新型材料在LED行業(yè)熱管理的應用

“十二五”七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和地方節(jié)能環(huán)保LED照明推廣政策的出臺，為LED照明帶來重大發(fā)展契機。據(jù)行業(yè)報告顯示，我國LED照明行業(yè)市場規(guī)模從2008年至2012年由不足140億增長至約800億，增長率約484%，預計2013年我國LED照明行業(yè)將突破1000億，增長率達38.6%。

　　在LED產(chǎn)業(yè)鏈條中，上游芯片、外延等關鍵技術被國際廠商（PhilipsLumileds、CK、CREE、Nichia、OSRAM等）牢牢控制。國內LED競爭市場主要集中在中游加工、下游終端及部分低價值的配套產(chǎn)業(yè)，并在地域上形成形珠江三角洲、長江三角洲、北方地區(qū)、閔三角地區(qū)四大產(chǎn)業(yè)鏈區(qū)域。

　　圖1：LED產(chǎn)業(yè)鏈及代表公司

　　伴隨大功率LED照明的普及發(fā)展，產(chǎn)品元器件對散熱性能的要求越來越高。高效熱管理成為制約大功率LED發(fā)展的關鍵。目前，LED行業(yè)內高效的能量轉化和熱能控制主要通過芯片、封裝、系統(tǒng)集成三方面實現(xiàn)，主要有結構改善和新型材料應用兩種方式。

　　結構改善是指依靠增大散熱面積、改善對流輻射實現(xiàn)熱管理。該技術相對難度較小、易實現(xiàn)，能在生產(chǎn)中普遍使用?，F(xiàn)今，LED行業(yè)內采用的的主要散熱技術有：微槽群復合變相技術、熱管技術、噴霧冷卻技術、熱電制冷技術、熱聲制冷技術、合成微噴及振動制冷技術、蒸汽壓縮制冷技術等。但此方法影響產(chǎn)品體積、成本、質量和封裝密度，且不能無限增大散熱面積，具有相當大的局限性。

　　新型材料的應用是當前LED熱管理的研究重點，通過高導熱材料的運用直接大幅度提升元器件的性能。照明行業(yè)在傳統(tǒng)照明向LED照明的轉型中，其導熱材料經(jīng)歷了第一、二代到第三、四代先進材料的轉化，傳統(tǒng)材料逐漸被以金剛石系列復合材料、碳材料、熱界面材料為代表的新型材料取代。新型材料越來越多應用于LED基板及封裝。

　　就LED行業(yè)而言，新型材料在基板和封裝上的運用對LED高效熱管理實現(xiàn)有重要意義。本文重點介紹國內應用于LED行業(yè)的新型導熱材料及其性能，主要有金剛石系列復合材料、碳化硅鋁、碳材料、其它材料等。

　　一、金剛石系列復合材料

　　金剛石系列復合材料主要有金剛石/銅、金剛石/鋁。以銅/鋁為基體，金剛石顆粒為功能組元的金剛石系列復合材料具有高導熱率、低熱膨脹系數(shù)、密度較小、較好的可鍍覆性和可加工性等優(yōu)點。主要制備方法有：高溫高壓法、放電等離子燒結、粉末冶金法（冷壓燒結法、熱壓法）、液相浸滲法等。金剛石和銅/鋁的浸潤性、金剛石石墨化、制造成本等是影響企業(yè)生產(chǎn)的主要問題。國內只有較少的企業(yè)及院所能夠生產(chǎn)，例如北京有色金屬研究總院（有研總院）、攀時中國、臺鉆科技等。

　　北京有色金屬研究總院研制的第四代高導熱、低膨脹的金剛石/銅熱導率達650W/m?K以上，熱膨脹系數(shù)為5-7×10-6/℃，與國外同類產(chǎn)品相當，居國內領先，在高功率半導體照明器件等熱沉部位有應用研究。金剛石/銅復合材料在大功率LED器件上應用后散熱效果顯著，結溫降低了10.6%，熱阻降低了33.3%，大幅度提高了大功率LED器件的壽命和可靠性，充分發(fā)揮了該材料的優(yōu)勢。

　　二碳化硅鋁

　　碳化硅/鋁是以鋁合金作基體，碳化硅顆粒為增強體的顆粒增強金屬基復合材料，融合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優(yōu)勢。因其高導熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)、密度小、重量輕，以及高硬度和高抗彎強度，在LED電子封裝中有運用前景。碳化硅/鋁在基板上應用較廣泛，有多家公司如有研總院、江蘇鼎啟（代理美國TTC材料）等生產(chǎn)。北京有色金屬研究總院生產(chǎn)的新型碳化硅鋁復合材料具有“輕、硬、剛、巧、廉、美”的特征，滿足了封裝的輕便化、高密度化等要求，適于應用LED、航空、航天、電子元器件、殼體封裝等廣泛領域。

　　三碳材料

　　碳材料主要由指由石墨制成的石墨片、石墨膜等，集金屬材料的導電性、有機塑料的可塑性、高的平面熱性能、化學穩(wěn)定性等工藝特征一身。除類似金屬材料的高導熱性能外，“輕薄、柔韌”的性能決定了它廣泛應用于電子機器內的半導體、鋰電池周邊的散熱片及散熱器等部件。一經(jīng)問世，碳材料便迅速在led電子、平板電腦、手持設備、特別是在智能手機上廣泛應用。國內市場的主要供應商有韓國SKC、深圳壘石、跨越有限公司等。

　　四其他材料

　　除上述新型材料外，國內LED照明市場采用的導熱新型材料還有其它類別：如鉬銅、鎢銅、銅-鉬銅-銅、氣相生長碳纖維、碳納米管、導熱絕緣硅膠材料、導熱硅脂、灌封硅膠等。在新型材料的開發(fā)及應用方面，國內只有少數(shù)企業(yè)（如北京有色金屬研究總院等）有和國際知名公司相當?shù)膶嵙Α?/P>

　　伴隨綠色建筑、節(jié)能環(huán)保的推廣，LED商業(yè)及民用照明進入發(fā)展好時機，但國內LED行業(yè)廠商依舊面臨處于產(chǎn)業(yè)鏈低端、缺乏自主知識產(chǎn)權、生產(chǎn)成本高等的市場壓力。限于結構改善在LED熱管理中的局限性，新型材料是LED散熱的關鍵。在LED照明的改進中，新型導熱材料的應用除產(chǎn)品本身的性能外仍需考慮生產(chǎn)成本、規(guī)?；a(chǎn)可操作性、市場需求等多因素。新型導熱材料性能的提升、封裝工藝的改進、模組化封裝逐漸成為LED行業(yè)高效熱管理實現(xiàn)的研究熱點。