引言

　　LED是一種新型固態光源，自問世以來受到了極大的關(guan) 注。它的發光機理是靠PN結中的電子在能帶間躍遷產(chan) 生光能。在外電場的作用下，電子與(yu) 空穴的輻射複合發生電致作用，一部分能量轉化為(wei) 光能，無輻射複合產(chan) 生的晶格震蕩將其餘(yu) 能量轉化為(wei) 熱能。

　　目前LED的發光效率僅(jin) 20%~30%，其餘(yu) 能量大多轉化為(wei) 熱能，大量的熱能需要及時地散發出去，否則將會(hui) 使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發展的同時，人們(men) 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、表麵處理技術成熟的優(you) 勢，一直占據著LED照明主體(ti) 材料的市場。隨著人們(men) 對安全性能要求的提高，鋁材的導電性成為(wei) 其一道致命的傷(shang) 疤，為(wei) 了提高LED照明燈具（下文簡稱為(wei) LED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們(men) 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，現代技術製備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹係數低的特點，完全可以成為(wei) LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用於(yu) 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(you) 良的電絕緣性和低密度值，高調地進入了散熱材料市場，現階段由於(yu) 價(jia) 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(chuan) 熱機理

　　陶瓷屬於(yu) 非金屬材料，晶體(ti) 結構中沒有自由電子，具有優(you) 秀的絕緣性能。它的傳(chuan) 熱屬於(yu) 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(ti) 材料的最大導熱係數可高達320W/mK。

　　一般認為(wei) ，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(nei) 部的氧自發擴散到晶界處，使晶粒基體(ti) 內(nei) 部的氧含量降低，缺陷的數量和種類減少，從(cong) 而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由於(yu) 製備技術的不同，陶瓷材料的熱導率也不一樣，常用陶瓷材料的導熱係數如表1所示。

      陶瓷材料的熱導率與(yu) 添加劑含量也有著密切的關(guan) 係。河北工業(ye) 大學的梁廣川等人對稀土氧化物Y2O3含量與(yu) 密度和導熱率的關(guan) 係也做了實驗研究。他們(men) 采用的一種氮化鋁（AlN）陶瓷粉體(ti) 為(wei) ：平均粒度3m，氧雜質含量0.97wt%，添加劑為(wei) 純度99.95%的Y2O3。

　　經過常壓氮氣環境燒結、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體(ti) 的Y2O3含量和導熱係數關(guan) 係如圖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係數達到160W/mK左右，已經超過了壓鑄鋁材ADC12的導熱係數（ADC12的導熱係數為(wei) 96.2W/mK），完全可以用作散熱器的製作材料。

　　氮化鋁陶瓷膨脹係數較低、導熱係數高，常作為(wei) 芯片封裝的熱沉。LED散熱的一大瓶頸為(wei) 電路基板，普通鋁基板的導熱係數僅(jin) 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(wei) 結溫）。

　　陶瓷電路基板可以通過流延法或共晶燒結製成，但價(jia) 格較高，大規模應用為(wei) 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(chuan) 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(guan) 心的是它的導熱係數。

　　LED燈具的散熱器用於(yu) 將熱量散發到周圍的空間中，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(jia) 格便宜，技術成熟，采用壓鑄燒結技術，設計自由度大，價(jia) 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。