中国粉体网讯  进入21世纪之后，人民的物质生活水平逐渐提高，而对能源的消耗越发严重，人们提出使用绿色环保能源，以便减少对能源的消耗和对环境的污染——LED在这种大背景下飞速发展。

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以前使用的白炽灯、荧光灯，白炽灯的球泡比较大，荧光灯也就是所谓的低压汞灯对环境污染比较严重，而LED灯具则没有这些缺点，它耗能小，亮度也高，占地比较少，可以封装成各种样式，是当之无愧的“绿色能源”，所以，LED的大范围流行，必定是未来灯具市场的趋势。

LED灯的起源与发展

自1879年爱迪生发明灯泡以来，到大功率白光LED的日渐成熟，已有100多年的历史，正是这一百多年来一批又一批的科学家不断的探索，才有了这个色彩缤纷的世界。

世界照明工具发展历程

早在20世纪初，英国科学家Henry JosephRound就发现碳化硅在通电后可以产生光，德国科学家Robert Wichard发现可以从铜和锌硫化合物中提取出黄磷，可以发出光。遗憾的是，受限于当时滞后的科技技术，实验中发出的光芒比较暗淡，导致这些研究被摒弃。

然而随着研究的深入，20世纪30年代末期，有一份关于硫化锌粉可以发光的报告被出版，引起一时轰动。确立了研究方向，并出现“电致发光”这个学术名词。

LED里程碑发展

纵观LED的发展历史，人类对半导体的研究从未止步，无论是制造工艺的改善，新技术开发、还是新材料的应用，都让LED技术得到了飞跃性的发展。LED不断提升的发光效率，丰富多彩的光线，更加低廉的价格，比传统灯具拥有更广阔的市场。

据统计，中国电量的12%被用在照明上，相当于4个三峡大坝的发电量，如果可以使用节能环保的灯具代替传统的白炽灯，将大大节约中国电力能源。以家庭为单位，需要60W的白炽灯可以满足需要，而换成节能灯的话只需要11W，但是如果用LED灯具提供照明，仅需要3.5W，最多是4W。一个是4W，一个是60W，如果把白炽灯全部换成LED，就可以节约15倍的电力资源。

另外，新型照明行业的发展，在节约电力能源的同时，减少环境污染，也带了经济效应，更可以带动一批新型的产业，增加就业机会。

LED的阴影

从发光原理来说，LED是通过发光二极管直接将电能转化成可见光。

但在这个过程中需要面临一个尴尬的问题，即光电转换效率只能达到20％～30％左右，其余70％～80％左右的电能都将转化成热量。

这就又面临另一个问题，这些热量如果不能及时排出会使LED芯片结温不断升高，引起热应力的非均匀分布，导致LED光衰。

有研究表明，结温平均每升高1℃，LED的发光强度降低1％，结温升高到120℃，LED平均光衰达到35％，当结温超过125℃时，LED会在短时间内失效。而市面上常见的LED材料和器件在使用时结温不能超过110℃，为发挥LED最佳使用效果，LED结温需低于85℃。

LED的光衰表明了它的寿命，随着使用的时间增长，亮度会就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。

因此，散热是目前LED面临的最大问题。

陶瓷材料助力LED照亮世界

既然LED产生的大量热量导致“后劲”很大，那就需要把热量及时的散发出去。如何散出去呢？

目前一般LED采用的散热方式都是被动式散热，所谓被动式散热指的是在LED上安装一个散热器，并不需要散热风扇的散热方式。

散热器通常采用铝合金材质并通过压铸成型制造。铝材料的热导率高，容易加工成各种形状，而且价格低廉，因此便被大量地制作LED散热器。我们如今在市场上见到的LED灯，大部分仍是以铝作散热器的。

但是，随着LED灯功率的进一步提高，金属铝散热器的缺点慢慢地显现出来了。因为金属铝的电导率很高，因此LED灯珠安装在铝散热器上时，中间得加上一层高分子绝缘层（如下图所示），虽然绝缘层不厚，可是高分子的热导率实在太低（一般在1W/m•K以下），灯珠产生的热很难通过绝缘层传到铝基板上，因此热散不出去。这就使得金属铝LED灯的功率很难进一步提高。

当然，办法还是有的，最简单的办法就是把整个散热器做大，比如做成一块很大的平板，让灯珠分散在大平板上，热就不会太集中，比较容易散出去。但这样就不可避免地带来另外一个问题，就是做出来的LED灯个头特别大，使用不方便。比如，如果是做成路灯，那么看上去就像个大头娃娃，不够美观不说，抗风能力也会下降。当然，也可以搞主动散热，比如加装电扇，但这会使成本大幅增加，而且整个LED灯系统的复杂程度提高，可靠性下降。

LED灯珠

于是，人们想到了陶瓷材料，现在最常用的陶瓷材料是氧化铝陶瓷。

氧化铝陶瓷之所以适合于用做LED散热器，最主要是因为它的三个独特的优点：一是绝缘性能非常好，电阻率高达1014Ω•m，LED灯珠可以直接焊接在氧化铝散热器上而不必担心漏电。

二是氧化铝的热导率很高，可达20-30W/（m•K），灯珠散发的热量能够被迅速带走并发散到空气中。这样，氧化铝陶瓷散热器上就可以安装功率更大的LED灯珠，或者在同样大小的面积上安装更多的灯珠。

第三，氧化铝陶瓷的价格比较低廉，适合于大规模应用。

另一方面，如果功率和普通LED灯相同，那么陶瓷LED灯的灯珠芯片温度会更低，更节能，寿命也更长。

常用陶瓷材料性能参数

在氧化铝陶瓷还没有统治LED散热材料市场的情况下，另一种陶瓷材料——氮化铝陶瓷翩翩而来。

随着LED朝着功率化方向发展，LED热流密度不断提高，LED散热问题也日益突出。在某些大功率市场，氧化铝陶瓷已经不能满足散热需求了。

氮化铝陶瓷具有极高的热导率（可达（200W/（m•K）以上，是氧化铝的10倍以上），此外，氮化铝陶瓷还具有高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si相匹配的热膨胀系数等优异性能，可以说更适合作为LED散热材料。

但是，还是那句话，抛开价格谈性能就是耍流氓。氮化铝材料的价格高出氧化铝很多，目前也只好在某些大功率市场代替传统的金属和氧化铝陶瓷散热材料了。

参考来源：

[1]熊星.大功率LED芯片封装散热问题研究

[2]聊聊陶瓷LED灯.李卫聊科技

[3]魏银等.大功率LED散热技术研究进展

（中国粉体网编辑整理/山川）

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