新型材料在LED行業領域的應用

發表時間：2013-07-24

“十二五”七大戰略性新興產業發展規劃和地方節能環保LED照明推廣政策的出臺，為LED照明帶來重大發展契機。據行業報告顯示，我國LED照明行業市場規模從2008年至2012年由不足140億增長至約800億，增長率約484%，預計2013年我國LED照明行業將突破1000億，增長率達38.6%。

在LED產業鏈條中，上游芯片、外延等關鍵技術被國際廠商(PhilipsLumileds、CK、CREE、Nichia、OSRAM等)牢牢控制。國內LED競爭市場主要集中在中游加工、下游終端及部分低價值的配套產業，并在地域上形成形珠江三角洲、長江三角洲、北方地區、閔三角地區四大產業鏈區域。

伴隨大功率LED照明的普及發展，產品元器件對散熱性能的要求越來越高。高效熱管理成為制約大功率LED發展的關鍵。目前，LED行業內高效的能量轉化和熱能控制主要通過芯片、封裝、系統集成三方面實現，主要有結構改善和新型材料應用兩種方式。

結構改善是指依靠增大散熱面積、改善對流輻射實現熱管理。該技術相對難度較小、易實現，能在生產中普遍使用。現今，LED行業內采用的的主要散熱技術有：微槽群復合變相技術、熱管技術、噴霧冷卻技術、熱電制冷技術、熱聲制冷技術、合成微噴及振動制冷技術、蒸汽壓縮制冷技術等。但此方法影響產品體積、成本、質量和封裝密度，且不能無限增大散熱面積，具有相當大的局限性。

新型材料的應用是當前LED熱管理的研究重點，通過高導熱材料的運用直接大幅度提升元器件的性能。照明行業在傳統照明向LED照明的轉型中，其導熱材料經歷了第一、二代到第三、四代先進材料的轉化，傳統材料逐漸被以金剛石系列復合材料、碳材料、熱界面材料為代表的新型材料取代。新型材料越來越多應用于LED基板及封裝。

就LED行業而言，新型材料在基板和封裝上的運用對LED高效熱管理實現有重要意義。本文重點介紹國內應用于LED行業的新型導熱材料及其性能，主要有金剛石系列復合材料、碳化硅鋁、碳材料、其它材料等。

一、金剛石系列復合材料

金剛石系列復合材料主要有金剛石/銅、金剛石/鋁。以銅/鋁為基體，金剛石顆粒為功能組元的金剛石系列復合材料具有高導熱率、低熱膨脹系數、密度較小、較好的可鍍覆性和可加工性等優點。主要制備方法有：高溫高壓法、放電等離子燒結、粉末冶金法(冷壓燒結法、熱壓法)、液相浸滲法等。金剛石和銅/鋁的浸潤性、金剛石石墨化、制造成本等是影響企業生產的主要問題。國內只有較少的企業及院所能夠生產，例如北京有色金屬研究總院(有研總院)、攀時中國、臺鉆科技等。

北京有色金屬研究總院研制的第四代高導熱、低膨脹的金剛石/銅熱導率達650 W/m?K以上，熱膨脹系數為5-7 ×10-6/℃，與國外同類產品相當，居國內領先，在高功率半導體照明器件等熱沉部位有應用研究。金剛石/銅復合材料在大功率LED器件上應用后散熱效果顯著，結溫降低了10.6%，熱阻降低了33.3%，大幅度提高了大功率LED器件的壽命和可靠性，充分發揮了該材料的優勢。

二碳化硅鋁

碳化硅/鋁是以鋁合金作基體，碳化硅顆粒為增強體的顆粒增強金屬基復合材料，融合了碳化硅陶瓷和金屬鋁的不同優勢。因其高導熱性、與芯片相匹配的熱膨脹系數、密度小、重量輕，以及高硬度和高抗彎強度，在LED電子封裝中有運用前景。碳化硅/鋁在基板上應用較廣泛，有多家公司如有研總院、江蘇鼎啟(代理美國TTC材料)等生產。北京有色金屬研究總院生產的新型碳化硅鋁復合材料具有“輕、硬、剛、巧、廉、美”的特征，滿足了封裝的輕便化、高密度化等要求，適于應用LED、航空、航天、電子元器件、殼體封裝等廣泛領域。

三碳材料

碳材料主要由指由石墨制成的石墨片、石墨膜等，集金屬材料的導電性、有機塑料的可塑性、高的平面熱性能、化學穩定性等工藝特征一身。除類似金屬材料的高導熱性能外，“輕薄、柔韌”的性能決定了它廣泛應用于電子機器內的半導體、鋰電池周邊的散熱片及散熱器等部件。一經問世，碳材料便迅速在led電子、平板電腦、手持設備、特別是在智能手機上廣泛應用。國內市場的主要供應商有韓國SKC、深圳壘石、跨越有限公司等。

四其他材料

除上述新型材料外，國內LED照明市場采用的導熱新型材料還有其它類別：如鉬銅、鎢銅、銅-鉬銅-銅、氣相生長碳纖維、碳納米管、導熱絕緣硅膠材料、導熱硅脂、灌封硅膠等。在新型材料的開發及應用方面，國內只有少數企業(如北京有色金屬研究總院等)有和國際知名公司相當的實力。

伴隨綠色建筑、節能環保的推廣，LED商業及民用照明進入發展好時機，但國內LED行業廠商依舊面臨處于產業鏈低端、缺乏自主知識產權、生產成本高等的市場壓力。限于結構改善在LED熱管理中的局限性，新型材料是LED散熱的關鍵。在LED照明的改進中，新型導熱材料的應用除產品本身的性能外仍需考慮生產成本、規模化生產可操作性、市場需求等多因素。新型導熱材料性能的提升、封裝工藝的改進、模組化封裝逐漸成為LED行業高效熱管理實現的研究熱點。

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