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LED照明中陶瓷材料的应用技术
来源:本站整理  作者:佚名  2011-08-10 07:31:36



   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。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。)

      3.3 结果分析

  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。

  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。

 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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