解讀：陶瓷材料在LED照明散熱中的應用

　　引言

　　LED是一種新型固態(tài)光源，自問(wèn)世以來(lái)受到了極大的關(guān)注。它的發(fā)光機理是靠PN結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合發(fā)生電致作用，一部分能量轉化為光能，無(wú)輻射復合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余能量轉化為熱能。

　　目前LED的發(fā)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(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(zhù)LED散熱新技術(shù)的研究。

　　金屬鋁材憑借著(zhù)密度小、熱導率高、表面處理技術(shù)成熟的優(yōu)勢，一直占據著(zhù)LED照明主體材料的市場(chǎng)。隨著(zhù)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(jiǎn)稱(chēng)為LED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。

　　開(kāi)始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導塑料。人類(lèi)對陶瓷材料的使用已有幾千年了，現代技術(shù)制備的陶瓷材料有著(zhù)絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數低的特點(diǎn)，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(zhù)其優(yōu)良的電絕緣性和低密度值，高調地進(jìn)入了散熱材料市場(chǎng)，現階段由于價(jià)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(shù)。

　　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(méi)有自由電子，具有優(yōu)秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導熱機理，當晶格完整無(wú)缺陷時(shí)，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(guò)程中，氧雜質(zhì)進(jìn)入陶瓷晶格中，伴隨著(zhù)空位、位錯、反相疇界等結構缺陷，顯著(zhù)地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低?，F代陶瓷技術(shù)通過(guò)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(zhù)晶界處的氧濃度大大降低，晶粒內部的氧自發(fā)擴散到晶界處，使晶?；w內部的氧含量降低，缺陷的數量和種類(lèi)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(zhù)密切的關(guān)系。河北工業(yè)大學(xué)的梁廣川等人對稀土氧化物Y2O3含量與密度和導熱率的關(guān)系也做了實(shí)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(zhì)含量0.97wt%，添加劑為純度99.95%的Y2O3。

　　經(jīng)過(guò)常壓氮氣環(huán)境燒結、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導熱系數關(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熱系數達到160W/mK左右，已經(jīng)超過(guò)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(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。

　　劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質(zhì)量的遠紅外陶瓷釉面也進(jìn)行了測試，輻射率約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時(shí)的輻射性能、釉面質(zhì)量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬(wàn)秋、吳春蕓對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進(jìn)行了測試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學(xué)研究發(fā)現，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉涂料最高輻射率可達0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳統鋁制散熱器的一大重要參數。

　　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)驗測試

　　氧化鋁陶瓷的導熱系數與氧化鋁的成分（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(chēng)為95陶瓷）導熱系數約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(guò)螺紋連接。

　　燈具安裝三顆Handson（漢德森）LED光源，內置恒流驅動(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的結溫不能直接測得，常采用間接測試法，目前主要有2種：

　?、匐妳捣ǎ篖ED隨著(zhù)結溫的上升，兩端電壓呈線(xiàn)性降低，比例系數K的典型值為4mV/℃，結溫可按式（1）進(jìn)行計算；②熱電偶間接測試法：通過(guò)測試LED焊腳的溫度sp間接得到結溫值，此時(shí)結溫可按式（2）進(jìn)行計算。

　　式中：為