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陶瓷材料在LED照明中的应用

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。

  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。

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