陶瓷材料在LED照明燈具上的應用(康榮)

1、陶瓷材料在陶瓷材料在LED照明燈具上的應用照明燈具上的應用 主講：王澤文 日期：2011-11-26 佛山市康榮精細陶瓷有限公司 培訓背景培訓背景 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。 培訓

2、背景培訓背景 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

3、 于價格高，應用率不大 ，而陶瓷材料將擁有非常好的優(yōu)勢。 內容內容 contents 一、陶瓷材料生產(chǎn)工藝介紹 二、陶瓷材料在LED照明上的應用 三、陶瓷材料散熱機理 四、KA材料、K6材料、K9材料介紹 五、KA、K6、K9三種材料的市場應用 六、行業(yè)展望及疑難解答（現(xiàn)場問題答辯） 一、一、 陶瓷材料生產(chǎn)工藝介紹 目前我公司主要生產(chǎn)工藝為熱壓和干壓工藝，散目前我公司主要生產(chǎn)工藝為熱壓和干壓工藝，散 熱體主要采用的是熱壓成型工藝熱體主要采用的是熱壓成型工藝 熱壓鑄成型是在壓力作用 下，將熔化的蠟漿料注入金 屬模具中，冷卻凝固后得到 所要的形狀。 1、熱壓成型工藝流程圖、熱壓成型工藝流程圖 2、

4、熱壓成型工藝攪拌圖片、熱壓成型工藝攪拌圖片 快速攪拌機與慢攪拌機快速攪拌機與慢攪拌機 3、熱壓成型機臺與成型方式、熱壓成型機臺與成型方式 4、熱壓成型產(chǎn)品埋粉方式、熱壓成型產(chǎn)品埋粉方式 5、熱壓產(chǎn)品裝缽與燒成方式、熱壓產(chǎn)品裝缽與燒成方式 6、產(chǎn)品燒結示意圖、產(chǎn)品燒結示意圖 產(chǎn)品在高溫燒成時，伴隨著產(chǎn)品在高溫燒成時，伴隨著 溫度的升高體積而逐漸減溫度的升高體積而逐漸減 少，以達到致密狀態(tài)少，以達到致密狀態(tài) 熱壓成型工藝的優(yōu)缺點熱壓成型工藝的優(yōu)缺點 優(yōu)點：熱壓鑄成型使用于以礦物原料、氧 化物、氮化物等為原料的新型陶瓷的成型 ，尤其對外型復雜、精密度高的中小型制 品更為適宜。其成型設備不復雜，模具磨

5、 損小，操作方便，生產(chǎn)效率高。 缺點：工序較繁，耗能大，工期長，對于 壁薄、大而長的制品不宜使用。 二、陶瓷材料在二、陶瓷材料在LED照明上的應用照明上的應用 1、本公司 生產(chǎn)產(chǎn)品圖 片 2.客戶在客戶在LED中的應用實例中的應用實例 Application examples for our customers 3、陶瓷材料在、陶瓷材料在日本的應用 K9-H material used in Japan market 9PCS2.7W 的LED街燈 9PCS2.7W used for street lamp K9-HK9-H材料外殼的球材料外殼的球 泡燈泡燈 K9-H used as hous

6、ing in Japan market 4、陶瓷材料在日本的應用、陶瓷材料在日本的應用 K9-H material used in Japan market 5、其他公司陶瓷散熱體的應用、其他公司陶瓷散熱體的應用 Ceramic heat sink application USHIO MITSUBISHI 6、康榮公司陶瓷金屬化應用康榮公司陶瓷金屬化應用 KRs application on ceramic metallized 陶瓷基板 ceramic PCB 簡化系統(tǒng) more simple system 7、其他公司的金屬化產(chǎn)品應用、其他公司的金屬化產(chǎn)品應用 other companys

7、 application on ceramic metallized 某公司陶瓷散熱方案 8.陶瓷材料主要特性及優(yōu)勢陶瓷材料主要特性及優(yōu)勢 Main properties & advantages 1）高絕緣性高絕緣性；high insulating 2）高的熱輻射率高的熱輻射率；high heat dissipation rate 3）單位體積散熱功率高單位體積散熱功率高；more efficient heat dissipation, and brings a more compact size 4）使用壽命長使用壽命長；long life 5）適用任何環(huán)境適用任何環(huán)境；acid & al

8、kali resisting, could be used in any harsh environment. 6）可以降低整體部件設計的系統(tǒng)成本可以降低整體部件設計的系統(tǒng)成本。It can reduce the system cost as a kit. 9.日本公司測試數(shù)據(jù)圖日本公司測試數(shù)據(jù)圖 temperature comparison I Aluminum Copper N-9H ALN 10、K9-H材料放射率測試材料放射率測試 11.康榮公司實測溫度圖 temperature comparison 三、陶瓷材料導熱及散熱機理三、陶瓷材料導熱及散熱機理 陶瓷屬于非金屬材料，晶體結構中

9、沒有自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。平均自由程越大，熱導率就越高。 1、導熱機理、導熱機理 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著空位、位錯、反相疇

10、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?，F(xiàn)代陶瓷技術通過生成第二相，把氧固定由程，導致熱導率降低?，F(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大大降低，晶粒內部的氧自發(fā)擴散到晶界處，使晶?；w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聲子的平均自由程。由于制備技術

11、的不同，陶瓷材料的熱導率也不 一樣。一樣。 三、陶瓷材料導熱及散熱機理三、陶瓷材料導熱及散熱機理 2、陶瓷材料散熱機理、陶瓷材料散熱機理 我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導、對流和輻射。為了有我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導、對流和輻射。為了有 效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流系數(shù)來實效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強對流系數(shù)來實 現(xiàn)，往往忽略了熱輻射?，F(xiàn)，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對流散熱，散燈具一般采用自然對流散熱，散 熱器將熱器將LED產(chǎn)生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對流系數(shù)產(chǎn)生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對流系數(shù) 較低，熱量不能及時地散發(fā)到

12、周圍的空氣中，導致表面溫度升較低，熱量不能及時地散發(fā)到周圍的空氣中，導致表面溫度升 高，高，LED的工作環(huán)境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表的工作環(huán)境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表 面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁制散熱器通過陽極氧面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁制散熱器通過陽極氧 化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性， 不必進行復雜的后續(xù)處理。不必進行復雜的后續(xù)處理。 陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二陶瓷材料的輻射機理是由隨機性振動的非諧振效應的二 聲子和多聲子產(chǎn)生。高輻射陶瓷材料如碳化硅

13、、金屬氧聲子和多聲子產(chǎn)生。高輻射陶瓷材料如碳化硅、金屬氧 化物、硼化物等均存在極強的紅外激活極性振動，這些化物、硼化物等均存在極強的紅外激活極性振動，這些 極性振動由于具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區(qū)的吸極性振動由于具有極強的非諧效應，其雙頻和頻區(qū)的吸 收系數(shù)，一般具有收系數(shù)，一般具有1001000cm-1數(shù)量級，相當于中數(shù)量級，相當于中 等強度吸收區(qū)在這個區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因等強度吸收區(qū)在這個區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因 此，有利于形成一個較平坦的強輻射帶。此，有利于形成一個較平坦的強輻射帶。 2、陶瓷材料散熱機理、陶瓷材料散熱機理 一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強

14、共一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強共 振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區(qū)域，包括部分振波長延伸到短波整個二聲子組合和頻區(qū)域，包括部分 多聲子組合區(qū)域，這是多數(shù)高輻射陶瓷材料輻射帶的共多聲子組合區(qū)域，這是多數(shù)高輻射陶瓷材料輻射帶的共 同特點，可以說，強輻射帶主要源于該波段的二聲子組同特點，可以說，強輻射帶主要源于該波段的二聲子組 合輻射。除少數(shù)例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大合輻射。除少數(shù)例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大 于于5m的二聲子、三聲子區(qū)。因此，對于紅外輻射陶瓷的二聲子、三聲子區(qū)。因此，對于紅外輻射陶瓷 而言，而言，15m波段的輻射主要來自于自由載流子的帶內波段的輻

15、射主要來自于自由載流子的帶內 躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大于躍遷或電子從雜質能級到導帶的直接躍遷，大于5m波波 段的輻射主要歸于二聲子組合輻射。段的輻射主要歸于二聲子組合輻射。 2、陶瓷材料散熱機理、陶瓷材料散熱機理 四、四、KA材料、材料、K6材料、材料、K9材料介紹材料介紹 項項 目目 KA材料材料 K6材料材料 K9材料材料 燒成溫度燒成溫度 1300 1350 1650 生產(chǎn)周期生產(chǎn)周期 20天 20天 30天 產(chǎn)能產(chǎn)能/月月 200萬個 200萬個 20萬個 材料性能對比材料性能對比 各種材料的性能請看附件各種材料的性能請看附件 五、五、KA、K6、K9三種材料的市場應用

16、三種材料的市場應用 1、KA系列材料主要應用于總功率3W左右的燈泡外殼散熱 （如低功率的射燈及蠟燭泡系列） 2、K6材料主要應用于總功率4.5W左右的燈泡外殼散熱（如 射燈系列，小功率的球泡系列） 3、K9材料主要用于總功率8W左右的燈泡外殼散熱 （如大功率A60球泡系列） 4、以上散熱材料如果采用一體化方案，主要針對球泡系列，可應 用的總功率可以在原來的基礎上增加2W。KA可以達到5W，K6可以 達到7W，K9可以達到10W 六六.展望展望 Prospect（I） 固態(tài)照明中，材料至關重要：芯片、襯底、外延片、散熱器等等。 今后康榮公司需要繼續(xù)努力： For SSL part, our co

17、mpany would make our all-out effort on the following aspects. 1）開發(fā)新工藝技術（如注塑成型）提高生產(chǎn)技術，降低成本； develop new technology and process, eg. injection way, to improve efficiency and low down cost. 2）開發(fā)新材料（如導熱系數(shù)40W/mK）提高陶瓷的散熱效果； develop new material, eg. thermal conductivity 40W/mK, in order to improve its hea

18、t dissipation capability. Prospect（II） 3）改進陶瓷散熱器的設計方案，不能簡單參照鋁散熱器的規(guī)則； （如現(xiàn)在設計的筒燈方案，需盡快推向市場） Improve ceramic heat sink design, not simply copy the rules of Al heat sinks. 4）考慮揚長避短，陶瓷、金屬、塑料結合，開發(fā)比鋁成本低、散熱好的散熱器； （已經(jīng)開發(fā)出新方案，結合陶瓷和金屬的優(yōu)點，可以在原來的基礎上提高2W， 更需把此方案推向市場） Make good use of its advantages and try to avoid its disadvantages, make good combin