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地散發(fā)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(fā)展的同時,，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，一直占據(jù)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(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(dǎo)塑料。人類對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,，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(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,，現(xiàn)階段由于價格高，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,，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,、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?，F(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?；w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)的梁廣川等人對稀土氧化物Y2O3含量與密度和導(dǎo)熱率的關(guān)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(zhì)含量0.97wt%,，添加劑為純度99.95%的Y2O3,。

　　經(jīng)過常壓氮氣環(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。

　　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,，但價格較高，大規(guī)模應(yīng)用為時尚早,；陶瓷用作芯片封裝的熱沉部件,，因幾何結(jié)構(gòu)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(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)計時關(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）。氧化鋁陶瓷價格便宜,，技術(shù)成熟,，采用壓鑄燒結(jié)技術(shù)，設(shè)計自由度大,，價格較低,，現(xiàn)階段得到一定規(guī)模的應(yīng)用，下文將對此進(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)對流系數(shù)來實現(xiàn)，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(shù)較低,，熱量不能及時地散發(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，這些極性振動由于具有極強(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,，相當(dāng)于中等強(qiáng)度吸收區(qū)在這個區(qū)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(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)共振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區(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,，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)能級到導(dǎo)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?biāo)劂憣Τ靥沾杉t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(yuǎn)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(yuǎn)紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時的輻射性能,、釉面質(zhì)量,、顏色和成本較佳，其輻射率達(dá)到了0.83,，其他性能均達(dá)到國家日用瓷標(biāo)準(zhǔn)要求,。崔萬秋、吳春蕓對低溫遠(yuǎn)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(xiàn),，常溫遠(yuǎn)紅外陶瓷輻射率一般可達(dá)0.85,，國外Enecoat釉涂料最高輻射率可達(dá)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(tǒng)鋁制散熱器的一大重要參數(shù)。

 　　3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究

　　3.1 陶瓷LED燈具實驗測試

　　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)溫不能直接測得,，常采用間接測試法，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)行計算,；②熱電偶間接測試法：通過測試LED焊腳的溫度sp間接得到結(jié)溫值，此時結(jié)溫可按式（2）進(jìn)行計算,。

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

　　式中：為結(jié)溫，sp為LED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)行溫度測試的方法為熱電偶測試法,。LED焊腳測試點為兩處,，燈體散熱器測試點為三處，環(huán)境溫度采用兩根熱電偶測試,，測試結(jié)果如表3所示,。

　　3.2 陶瓷LED燈具和鋁制壓鑄LED燈具的計算機(jī)仿真

　　為了研究和設(shè)計陶瓷LED燈具，我們借助計算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析,。本次采用的流場分析軟件為Flo-EFD（簡稱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,。

　　為便于與實驗測試進(jìn)行比較,，計算機(jī)仿真分析時，將環(huán)境溫度設(shè)為15℃,，得到的溫度分布如圖5所示（為便于查看,，隱藏了透鏡及其固定部分）。為了比較95陶瓷燈具與鋁制壓鑄燈具的熱學(xué)性能,，通過計算機(jī)仿真得到的溫度分布如圖6所示（燈具散熱器材料為鋁合金ADC12,，燈座為PBT塑料，其余參數(shù)不變,。）

　　3.3 結(jié)果分析

　　陶瓷燈具的燈座為95陶瓷材料（鋁制壓鑄燈具的燈座為PBT塑料）,，各部件得到了充分的利用。實驗測試時,，1.0h基本達(dá)到熱平衡,，環(huán)境溫度的算術(shù)平均值約14.4℃，將實驗測試和計算機(jī)仿真的溫度分布值進(jìn)行分析比較,，結(jié)果見表4所示,。

　　計算機(jī)分析結(jié)果顯示，自然對流情況下,，95陶瓷燈具的熱學(xué)性能不亞于鋁制壓鑄燈具,，陶瓷燈具可以充分利用各個零部件的幾何特征，所以燈具的整體溫度降低到了較低水平,。

　　4 陶瓷材料用于LED照明燈具的前景

　　陶瓷的使用具有悠久的歷史,，現(xiàn)代工藝制備的陶瓷材料導(dǎo)熱率較高,，空氣自然對流下，完全可以充當(dāng)LED照明燈具的散熱材料,。氮化鋁陶瓷可以直接作為封裝晶架或線路層,；氧化鋁陶瓷價格便宜，燒結(jié)技術(shù)成熟,，可釉成不同顏色,，由于其電絕緣性能優(yōu)良，并耐酸堿性,，受到很多客戶的青睞,。但是，陶瓷材料并不是完美無瑕的,，陶瓷散熱器鰭片不能太?。ê穸?ge;1.5mm），密度稍大（約為鋁的1.5倍）,，中高應(yīng)力下會產(chǎn)生裂紋，無釉表面容易污染等,。

　　總的來說,，陶瓷材料用于LED的前景良好，特別適于體積較小的照明燈具,。