中心議題：
- 陶瓷材料的傳熱機理
- 陶瓷材料的熱輻射機理
- 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究
- 陶瓷材料用于LED照明燈具的前景
引言
LED是一種新型固態(tài)光源，自問世以來受到了極大的關注。它的發(fā)光機理是靠PN結中的電子在能帶間躍遷產生光能。在外電場的作用下，電子與空穴的輻 射復合發(fā)生電致作用，一部分能量轉化為光能，無輻射復合產生的晶格震蕩將其余能量轉化為熱能。
目前LED的發(fā)光效率僅20%~30%，其余能量大多轉化為熱能，大量的熱能需要及時地散發(fā)出去，否則將會使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所 以，在LED快速發(fā)展的同時，人們也不斷進行著LED散熱新技術的研究。
金屬鋁材憑借著密度小、熱導率高、表面處理技術成熟的優(yōu)勢，一直占據(jù)著LED照明主體材料的市場。隨著人們對安全性能要求的提高，鋁材的導電性成為 其一道致命的傷疤，為了提高LED照明燈具（下文簡稱為LED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。
開始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導塑料。人類對陶瓷材料的使用已有幾千年了，現(xiàn)代技術制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率 大、膨脹系數(shù)低的特點，完全可以成為LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。高熱導塑料憑 借著其優(yōu)良的電絕緣性和低密度值，高調地進入了散熱材料市場，現(xiàn)階段由于價格高，應用率不大。本文主要討論陶瓷材料在LED照明中的應用技術。
1 陶瓷材料的傳熱機理
陶瓷屬于非金屬材料，晶體結構中沒有自由電子，具有優(yōu)秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導熱機理，當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導率 就越高。理論表明，陶瓷晶體材料的最大導熱系數(shù)可高達320W/mK。
一般認為，在影響陶瓷材料導熱率的諸多因素中，結構缺陷是主要的影響因素。在燒結的過程中，氧雜質進入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯、反相疇界等結 構缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低。現(xiàn)代陶瓷技術通過生成第二相，把氧固定在晶界上，減少了氧雜質進入晶格的可能性，隨著晶界處的氧 濃度大大降低，晶粒內部的氧自發(fā)擴散到晶界處，使晶粒基體內部的氧含量降低，缺陷的數(shù)量和種類減少，從而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由于制 備技術的不同，陶瓷材料的熱導率也不一樣，常用陶瓷材料的導熱系數(shù)如表1所示。
陶瓷材料的熱導率與添加劑含量也有著密切的關系。河北工業(yè)大學的梁廣川等人對稀土氧化物Y2O3含量與密度和導熱率的關系也做了實驗研究。他們采用 的一種氮化鋁（AlN）陶瓷粉體為：平均粒度3m，氧雜質含量0.97wt%，添加劑為純度99.95%的Y2O3。
經過常壓氮氣環(huán)境燒結、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導熱系數(shù)關系如圖1所示。由圖1可知，添加適量的稀土氧化物Y2O3可 以使氮化鋁陶瓷的導熱系數(shù)達到160W/mK左右，已經超過了壓鑄鋁材ADC12的導熱系數(shù)（ADC12的導熱系數(shù)為96.2W/mK），完全可以用作散 熱器的制作材料。
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氮化鋁陶瓷膨脹系數(shù)較低、導熱系數(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結溫度（下文將簡稱為結溫）。
陶瓷電路基板可以通過流延法或共晶燒結制成，但價格較高，大規(guī)模應用為時尚早；陶瓷用作芯片封裝的熱沉部件，因幾何結構簡單，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熱性能將熱量傳導到散熱器上，幾乎不用考慮如何將熱量散發(fā)到空氣中，設計時關心的是它的導熱系數(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，技術成熟， 采用壓鑄燒結技術，設計自由度大，價格較低，現(xiàn)階段得到一定規(guī)模的應用，下文將對此進行詳細分析。
2 陶瓷材料的熱輻射機理
我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導、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對流系數(shù)來實現(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，不必進行復雜的后續(xù)處理。
陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二聲子和多聲子產生。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的紅外激活極性振 動，這些極性振動由于具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區(qū)的吸收系數(shù)，一般具有100~100cm-1數(shù)量級，相當于中等強度吸收區(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輻射帶。
一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強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，可以說，強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躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要歸于二聲子組合輻射。
劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質量的遠紅外陶瓷釉面也進行了測試，輻射率 約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時的輻射性能、釉面質量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了 0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬秋、吳春蕓對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進行了測試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學研究 發(fā)現(xiàn)，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉涂料最高輻射率可達0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高 的紅外輻射率，是其替代傳統(tǒng)鋁制散熱器的一大重要參數(shù)。
3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究
3.1 陶瓷LED燈具實驗測試
氧化鋁陶瓷的導熱系數(shù)與氧化鋁的成分（純度）有很大的關系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化鋁陶瓷（簡稱為95陶瓷）導熱系數(shù)約 22.4W/mK，耐壓10kV/mm，由此制成LED燈具的樣品如圖4所示。
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燈具型號為GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鰭片散熱器和燈座均采用95陶瓷材料，并通過螺紋連接。
燈具安裝三顆Handson（漢德森）LED光源，內置恒流驅動電源，總消耗功率約3.55W，采用透鏡配光，總光通量約150lm。
由于LED的結溫不能直接測得，常采用間接測試法，目前主要有2種：
①電參數(shù)法：LED隨著結溫的上升，兩端電壓呈線性降低，比例系數(shù)K的典型值為4mV/℃，結溫可按式（1）進行計算；②熱電偶間接測試法：通過測 試LED焊腳的溫度sp間接得到結溫值，此時結溫可按式（2）進行計算。
式中：為結溫，0為初始溫度，K為比例系數(shù)，△F為電壓變化的絕對值。
式中：為結溫，sp為LED焊腳的溫度，th為PN結到焊腳的平均熱阻，為芯片功率。
本次進行溫度測試的方法為熱電偶測試法。LED焊腳測試點為兩處，燈體散熱器測試點為三處，環(huán)境溫度采用兩根熱電偶測試，測試結果如表3所示。
3.2 陶瓷LED燈具和鋁制壓鑄LED燈具的計算機仿真
為了研究和設計陶瓷LED燈具，我們借助計算機軟件進行仿真分析。本次采用的流場分析軟件為Flo-EFD（簡稱 EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD為NIKA的旗艦產品，主要用于汽車、航空航天、機械、船舶、電子通訊、醫(yī)療器械、 能源化工、暖通、流體控制設備、LED半導體行業(yè)等。軟件可進行各種LED封裝產品、航空航天燈、各種節(jié)能燈、LED發(fā)光管、車用燈具、顯示屏等的熱分 析。
為便于與實驗測試進行比較，計算機仿真分析時，將環(huán)境溫度設為15℃，得到的溫度分布如圖5所示（為便于查看，隱藏了透鏡及其固定部分）。為了比較 95陶瓷燈具與鋁制壓鑄燈具的熱學性能，通過計算機仿真得到的溫度分布如圖6所示（燈具散熱器材料為鋁合金ADC12，燈座為PBT塑料，其余參數(shù)不 變。）
3.3 結果分析
陶瓷燈具的燈座為95陶瓷材料（鋁制壓鑄燈具的燈座為PBT塑料），各部件得到了充分的利用。實驗測試時，1.0h基本達到熱平衡，環(huán)境溫度的算術 平均值約14.4℃，將實驗測試和計算機仿真的溫度分布值進行分析比較，結果見表4所示。
計算機分析結果顯示，自然對流情況下，95陶瓷燈具的熱學性能不亞于鋁制壓鑄燈具，陶瓷燈具可以充分利用各個零部件的幾何特征，所以燈具的整體溫度 降低到了較低水平。
4 陶瓷材料用于LED照明燈具的前景
陶瓷的使用具有悠久的歷史，現(xiàn)代工藝制備的陶瓷材料導熱率較高，空氣自然對流下，完全可以充當LED照明燈具的散熱材料。氮化鋁陶瓷可以直接作為封 裝晶架或線路層；氧化鋁陶瓷價格便宜，燒結技術成熟，可釉成不同顏色，由于其電絕緣性能優(yōu)良，并耐酸堿性，受到很多客戶的青睞。但是，陶瓷材料并不是完美 無瑕的，陶瓷散熱器鰭片不能太?。ê穸?ge;1.5mm），密度稍大（約為鋁的1.5倍），中高應力下會產生裂紋，無釉表面容易污染等。
總的來說，陶瓷材料用于LED的前景良好，特別適于體積較小的照明燈具。
