陶瓷材料在LED照明散热中的应用.doc

陶瓷材料在LED照明散热中的应用 顶(15) 2011-07-22 17:57:23 文章来源：OFweek半导体照明网 我来说两句 (1) 导读: 人类对陶瓷材料的使用已有几千年了，现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具散热器材料。 关键字 陶瓷材料??LED照明??LED封装??LED散热?? 　　引言 　　LED是一种新型固态光源，自问世以来受到了极大的关注。它的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能。在外电场的作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用，一部分能量转化为光能，无辐射复合产生的晶格震荡将其余能量转化为热能。 　　目前LED的发光效率仅20%~30%，其余能量大多转化为热能，大量的热能需要及时地散发出去，否则将会使LED的寿命减少，甚至永久性失效。所以，在LED快速发展的同时，人们也不断进行着LED散热新技术的研究。 　　金属铝材凭借着密度小、热导率高、表面处理技术成熟的优势，一直占据着LED照明主体材料的市场。随着人们对安全性能要求的提高，铝材的导电性成为其一道致命的伤疤，为了提高LED照明灯具（下文简称为LED灯具）的使用安全性，电绝缘材料引起了人们的重视。 　　开始崭露头角的电绝缘材料有陶瓷材料和高热导塑料。人类对陶瓷材料的使用已有几千年了，现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具散热器材料。高热导塑料凭借着其优良的电绝缘性和低密度值，高调地进入了散热材料市场，现阶段由于价格高，应用率不大。本文主要讨论陶瓷材料在LED照明中的应用技术。 　　1 陶瓷材料的传热机理 　　陶瓷属于非金属材料，晶体结构中没有自由电子，具有优秀的绝缘性能。它的传热属于声子导热机理，当晶格完整无缺陷时，声子的平均自由程越大，热导率就越高。理论表明，陶瓷晶体材料的最大导热系数可高达320W/mK。 　　一般认为，在影响陶瓷材料导热率的诸多因素中，结构缺陷是主要的影响因素。在烧结的过程中，氧杂质进入陶瓷晶格中，伴随着空位、位错、反相畴界等结构缺陷，显着地降低了声子的平均自由程，导致热导率降低。现代陶瓷技术通过生成第二相，把氧固定在晶界上，减少了氧杂质进入晶格的可能性，随着晶界处的氧浓度大大降低，晶粒内部的氧自发扩散到晶界处，使晶粒基体内部的氧含量降低，缺陷的数量和种类减少，从而降低声子散射几率，增加声子的平均自由程。由于制备技术的不同，陶瓷材料的热导率也不一样，常用陶瓷材料的导热系数如表1所示。 ? 　　 解读：陶瓷材料在LED照明散热中的应用 顶(15) 2011-07-22 17:57:23 文章来源：OFweek半导体照明网 我来说两句 (1) 导读: 人类对陶瓷材料的使用已有几千年了，现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点，完全可以成为LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具散热器材料。 关键字 陶瓷材料??LED照明??LED封装??LED散热?? 　　陶瓷材料的热导率与添加剂含量也有着密切的关系。河北工业大学的梁广川等人对稀土氧化物Y2O3含量与密度和导热率的关系也做了实验研究。他们采用的一种氮化铝（AlN）陶瓷粉体为：平均粒度3m，氧杂质含量0.97wt%，添加剂为纯度99.95%的Y2O3。 　　经过常压氮气环境烧结、抛光（光洁度0.25m）处理，粉体的Y2O3含量和导热系数关系如图1所示。由图1可知，添加适量的稀土氧化物Y2O3可以使氮化铝陶瓷的导热系数达到160W/mK左右，已经超过了压铸铝材ADC12的导热系数（ADC12的导热系数为96.2W/mK），完全可以用作散热器的制作材料。 ? 　　 ? 　　氮化铝陶瓷膨胀系数较低、导热系数高，常作为芯片封装的热沉。LED散热的一大瓶颈为电路基板，普通铝基板的导热系数仅1.0~2.5W/mK，不到陶瓷基板（如图2）的20%，采用陶瓷基板可以大幅度地降低LED的PN结温度（下文将简称为结温）。 ? 　　 ? 　　陶瓷电路基板可以通过流延法或共晶烧结制成，但价格较高，大规模应用为时尚早；陶瓷用作芯片封装的热沉部件，因几何结构简单，一些LED封装厂商已开始使用。上述二者主要是利用材料的导热性能将热量传导到散热器上，几乎不用考虑如何将热量散发到空气中，设计时关心的是它的导热系数。 　　LED灯具的散热器用于将热量散发到周围的空间中，散热器常采用氧化铝（Al2O3）陶瓷材料（样灯如图