新型材料在LED行業(yè)熱管理的應(yīng)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(tái)，為LED照明帶來重大發(fā)展契機(jī)。據(jù)行業(yè)報(bào)告顯示，我國(guó)LED照明行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模從2008年至2012年由不足140億增長(zhǎng)至約800億，增長(zhǎng)率約484%，預(yù)計(jì)2013年我國(guó)LED照明行業(yè)將突破1000億，增長(zhǎng)率達(dá)38.6%。

　　在LED產(chǎn)業(yè)鏈條中，上游芯片、外延等關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)際廠商（PhilipsLumileds、CK、CREE、Nichia、OSRAM等）牢牢控制。國(guó)內(nèi)LED競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)主要集中在中游加工、下游終端及部分低價(jià)值的配套產(chǎn)業(yè)，并在地域上形成形珠江三角洲、長(zhǎng)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(duì)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(guān)鍵。目前，LED行業(yè)內(nèi)高效的能量轉(zhuǎn)化和熱能控制主要通過芯片、封裝、系統(tǒng)集成三方面實(shí)現(xiàn)，主要有結(jié)構(gòu)改善和新型材料應(yīng)用兩種方式。

　　結(jié)構(gòu)改善是指依靠增大散熱面積、改善對(duì)流輻射實(shí)現(xiàn)熱管理。該技術(shù)相對(duì)難度較小、易實(shí)現(xiàn)，能在生產(chǎn)中普遍使用。現(xiàn)今，LED行業(yè)內(nèi)采用的的主要散熱技術(shù)有：微槽群復(fù)合變相技術(shù)、熱管技術(shù)、噴霧冷卻技術(shù)、熱電制冷技術(shù)、熱聲制冷技術(shù)、合成微噴及振動(dòng)制冷技術(shù)、蒸汽壓縮制冷技術(shù)等。但此方法影響產(chǎn)品體積、成本、質(zhì)量和封裝密度，且不能無限增大散熱面積，具有相當(dāng)大的局限性。

　　新型材料的應(yīng)用是當(dāng)前LED熱管理的研究重點(diǎn)，通過高導(dǎo)熱材料的運(yùn)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(zhuǎn)型中，其導(dǎo)熱材料經(jīng)歷了第一、二代到第三、四代先進(jìn)材料的轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)材料逐漸被以金剛石系列復(fù)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(yīng)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(yùn)用對(duì)LED高效熱管理實(shí)現(xiàn)有重要意義。本文重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)應(yīng)用于LED行業(yè)的新型導(dǎo)熱材料及其性能，主要有金剛石系列復(fù)合材料、碳化硅鋁、碳材料、其它材料等。

　　一、金剛石系列復(fù)合材料

　　金剛石系列復(fù)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(fù)合材料具有高導(dǎo)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(diǎn)。主要制備方法有：高溫高壓法、放電等離子燒結(jié)、粉末冶金法（冷壓燒結(jié)法、熱壓法）、液相浸滲法等。金剛石和銅/鋁的浸潤(rùn)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(guó)內(nèi)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(shí)中國(guó)、臺(tái)鉆科技等。

　　北京有色金屬研究總院研制的第四代高導(dǎo)熱、低膨脹的金剛石/銅熱導(dǎo)率達(dá)650W/m?K以上，熱膨脹系數(shù)為5-7×10-6/℃，與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，在高功率半導(dǎo)體照明器件等熱沉部位有應(yīng)用研究。金剛石/銅復(fù)合材料在大功率LED器件上應(yīng)用后散熱效果顯著，結(jié)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(shì)。

　　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(qiáng)體的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，融合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優(yōu)勢(shì)。因其高導(dǎo)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(qiáng)度，在LED電子封裝中有運(yùn)用前景。碳化硅/鋁在基板上應(yīng)用較廣泛，有多家公司如有研總院、江蘇鼎啟（代理美國(guó)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(fù)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(yīng)用LED、航空、航天、電子元器件、殼體封裝等廣泛領(lǐng)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(dǎo)電性、有機(jī)塑料的可塑性、高的平面熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性等工藝特征一身。除類似金屬材料的高導(dǎo)熱性能外，“輕薄、柔韌”的性能決定了它廣泛應(yīng)用于電子機(jī)器內(nèi)的半導(dǎo)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(shè)備、特別是在智能手機(jī)上廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要供應(yīng)商有韓國(guó)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(guó)內(nèi)LED照明市場(chǎng)采用的導(dǎo)熱新型材料還有其它類別：如鉬銅、鎢銅、銅-鉬銅-銅、氣相生長(zhǎng)碳纖維、碳納米管、導(dǎo)熱絕緣硅膠材料、導(dǎo)熱硅脂、灌封硅膠等。在新型材料的開發(fā)及應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)（如北京有色金屬研究總院等）有和國(guó)際知名公司相當(dāng)?shù)膶?shí)力。

　　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(jìn)入發(fā)展好時(shí)機(jī)，但國(guó)內(nèi)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(shí)產(chǎn)權(quán)、生產(chǎn)成本高等的市場(chǎng)壓力。限于結(jié)構(gòu)改善在LED熱管理中的局限性，新型材料是LED散熱的關(guān)鍵。在LED照明的改進(jìn)中，新型導(dǎo)熱材料的應(yīng)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(chǎng)需求等多因素。新型導(dǎo)熱材料性能的提升、封裝工藝的改進(jìn)、模組化封裝逐漸成為L(zhǎng)ED行業(yè)高效熱管理實(shí)現(xiàn)的研究熱點(diǎn)。