陶瓷材料在LED照明中的應(yīng)用

　　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(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(chǎng)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(wú)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(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(shì)，一直占據(jù)著LED照明主體材料的市場(chǎng)。隨著人們對(duì)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(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED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(dǎo)塑料。人類對(duì)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(diǎn)，完全可以成為L(zhǎng)ED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(chǎng)，現(xiàn)階段由于價(jià)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(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(dǎo)熱機(jī)理，當(dāng)晶格完整無(wú)缺陷時(shí)，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(guò)程中，氧雜質(zhì)進(jìn)入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯(cuò)、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(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，使晶粒基體內(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。

　　燈具型號(hào)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(nèi)置恒流驅(qū)動(dòng)電源，總消耗功率約3.55W，采用透鏡配光，總光通量約150lm。

[$page]　　由于LED的結(jié)溫不能直接測(cè)得，常采用間接測(cè)試法，目前主要有2種：

　　①電參數(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(jì)算；②熱電偶間接測(cè)試法：通過(guò)測(cè) 試LED焊腳的溫度sp間接得到結(jié)溫值，此時(shí)結(jié)溫可按式（2）進(jìn)行計(jì)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(duì)值。

　　式中：為結(jié)溫，sp為L(zhǎng)ED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(cè)試的方法為熱電偶測(cè)試法。LED焊腳測(cè)試點(diǎn)為兩處，燈體散熱器測(cè)試點(diǎn)為三處，環(huán)境溫度采用兩根熱電偶測(cè)試。

　　3.2 陶瓷LED燈具和鋁制壓鑄LED燈具的計(jì)算機(jī)仿真

　　為了研究和設(shè)計(jì)陶瓷LED燈具，我們借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析。本次采用的流場(chǎng)分析軟件為Flo-EFD（簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行比較，計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)，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(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到的溫度分布（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(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，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(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算機(jī)仿真的溫度分布值進(jìn)行分析比較。

　　計(jì)算機(jī)分析結(jié)果顯示，自然對(duì)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(gè)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(duì)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(jià)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(wú)瑕的，陶瓷散熱器鰭片不能太薄（厚度≥1.5mm），密度稍大（約為鋁的1.5倍），中高應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生裂紋，無(wú)釉表面容易污染等。

　　總的來(lái)說(shuō)，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。