陶瓷材料在LED照明中的应用
来源：中国IT实验室
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。
灯具型号为GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鳍片散热器和灯座均采用95陶瓷材料，并通过螺纹连接。
灯具安装三颗Handson（汉德森）LED光源，内置恒流驱动电源，总消耗功率约3.55W，采用透镜配光，总光通量约150lm。
由于LED的结温不能直接测得，常采用间接测试法，目前主要有2种：
①电参数法：LED随着结温的上升，两端电压呈线性降低，比例系数K的典型值为4mV/℃，结温可按式（1）进行计算；②热电偶间接测试法：通过测 试LED焊脚的温度sp间接得到结温值，此时结温可按式（2）进行计算。
式中：为结温，0为初始温度，K为比例系数，△F为电压变化的绝对值。
式中：为结温，sp为LED焊脚的温度，th为PN结到焊脚的平均热阻，为芯片功率。
本次进行温度测试的方法为热电偶测试法。LED焊脚测试点为两处，灯体散热器测试点为三处，环境温度采用两根热电偶测试。
3.2 陶瓷LED灯具和铝制压铸LED灯具的计算机仿真
为了研究和设计陶瓷LED灯具，我们借助计算机软件进行仿真分析。本次采用的流场分析软件为Flo-EFD（简称 EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD为NIKA的旗舰产品，主要用于汽车、航空航天、机械、船舶、电子通讯、医疗器械、 能源化工、暖通、流体控制设备、LED半导体行业等。软件可进行各种LED封装产品、航空航天灯、各种节能灯、LED发光管、车用灯具、显示屏等的热分 析。
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（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。
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。
