LED照明中陶瓷材料的應(yīng)用技術(shù)

　　引言

　　LED是一種新型固態(tài)光源，自問世以來受到了極大的關(guān)注。它的發(fā)光機(jī)理是靠PN結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能。在外電場(chǎng)的作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致作用，一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余能量轉(zhuǎn)化為熱能。

　　目前LED的發(fā)光效率僅20%~30%，其余能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，大量的熱能需要及時(shí)地散發(fā)出去，否則將會(huì)使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發(fā)展的同時(shí)，人們也不斷進(jìn)行著LED散熱新技術(shù)的研究。

　　金屬鋁材憑借著密度小、熱導(dǎo)率高、表面處理技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，一直占據(jù)著LED照明主體材料的市場(chǎng)。隨著人們對(duì)安全性能要求的提高，鋁材的導(dǎo)電性成為其一道致命的傷疤，為了提高LED照明燈具（下文簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。

　　開始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導(dǎo)塑料。人類對(duì)陶瓷材料的使用已有幾千年了，現(xiàn)代技術(shù)制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導(dǎo)率高、紅外輻射率大、膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)，完全可以成為L(zhǎng)ED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。高熱導(dǎo)塑料憑借著其優(yōu)良的電絕緣性和低密度值，高調(diào)地進(jìn)入了散熱材料市場(chǎng)，現(xiàn)階段由于價(jià)格高，應(yīng)用率不大。本文主要討論陶瓷材料在LED照明中的應(yīng)用技術(shù)。

　　1 陶瓷材料的傳熱機(jī)理

　　陶瓷屬于非金屬材料，晶體結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，具有優(yōu)秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導(dǎo)熱機(jī)理，當(dāng)晶格完整無缺陷時(shí)，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率就越高。理論表明，陶瓷晶體材料的最大導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)320W/mK。

　　一般認(rèn)為，在影響陶瓷材料導(dǎo)熱率的諸多因素中，結(jié)構(gòu)缺陷是主要的影響因素。在燒結(jié)的過程中，氧雜質(zhì)進(jìn)入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯(cuò)、反相疇界等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。現(xiàn)代陶瓷技術(shù)通過生成第二相，把氧固定在晶界上，減少了氧雜質(zhì)進(jìn)入晶格的可能性，隨著晶界處的氧濃度大大降低，晶粒內(nèi)部的氧自發(fā)擴(kuò)散到晶界處，使晶粒基體內(nèi)部的氧含量降低，缺陷的數(shù)量和種類減少，從而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由于制備技術(shù)的不同，陶瓷材料的熱導(dǎo)率也不一樣，常用陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

　　陶瓷材料的熱導(dǎo)率與添加劑含量也有著密切的關(guān)系。河北工業(yè)大學(xué)的梁廣川等人對(duì)稀土氧化物Y2O3含量與密度和導(dǎo)熱率的關(guān)系也做了實(shí)驗(yàn)研究。他們采用的一種氮化鋁（AlN）陶瓷粉體為：平均粒度3m，氧雜質(zhì)含量0.97wt%，添加劑為純度99.95%的Y2O3。

　經(jīng)過常壓氮?dú)猸h(huán)境燒結(jié)、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，添加適量的稀土氧化物Y2O3可以使氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到160W/mK左右，已經(jīng)超過了壓鑄鋁材ADC12的導(dǎo)熱系數(shù)（ADC12的導(dǎo)熱系數(shù)為96.2W/mK），完全可以用作散熱器的制作材料。

　3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究

　　3.1 陶瓷LED燈具實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)與氧化鋁的成分（純度）有很大的關(guān)系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化鋁陶瓷（簡(jiǎn)稱為95陶瓷）導(dǎo)熱系數(shù)約22.4W/mK，耐壓10kV/mm，由此制成LED燈具的樣品如圖4所示。

　　燈具型號(hào)為GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鰭片散熱器和燈座均采用95陶瓷材料，并通過螺紋連接。

　　燈具安裝三顆Handson（漢德森）LED光源，內(nèi)置恒流驅(qū)動(dòng)電源，總消耗功率約3.55W，采用透鏡配光，總光通量約150lm。

　　由于LED的結(jié)溫不能直接測(cè)得，常采用間接測(cè)試法，目前主要有2種：

　?、匐妳?shù)法：LED隨著結(jié)溫的上升，兩端電壓呈線性降低，比例系數(shù)K的典型值為4mV/℃，結(jié)溫可按式（1）進(jìn)行計(jì)算；②熱電偶間接測(cè)試法：通過測(cè)試LED焊腳的溫度sp間接得到結(jié)溫值，此時(shí)結(jié)溫可按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

　　式中：為結(jié)溫，0為初始溫度，K為比例系數(shù)，△F為電壓變化的絕對(duì)值。

　　式中：為結(jié)溫，sp為L(zhǎng)ED焊腳的溫度，th為PN結(jié)到焊腳的平均熱阻，為芯片功率。

　　本次進(jìn)行溫度測(cè)試的方法為熱電偶測(cè)試法。LED焊腳測(cè)試點(diǎn)為兩處，燈體散熱器測(cè)試點(diǎn)為三處，環(huán)境溫度采用兩根熱電偶測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

　　3.2 陶瓷LED燈具和鋁制壓鑄LED燈具的計(jì)算機(jī)仿真

　　為了研究和設(shè)計(jì)陶瓷LED燈具，我們借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析。本次采用的流場(chǎng)分析軟件為Flo-EFD（簡(jiǎn)稱EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD為NIKA的旗艦產(chǎn)品，主要用于汽車、航空航天、機(jī)械、船舶、電子通訊、醫(yī)療器械、能源化工、暖通、流體控制設(shè)備、LED半導(dǎo)體行業(yè)等。軟件可進(jìn)行各種LED封裝產(chǎn)品、航空航天燈、各種節(jié)能燈、LED發(fā)光管、車用燈具、顯示屏等的熱分析。

　　氮化鋁陶瓷膨脹系數(shù)較低、導(dǎo)熱系數(shù)高，常作為芯片封裝的熱沉。LED散熱的一大瓶頸為電路基板，普通鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)僅1.0~2.5W/mK，不到陶瓷基板（如圖2）的20%，采用陶瓷基板可以大幅度地降低LED的PN結(jié)溫度（下文將簡(jiǎn)稱為結(jié)溫）。

　　陶瓷電路基板可以通過流延法或共晶燒結(jié)制成，但價(jià)格較高，大規(guī)模應(yīng)用為時(shí)尚早；陶瓷用作芯片封裝的熱沉部件，因幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一些LED封裝廠商已開始使用。上述二者主要是利用材料的導(dǎo)熱性能將熱量傳導(dǎo)到散熱器上，幾乎不用考慮如何將熱量散發(fā)到空氣中，設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)心的是它的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　LED燈具的散熱器用于將熱量散發(fā)到周圍的空間中，散熱器常采用氧化鋁（Al2O3）陶瓷材料（樣燈如圖3所示）。氧化鋁陶瓷價(jià)格便宜，技術(shù)成熟，采用壓鑄燒結(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)自由度大，價(jià)格較低，現(xiàn)階段得到一定規(guī)模的應(yīng)用，下文將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　2 陶瓷材料的熱輻射機(jī)理

　　我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。為了有效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強(qiáng)對(duì)流系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對(duì)流散熱，散熱器將LED產(chǎn)生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對(duì)流系數(shù)較低，熱量不能及時(shí)地散發(fā)到周圍的空氣中，導(dǎo)致表面溫度升高，LED的工作環(huán)境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁制散熱器通過陽(yáng)極氧化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，不必進(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)處理。

　　陶瓷材料的輻射機(jī)理是由隨機(jī)性振動(dòng)的非諧振效應(yīng)的二聲子和多聲子產(chǎn)生。高輻射陶瓷材料如碳化硅、金屬氧化物、硼化物等均存在極強(qiáng)的紅外激活極性振動(dòng)，這些極性振動(dòng)由于具有極強(qiáng)的非諧效應(yīng)，其雙頻和頻區(qū)的吸收系數(shù)，一般具有100~100cm-1數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于中等強(qiáng)度吸收區(qū)在這個(gè)區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因此，有利于形成一個(gè)較平坦的強(qiáng)輻射帶。

　　一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強(qiáng)共振波長(zhǎng)延伸到短波整個(gè)二聲子組合和頻區(qū)域，包括部分多聲子組合區(qū)域，這是多數(shù)高輻射陶瓷材料輻射帶的共同特點(diǎn)，可以說，強(qiáng)輻射帶主要源于該波段的二聲子組合輻射。除少數(shù)例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大于5m的二聲子、三聲子區(qū)。因此，對(duì)于紅外輻射陶瓷而言，1~5m波段的輻射主要來自于自由載流子的帶內(nèi)躍遷或電子從雜質(zhì)能級(jí)到導(dǎo)帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要?dú)w于二聲子組合輻射。