LED照明中陶瓷材料的应用技术

　　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。

　　压铸模流分析软件氮化铝陶瓷膨胀系数较低、导热系数高，常作为芯片封装的热沉。LED散热的一大瓶颈为电基板，普通铝基板的导热系数仅1.0~2.5W/mK，不到陶瓷基板（如图2）的20%，采用陶瓷基板可以大幅度地降低LED的PN结温度（下文将简称为结温）。

　　陶瓷电基板可以通过流延法或共晶烧结制成，但价格较高，大规模应用为时尚早；陶瓷用作芯片封装的热沉部件，因几何结构简单，一些LED封装厂商已开始使用。上述二者主要是利用材料的导热性能将热量传导到散热器上，几乎不用考虑如何将热量散发到空气中，设计时关心的是它的导热系数。

　　LED灯具的散热器用于将热量散发到周围的空间中，散热器常采用氧化铝（Al2O3）陶瓷材料（样灯如图3所示）。氧化铝陶瓷价格便宜，技术成熟，采用压铸烧结技术，设计度大，价格较低，现阶段得到一定规模的应用，下文将对此进行详细分析。

　　2陶瓷材料的热辐射机理

　　我们知道，热交换的基本途径为：传导、对流和辐射。为了有效散热，人们常通过减少热流途径的热阻和加强对流系数来实现，往往忽略了热辐射。LED灯具一般采用自然对流散热，散热器将LED产生的热量快速传递到散热器表面，由于对流系数较低，热量不能及时地散发到周围的空气中，导致表面温度升高，LED的工化。提高辐射率可以有效地将散热器表面的热量通过热辐射的形式带走，一般铝制散热器通过阳极氧化来提高表面辐射率，陶瓷材料本身可以具有高辐射率特性，不必进行复杂的后续处理。

　　陶瓷材料的辐射机理是由随机性振动的非谐振效应的二声子和多声子产生。高辐射陶瓷材料如碳化硅、金属氧化物、硼化物等均存在极强的红外激活极性振动，这些极性振动由于具有极强的非谐效应，其双频和频区的吸收系数，一般具有100~100cm-1数量级，相当于中等强度吸收区在这个区域剩余反射带的较低反射率，因此，有利于形成一个较平坦的强辐射带。

　　一般来说，具有高热辐射效率的辐射带，大致是从强共振波长延伸到短波整个二声子组合和频区域，包括部分多声子组合区域，这是多数高辐射陶瓷材料辐射带的共同特点，可以说，强辐射带主要源于该波段的二声子组合辐射。除少数例外，一般辐射陶瓷的辐射带集中在大于5m的二声子、三声子区。因此，对外辐射陶瓷而言，1~5m波段的辐射主要来自于载流子的带内跃迁或电子从杂质能级到导带的直接跃迁，大于5m波段的辐射主要归于二声子组合辐射。