LED照明中陶瓷材料的應(yīng)用技術(shù)

　　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(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)，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?dú)w于二聲子組合輻射。