陶瓷材料在LED照明散熱中的應用

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-01-11

瀏覽次數:次

LED是一種新型固態光源，自問世以來受到了極大的關注。它的發光機理是靠PN結中的電子在能帶間躍遷產生光能。在外電場的作用下，電子與空穴的輻射復合發生電致作用，一部分能量轉化為光能，家用照明，無輻射復合產生的晶格震蕩將其余能量轉化為熱能。

　　目前LED的發光效率僅20%~30%，其余能量大多轉化為熱能，大量的熱能需要及時地散發出去，否則將會使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發展的同時，人們也不斷進行著LED散熱新技術的研究。

　　金屬鋁材憑借著密度小、熱導率高、表面處理技術成熟的優勢，一直占據著LED照明主體材料的市場。隨著人們對安全性能要求的提高，鋁材的導電性成為其一道致命的傷疤，為了提高LED照明燈具（下文簡稱為LED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塑料。人類對陶瓷材料的使用已有幾千年了，現代技術制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數低的特點，完全可以成為LED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。高熱導塑料憑借著其優良的電絕緣性和低密度值，高調地進入了散熱材料市場，現階段由于價格高，應用率不大。本文主要討論陶瓷材料在LED照明中的應用技術。

　　1 陶瓷材料的傳熱機理

　　陶瓷屬于非金屬材料，晶體結構中沒有自由電子，具有優秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導熱機理，當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導率就越高。理論表明，陶瓷晶體材料的最大導熱系數可高達320W/mK。

　　一般認為，在影響陶瓷材料導熱率的諸多因素中，結構缺陷是主要的影響因素。在燒結的過程中，氧雜質進入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯、反相疇界等結構缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低。現代陶瓷技術通過生成第二相，把氧固定在晶界上，減少了氧雜質進入晶格的可能性，隨著晶界處的氧濃度大大降低，晶粒內部的氧自發擴散到晶界處，使晶粒基體內部的氧含量降低，缺陷的數量和種類減少，從而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由于制備技術的不同，陶瓷材料的熱導率也不一樣，常用陶瓷材料的導熱系數如表1所示。

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

　　經過常壓氮氣環境燒結、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導熱系數關系如圖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熱系數達到160W/mK左右，已經超過了壓鑄鋁材ADC12的導熱系數（ADC12的導熱系數為96.2W/mK），完全可以用作散熱器的制作材料。

　　氮化鋁陶瓷膨脹系數較低、導熱系數高，常作為芯片封裝的熱沉。LED散熱的一大瓶頸為電路基板，普通鋁基板的導熱系數僅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結溫度（下文將簡稱為結溫）。

　　陶瓷電路基板可以通過流延法或共晶燒結制成，但價格較高，大規模應用為時尚早；陶瓷用作芯片封裝的熱沉部件，因幾何結構簡單，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熱性能將熱量傳導到散熱器上，幾乎不用考慮如何將熱量散發到空氣中，設計時關心的是它的導熱系數。

　　LED燈具的散熱器用于將熱量散發到周圍的空間中，散熱器常采用氧化鋁（Al2O3）陶瓷材料（樣燈如圖3所示）。氧化鋁陶瓷價格便宜，技術成熟，采用壓鑄燒結技術，設計自由度大，價格較低，現階段得到一定規模的應用，下文將對此進行詳細分析。

2 陶瓷材料的熱輻射機理

    　我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導、對流和輻射。為了有效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流系數來實現，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對流散熱，散熱器將LED產生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對流系數較低，熱量不能及時地散發到周圍的空氣中，導致表面溫度升高，LED的工作環境惡化。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，恒光電器,照亮您的生活，一般鋁制散熱器通過陽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，不必進行復雜的后續處理。

　　陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二聲子和多聲子產生。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的紅外激活極性振動，這些極性振動由于具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區的吸收系數，企業資訊，一般具有100~100cm-1數量級，相當于中等強度吸收區在這個區域剩余反射帶的較低反射率，因此，有利于形成一個較平坦的強輻射帶。

　　一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強共振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區域，包括部分多聲子組合區域，這是多數高輻射陶瓷材料輻射帶的共同特點，可以說，強輻射帶主要源于該波段的二聲子組合輻射。除少數例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大于5m的二聲子、三聲子區。因此，對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躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要歸于二聲子組合輻射。