新型材料在LED行业热管理的应用

“十二五”七大战略性新兴产业发展规划和地方节能环保LED照明推广政策的出台，为LED照明带来重大发展契机。据行业报告显示，我国LED照明行业市场规模从2008年至2012年由不足140亿增长至约800亿，增长率约484%，预计2013年我国LED照明行业将突破1000亿，增长率达38.6%。

　　在LED产业链条中，上游芯片、外延等关键技术被国际厂商（PhilipsLumileds、CK、CREE、Nichia、OSRAM等）牢牢控制。国内LED竞争市场主要集中在中游加工、下游终端及部分低价值的配套产业，并在地域上形成形珠江三角洲、长江三角洲、北方地区、闵三角地区四大产业链区域。

　　图1：LED产业链及代表公司

　　伴随大功率LED照明的普及发展，产品元器件对散热性能的要求越来越高。高效热管理成为制约大功率LED发展的关键。目前，LED行业内高效的能量转化和热能控制主要通过芯片、封装、系统集成三方面实现，主要有结构改善和新型材料应用两种方式。

　　结构改善是指依靠增大散热面积、改善对流辐射实现热管理。该技术相对难度较小、易实现，能在生产中普遍使用。现今，LED行业内采用的的主要散热技术有：微槽群复合变相技术、热管技术、喷雾冷却技术、热电制冷技术、热声制冷技术、合成微喷及振动制冷技术、蒸汽压缩制冷技术等。但此方法影响产品体积、成本、质量和封装密度，且不能无限增大散热面积，具有相当大的局限性。

　　新型材料的应用是当前LED热管理的研究重点，通过高导热材料的运用直接大幅度提升元器件的性能。照明行业在传统照明向LED照明的转型中，其导热材料经历了第一、二代到第三、四代先进材料的转化，传统材料逐渐被以金刚石系列复合材料、碳材料、热界面材料为代表的新型材料取代。新型材料越来越多应用于LED基板及封装。

　　就LED行业而言，新型材料在基板和封装上的运用对LED高效热管理实现有重要意义。本文重点介绍国内应用于LED行业的新型导热材料及其性能，主要有金刚石系列复合材料、碳化硅铝、碳材料、其它材料等。

　　一、金刚石系列复合材料

　　金刚石系列复合材料主要有金刚石/铜、金刚石/铝。以铜/铝为基体，金刚石颗粒为功能组元的金刚石系列复合材料具有高导热率、低热膨胀系数、密度较小、较好的可镀覆性和可加工性等优点。主要制备方法有：高温高压法、放电等离子烧结、粉末冶金法（冷压烧结法、热压法）、液相浸渗法等。金刚石和铜/铝的浸润性、金刚石石墨化、制造成本等是影响企业生产的主要问题。国内只有较少的企业及院所能够生产，例如北京有色金属研究总院（有研总院）、攀时中国、台钻科技等。

　　北京有色金属研究总院研制的第四代高导热、低膨胀的金刚石/铜热导率达650W/m?K以上，热膨胀系数为5-7×10-6/℃，与国外同类产品相当，居国内领先，在高功率半导体照明器件等热沉部位有应用研究。金刚石/铜复合材料在大功率LED器件上应用后散热效果显著，结温降低了10.6%，热阻降低了33.3%，大幅度提高了大功率LED器件的寿命和可靠性，充分发挥了该材料的优势。

　　二碳化硅铝

　　碳化硅/铝是以铝合金作基体，碳化硅颗粒为增强体的颗粒增强金属基复合材料，融合了碳化硅陶瓷和金属铝的不同优势。因其高导热性、与芯片相匹配的热膨胀系数、密度小、重量轻，以及高硬度和高抗弯强度，在LED电子封装中有运用前景。碳化硅/铝在基板上应用较广泛，有多家公司如有研总院、江苏鼎启（代理美国TTC材料）等生产。北京有色金属研究总院生产的新型碳化硅铝复合材料具有“轻、硬、刚、巧、廉、美”的特征，满足了封装的轻便化、高密度化等要求，适于应用LED、航空、航天、电子元器件、壳体封装等广泛领域。

　　三碳材料

　　碳材料主要由指由石墨制成的石墨片、石墨膜等，集金属材料的导电性、有机塑料的可塑性、高的平面热性能、化学稳定性等工艺特征一身。除类似金属材料的高导热性能外，“轻薄、柔韧”的性能决定了它广泛应用于电子机器内的半导体、锂电池周边的散热片及散热器等部件。一经问世，碳材料便迅速在led电子、平板电脑、手持设备、特别是在智能手机上广泛应用。国内市场的主要供应商有韩国SKC、深圳垒石、跨越有限公司等。

　　四其他材料

　　除上述新型材料外，国内LED照明市场采用的导热新型材料还有其它类别：如钼铜、钨铜、铜-钼铜-铜、气相生长碳纤维、碳纳米管、导热绝缘硅胶材料、导热硅脂、灌封硅胶等。在新型材料的开发及应用方面，国内只有少数企业（如北京有色金属研究总院等）有和国际知名公司相当的实力。

　　伴随绿色建筑、节能环保的推广，LED商业及民用照明进入发展好时机，但国内LED行业厂商依旧面临处于产业链低端、缺乏自主知识产权、生产成本高等的市场压力。限于结构改善在LED热管理中的局限性，新型材料是LED散热的关键。在LED照明的改进中，新型导热材料的应用除产品本身的性能外仍需考虑生产成本、规模化生产可操作性、市场需求等多因素。新型导热材料性能的提升、封装工艺的改进、模组化封装逐渐成为LED行业高效热管理实现的研究热点。