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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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。
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。
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