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陶瓷資料在LED照明散熱中的應用
來源:廣州煌牌自動設備有限公司    日期:2014-01-11    瀏覽量:

  一種新型固態光源,自問世以來受到極大的關注。發光機理是靠PN結中的電子在能帶間躍遷產生光能。外電場的作用下,電子與空穴的輻射復合發生電致作用,一局部能量轉化為光能,無輻射復合發生的晶格震蕩將其余能量轉化為熱能。

  目前LED發光效率僅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出去,否則將會使LED壽命減少,甚至永久性失效。所以,LED快速發展的同時,人們也不時進行著LED散熱新技術的研究。

  金屬鋁材憑借著密度小、熱導率高、外表處置技術幼稚的優勢,一直占據著LED照明主體資料的市場。隨著人們對平安性能要求的提高,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)使用平安性,電絕緣資料引起了人們重視。

  開始嶄露頭角的電絕緣資料有陶瓷資料和高熱導塑料。人類對陶瓷材料的使用已有幾千年了現代技術制備的陶瓷資料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數低的特點,完全可以成為LED照明的新材料。目前,陶瓷資料主要用于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良的電絕緣性和低密度值,高調地進入了散熱資料市場,現階段由于價格高,應用率不大。本文主要討論陶瓷資料在LED照明中的應用技術。

  陶瓷資料的傳熱機理

  陶瓷屬于非金屬資料,晶體結構中沒有自由電子,具有優秀的絕緣性能。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。理論標明,陶瓷晶體資料的最大導熱系數可高達一般認為,影響陶瓷資料導熱率的諸多因素中,結構缺陷是主要的影響因素。燒結的過程中,氧雜質進入陶瓷晶格中,隨同著空位、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,晶粒內部的氧自發擴散到晶界處,使晶粒基體內部的氧含量降低,缺陷的數量和種類減少,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,陶瓷資料的熱導率也不一樣,常用陶瓷資料的導熱系數如表1所示。

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  陶瓷資料的熱導率與添加劑含量也有著密切的關系。河北工業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。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%添加劑為純度經過常壓氮氣環境燒結、拋光(光潔度0.25m處置,粉體的Y2O3含量和導熱系數關系如圖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達到160W/mK左右,已經超越了壓鑄鋁材ADC12導熱系數(ADC12導熱系數為96.2W/mK完全可以用作散熱器的制作資料。

  氮化鋁陶瓷膨脹系數較低、導熱系數高,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僅1.0~2.5W/mK不到陶瓷基板(如圖220%采用陶瓷基板可以大幅度地降低LEDPN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資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到空氣中,設計時關心的導熱系數。

  燈具的散熱器用于將熱量散發到周圍的空間中,散熱器常采用氧化鋁(Al2O3陶瓷資料(樣燈如圖3所示)氧化鋁陶瓷價格廉價,技術幼稚,采用壓鑄燒結技術,設計自由度大,價格較低,現階段得到一定規模的應用,下文將對此進行詳細分析。

  陶瓷資料的熱輻射機理

  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來實現,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發生的熱量快速傳送到散熱器表面,由于對流系數較低,熱量不能及時地散發到周圍的空氣中,導致外表溫度升高,LED工作環境惡化。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外表輻射率,陶瓷資料自身可以具有高輻射率特性,不必進行復雜的后續處置。

  陶瓷資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。高輻射陶瓷資料如碳化硅、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,其雙頻和頻區的吸收系數,一般具有100~100cm-1數量級,相當于中等強度吸收區在這個區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域,包括局部多聲子組合區域,這是多數高輻射陶瓷資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。除少數例外,一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大于5m二聲子、三聲子區。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對不同外表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、劉建學研究發現,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,陶瓷資料或釉面自身具有很高的紅外輻射率,其替代激進鋁制散熱器的一大重要參數。

  氧化鋁陶瓷資料的LED照明燈具研究

  陶瓷LED燈具實驗測試

  氧化鋁陶瓷的導熱系數與氧化鋁的成分(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)導熱系數約22.4W/mK耐壓10kV/mm由此制成LED燈具的樣品如圖4所示。

  燈具型號為GU10外形尺寸49.5mm50mm鰭片散熱器和燈座均采用95陶瓷資料,并通過螺紋連接。

  燈具裝置三顆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,總光通量約由于LED結溫不能直接測得,常采用間接測試法,目前主要有2種:

  ①電參數法:LED隨著結溫的上升,兩端電壓呈線性降低,比例系數K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,△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,環境溫度采用兩根熱電偶測試,測試結果如表3所示。

  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,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EFDEngineeringFluidDynamEFD為NIKA旗艦產品,主要用于汽車、航空航天、機械、船舶、電子通訊、醫療器械、能源化工、暖通、流體控制設備、LED半導體行業等。軟件可進行各種LED封裝產品、航空航天燈、各種節能燈、LED發光管、車用燈具、顯示屏等的熱分析。

  為便于與實驗測試進行比擬,計算機仿真分析時,將環境溫度設為15℃,得到溫度分布如圖5所示(為便于查看,隱藏了透鏡及其固定局部)為了比擬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,其余參數不變。

  結果分析

  陶瓷燈具的燈座為95陶瓷資料(鋁制壓鑄燈具的燈座為PBT塑料)各部件得到充沛的利用。實驗測試時,1.0h基本達到熱平衡,環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擬,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較低水平。

  陶瓷資料用于LED照明燈具的前景

  陶瓷的使用具有悠久的歷史,現代工藝制備的陶瓷資料導熱率較高,空氣自然對流下,完全可以充任LED照明燈具的散熱資料。氮化鋁陶瓷可以直接作為封裝晶架或線路層;氧化鋁陶瓷價格廉價,燒結技術幼稚,可釉成不同顏色,由于其電絕緣性能優良,并耐酸堿性,受到很多客戶的青睞。但是陶瓷資料并不是完美無瑕的陶瓷散熱器鰭片不能太薄(厚度≥1.5mm密度稍大(約為鋁的1.5倍)中高應力下會產生裂紋,無釉外表容易污染等。

  總的來說,陶瓷資料用于LED前景良好,特別適于體積較小的照明燈具。

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