陶瓷材料在LED照明灯具上的应用

陶瓷材料在LED照明灯具上的应用日期：2011-11-26培训背景LED是一种新型固态光源，自问世以来受到了极大的关注。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。培训背景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，而陶瓷材料将拥有非常好的优势。内容contents一、陶瓷材料生产工艺介绍二、陶瓷材料在LED照明上的应用三、陶瓷材料散热机理四、KA材料、K6材料、K9材料介绍五、KA、K6、K9三种材料的市场应用六、行业展望及疑难解答（现场问题答辩）一、陶瓷材料生产工艺介绍目前我公司主要生产工艺为热压和干压工艺，散热体主要采用的是热压成型工艺热压铸成型是在压力作用下，将熔化的蜡浆料注入金属模具中，冷却凝固后得到所要的形状。1、热压成型工艺流程图2、热压成型工艺搅拌图片快速搅拌机与慢搅拌机3、热压成型机台与成型方式4、热压成型产品埋粉方式5、热压产品装钵与烧成方式6、产品烧结示意图产品在高温烧成时，伴随着温度的升高体积而逐渐减少，以达到致密状态7、热压成型工艺的优缺点优点：热压铸成型使用于以矿物原料、氧化物、氮化物等为原料的新型陶瓷的成型，尤其对外型复杂、精密度高的中小型制品更为适宜。其成型设备不复杂，模具磨损小，操作方便，生产效率高。缺点：工序较繁，耗能大，工期长，对于壁薄、大而长的制品不宜使用。二、陶瓷材料在LED照明上的应用1、本公司生产产品图片2.客户在LED中的应用实例Applicationexamplesforourcustomers3、陶瓷材料在日本的应用K9-HmaterialusedinJapanmarket9PCS2.7W的LED街灯9PCS2.7WusedforstreetlampK9-H材料外壳的球泡灯K9-HusedashousinginJapanmarket4、陶瓷材料在日本的应用K9-HmaterialusedinJapanmarket5、其他公司陶瓷散热体的应用CeramicheatsinkapplicationUSHIOMITSUBISHI6、公司陶瓷金属化应用KR’sapplicationonceramicmetallized陶瓷基板ceramicPCB简化系统moresimplesystem7、其他公司的金属化产品应用othercompany’sapplicationonceramicmetallized某公司陶瓷散热方案8.陶瓷材料主要特性及优势Mainproperties&advantages1）高绝缘性；highinsulating2）高的热辐射率；highheatdissipationrate3）单位体积散热功率高；moreefficientheatdissipation,andbringsamorecompactsize4）使用寿命长；longlife5）适用任何环境；acid&alkaliresisting,couldbeusedinanyharshenvironment.6）可以降低整体部件设计的系统成本。Itcanreducethesystemcostasakit.9.日本公司测试数据图temperaturecomparisonIAluminumCopperN-9HALN10、K9-H材料放射率测试11.公司实测温度图三、陶瓷材料导热及散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。1、导热机理一般认为，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。三、陶瓷材料导热及散热机理2、陶瓷材料散热机理我们知道，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的工作环境恶化。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100~1000cm-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。2、陶瓷材料散热机理一般来说，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，对于红外辐射陶瓷而言，1~5m波段的辐射主要来自于自由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。2、陶瓷材料散热机理四、KA材料、K6材料、K9材料介绍项目KA材料K6材料K9材料烧成温度1300℃1350℃1650℃生产周期20天20天30天产能/月200万个200万个20万个材料性能对比各种材料的性能请看附件五、KA、K6、K9三种材料的市场应用1、KA系列材料主要应用于总功率3W左右的灯泡外壳散热（如低功率的射灯及蜡烛泡系列）2、K6材料主要应用于总功率4.5W左右的灯泡外壳散热（如射灯系列，小功率的球泡系列）3、K9材料主要用于总功率8W左右的灯泡外壳散热（如大功率A60球泡系列）4、以上散热材料如果采用一体化方案，主要针对球泡系列，可应用的总功率可以在原来的基础上增加2W。KA可以达到5W，K6可以达到7W，K9可以达到10W六.展望Prospect（I）固态照明中，材料至关重要：芯片、衬底、外延片、散热器等等。今后康荣公司需要继续努力：ForSSLpart,ourcompanywouldmakeourall-outeffortonthefollowingaspects.1）开发新工艺技术（如注塑成型）提高生产技术，降低成本；developnewtechnologyandprocess,eg.injectionway,toimproveefficiencyandlowdowncost.2）开发新材料（如导热系数≥40W/mK）提高陶瓷的散热效果；developnewmaterial,eg.thermalconductivity≥40W/mK,inordertoimproveitsheatdissipationcapability.Prospect（II）3）改进陶瓷散热器的设计方案，不能简单参照铝散热器的规则；（如现在设计的筒灯方案，需尽快推向市场）Improveceramicheatsinkdesign,notsimplycopytherulesofAlheatsinks.4）考虑扬长避短，陶瓷、金属、塑料结合，开发比铝成本低、散热好的散热器；（已经开发出新方案，结合陶瓷和金属的优点，可以在原来的基础上提高2W，更需把此方案推向市场）Makegooduseofitsadvantagesandtrytoavoiditsdisadvantages,makegoodcombinationofceramic,metalandplastics,developlowcostceramicheatsink.如果能够在上述方面努力做到，陶瓷散热器将会取得更大的应用优势！Hopefully,byourmutualeffort,ourceramicheatsinkcouldbeusedinmorewideareasandcouldwinsitsspecialmarket!