LED照明中陶瓷材料的應用技術(shù)
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(jiǎn)稱(chēng)為結溫)。
陶瓷電路基板可以通過(guò)流延法或共晶燒結制成,但價(jià)格較高,大規模應用為時(shí)尚早;陶瓷用作芯片封裝的熱沉部件,因幾何結構簡(jiǎn)單,一些LED封裝廠(chǎng)商已開(kāi)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(fā)到空氣中,設計時(shí)關(guān)心的是它的導熱系數。
LED燈具的散熱器用于將熱量散發(fā)到周?chē)目臻g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,采用壓鑄燒結技術(shù),設計自由度大,價(jià)格較低,現階段得到一定規模的應用,下文將對此進(jìn)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(guò)減少熱流途徑的熱阻和加強對流系數來(lái)實(shí)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(chǎn)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(shí)地散發(fā)到周?chē)目諝庵?,導致表面溫度升高,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(guò)熱輻射的形式帶走,一般鋁制散熱器通過(guò)陽(yáng)極氧化來(lái)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)行復雜的后續處理。
陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動(dòng)的非諧振效應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的紅外激活極性振動(dòng),這些極性振動(dòng)由于具有極強的非諧效應,其雙頻和頻區的吸收系數,一般具有100~100cm-1數量級,相當于中等強度吸收區在這個(gè)區域剩余反射帶的較低反射率,因此,有利于形成一個(gè)較平坦的強輻射帶。
一般來(lái)說(shuō),具有高熱輻射效率的輻射帶,大致是從強共振波長(cháng)延伸到短波整個(gè)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(diǎn),可以說(shuō),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(lái)自于自由載流子的帶內躍遷或電子從雜質(zhì)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。
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