱性能，稍低於高等級的AlN，除了最苛刻的UVA應用之外，能滿足所有其他應用。

因為納米陶瓷本質上是鋁PCB，所以與標準的MCPCB相同，可以用機械方法處理，不會因為脆性而有產量損失，而且可以用螺絲固定在散熱器上，不會有任何破損的風險。因此，納米陶瓷提供了兩全其美的結果：既有AlN的熱性能，也有鋁MCPCB的魯棒性。

不僅僅是UVA

UVA並不是納米陶瓷唯一可以發揮其獨特性能的領域。它也可用於UVC。UVC輻射的獨特殺菌特性讓納米陶瓷能通過破壞細菌DNA防止繁殖而殺死細菌，這使UVC成為殺菌的理想選擇。

典型的紫外線汞蒸氣燈

與UVA一樣，HID燈雖然沒有任何熒光粉塗層，但一直用於UVC。水銀燈對於大規模的應用，如市政用水消毒，是非常有效的。在這些應用中，如果燈受到損壞，在汞可能造成危害之前，可以對有毒的燈泡進行嚴格的控制和快速更換。HID燈與UVA市場一樣，限制了可能應用的範圍。

現在，LED技術正在為小型攜帶型消毒設備創造一個全新的市場，這要歸功於LED的尺寸小巧、堅固耐用、功耗低。像攜帶型消毒「魔杖」這樣的產品即將上市，消費者可以對智能手機、平板電腦和鍵盤等日常用品進行消毒。連接在供水管道上的水消毒裝置也可以對地下水等進行消毒。

而且，消費品製造商現在可以將 UVC LED技術嵌入到他們的產品中，將其變成「自我消毒」的物品。例如，牙刷可以在放回牙架後自行消毒，嬰兒奶瓶可以自行消毒，瓶子可以通過按鈕消毒裡面的水。諸如此類的應用實際上有無限可能，這也許會對公共健康產生深遠的影響。

UVC行業的增長潛力是巨大的，根據LEDinside預測從2018年以後會飛速增長。但是，UVC LED的熱量挑戰遠遠高於UVA，這也是這個行業需要面臨的挑戰。

進入UVC LED的功率大約95％被轉換成熱量，意味著只有5%的功率被轉換成有用的光，這是由於UVC在短波長作業。UVA在380nm作業，而UVC消毒設備在260nm的波長下作業。挑戰在於，隨著波長變短，LED的外部量子效率（EQE）就會降低。在380nm波長（UVA）下，EQE最好是40％。達到260nm（UVC）時，EQE下降到百分之幾，這意味著對於UVC LED來說，進入LED的功率大約95％被轉換成廢熱，需要快速去除。

為了減少外部量子效率（EQE），所有這些領域都有重大的進展，包括使用大塊AlN晶片作為外延工藝的基礎，因為它具有較低的缺陷密度，這增加了內部量子效應。Bulk AlN也可以透射低於280nm的光線，有可能開創新的應用。圍繞量子隧穿的項目正在探索減少電阻的方法，提高電子效率以改善電子注入效率，同時使用不同的晶元幾何形狀來改善光提取效率。

目前的事實是較短波長的紫外線應用效率非常低，併產生了大量的熱量。為了獲得合適的輸出，需要輸入大量的電力。這會產生多餘的熱量，需要從LED中去除，以保持連接點處於其最高工作溫度下。

對於UVC LED來說，AlN傳統上是唯一的選擇。MCPCB不具備所需的熱性能，並且由於具有用於形成介電層的有機環氧樹脂，它們會被UVC光降解。納米陶瓷是目前最完美的選擇：熱效率高、耐用、無機且符合成本效益。如果熱管理問題可以解決，則應用的可能將是巨大的。

熱管理LED：UV成功的關鍵

LED技術正在對UV產業產生深遠的影響。隨著製造商轉向LED，印刷行業的成本下降，效率也在提高。UVC LED應用正在給消毒和滅菌帶來革命。然而，在熱問題得到處理之前，熱管理仍然是一個核心問題。然而有一點是確定的，納米陶瓷的獨特品質對於將UVC殺菌帶入日常生活具有重要意義。

基於LED的UV固化正在革新印刷行業

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