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。