陶瓷材料在LED照明中的应用

中心议题：

• 陶瓷材料的传热机理
• 陶瓷材料的热辐射机理
• 氧化铝陶瓷材料的LED照明灯具研究
• 陶瓷材料用于LED照明灯具的前景

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。

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。

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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3所示）。氧化铝陶瓷价格便宜，技术成熟， 采用压铸烧结技术，设计自由度大，价格较低，现阶段得到一定规模的应用，下文将对此进行详细分析。

2 陶瓷材料的热辐射机理

我们知道，热交换的基本途径为：传导、对流和辐射。为了有效散热，人们常通过减少热流途径的热阻和加强对流系数来实现，往往忽略了热辐射。LED灯 具一般采用自然对流散热，散热器将LED产生的热量快速传递到散热器表面，由于对流系数较低，热量不能及时地散发到周围的空气中，导致表面温度升 高，LED的工作环境恶化。提高辐射率可以有效地将散热器表面的热量通过热辐射的形式带走，一般铝制散热器通过阳极氧化来提高表面辐射率，陶瓷材料本身可 以具有高辐射率特性，不必进行复杂的后续处理。

陶瓷材料的辐射机理是由随机性振动的非谐振效应的二声子和多声子产生。高辐射陶瓷材料如碳化硅、金属氧化物、硼化物等均存在极强的红外激活极性振 动，这些极性振动由于具有极强的非谐效应，其双频和频区的吸收系数，一般具有100~100cm-1数量级，相当于中等强度吸收区在这个区域剩余反射带的 较低反射率，因此，有利于形成一个较平坦的强辐射带。

一般来说，具有高热辐射效率的辐射带，大致是从强共振波长延伸到短波整个二声子组合和频区域，包括部分多声子组合区域，这是多数高辐射陶瓷材料辐射 带的共同特点，可以说，强辐射带主要源于该波段的二声子组合辐射。除少数例外，一般辐射陶瓷的辐射带集中在大于5m的二声子、三声子区。因此，对于红外辐 射陶瓷而言，1~5m波段的辐射主要来自于自由载流子的带内跃迁或电子从杂质能级到导带的直接跃迁，大于5m波段的辐射主要归于二声子组合辐射。

刘维良、骆素铭对常温陶瓷红外辐射做了研究，测试的陶瓷样品红外辐射率约0.82~0.94，对不同表面质量的远红外陶瓷釉面也进行了测试，辐射率 约0.6~0.88，并从陶瓷断口SEM照片中得出远红外陶瓷粉在釉中添加量为10wt%时的辐射性能、釉面质量、颜色和成本较佳，其辐射率达到了 0.83，其他性能均达到国家日用瓷标准要求。崔万秋、吴春芸对低温远红外陶瓷块状样品进行了测试，红外辐射率为0.78~0.94。李红涛、刘建学研究 发现，常温远红外陶瓷辐射率一般可达0.85，国外Enecoat釉涂料最高辐射率可达0.93~0.94。众多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高 的红外辐射率，是其替代传统铝制散热器的一大重要参数。

3 氧化铝陶瓷材料的LED照明灯具研究

3.1 陶瓷LED灯具实验测试

氧化铝陶瓷的导热系数与氧化铝的成分（纯度）有很大的关系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化铝陶瓷（简称为95陶瓷）导热系数约 22.4W/mK，耐压10kV/mm，由此制成LED灯具的样品如图4所示。

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灯具型号为GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鳍片散热器和灯座均采用95陶瓷材料，并通过螺纹连接。

灯具安装三颗Handson（汉德森）LED光源，内置恒流驱动电源，总消耗功率约3.55W，采用透镜配光，总光通量约150lm。

由于LED的结温不能直接测得，常采用间接测试法，目前主要有2种：

①电参数法：LED随着结温的上升，两端电压呈线性降低，比例系数K的典型值为4mV/℃，结温可按式（1）进行计算；②热电偶间接测试法：通过测 试LED焊脚的温度sp间接得到结温值，此时结温可按式（2）进行计算。

式中：为结温，0为初始温度，K为比例系数，△F为电压变化的绝对值。

式中：为结温，sp为LED焊脚的温度，th为PN结到焊脚的平均热阻，为芯片功率。

本次进行温度测试的方法为热电偶测试法。LED焊脚测试点为两处，灯体散热器测试点为三处，环境温度采用两根热电偶测试，测试结果如表3所示。

3.2 陶瓷LED灯具和铝制压铸LED灯具的计算机仿真

为了研究和设计陶瓷LED灯具，我们借助计算机软件进行仿真分析。本次采用的流场分析软件为Flo-EFD（简称 EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD为NIKA的旗舰产品，主要用于汽车、航空航天、机械、船舶、电子通讯、医疗器械、 能源化工、暖通、流体控制设备、LED半导体行业等。软件可进行各种LED封装产品、航空航天灯、各种节能灯、LED发光管、车用灯具、显示屏等的热分 析。

为便于与实验测试进行比较，计算机仿真分析时，将环境温度设为15℃，得到的温度分布如图5所示（为便于查看，隐藏了透镜及其固定部分）。为了比较 95陶瓷灯具与铝制压铸灯具的热学性能，通过计算机仿真得到的温度分布如图6所示（灯具散热器材料为铝合金ADC12，灯座为PBT塑料，其余参数不 变。）

陶瓷灯具的灯座为95陶瓷材料（铝制压铸灯具的灯座为PBT塑料），各部件得到了充分的利用。实验测试时，1.0h基本达到热平衡，环境温度的算术 平均值约14.4℃，将实验测试和计算机仿真的温度分布值进行分析比较，结果见表4所示。

计算机分析结果显示，自然对流情况下，95陶瓷灯具的热学性能不亚于铝制压铸灯具，陶瓷灯具可以充分利用各个零部件的几何特征，所以灯具的整体温度 降低到了较低水平。

4 陶瓷材料用于LED照明灯具的前景

陶瓷的使用具有悠久的历史，现代工艺制备的陶瓷材料导热率较高，空气自然对流下，完全可以充当LED照明灯具的散热材料。氮化铝陶瓷可以直接作为封 装晶架或线路层；氧化铝陶瓷价格便宜，烧结技术成熟，可釉成不同颜色，由于其电绝缘性能优良，并耐酸碱性，受到很多客户的青睐。但是，陶瓷材料并不是完美 无瑕的，陶瓷散热器鳍片不能太薄（厚度≥1.5mm），密度稍大（约为铝的1.5倍），中高应力下会产生裂纹，无釉表面容易污染等。

总的来说，陶瓷材料用于LED的前景良好，特别适于体积较小的照明灯具。