标题:陶瓷材料用于LED照明灯具的前景    Keywords:LED照明灯具 LED照明灯 LED的前景 恒流驱动电源 LED照明 LED光源 LED封装 LED灯具 LED灯 恒流驱动 固态光源 LED光 照明灯具 驱动电源 半导体 显示屏 节能灯 新技术 陶瓷灯 照明灯
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陶瓷材料用于LED照明灯具的前景

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gtzhu2014  于2014-05-17 10:34:40 发表
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LED是一种新型固态光源,自问世以来受到了极大的关注大的关注。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。







 
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