导语

在 LED 铝基板中，绝缘层热传导性能直接决定了器件的热能转化效率与寿命。热管理的瓶颈往往来源于绝缘层的物理特性，而非金属导热部分。本文将从微观传热模型、材料性能极限，到失效机制进行全链路解析，为工程设计与材料选择提供科学依据。

一、热传导的物理基础

1.1 声子传热在非金属材料中的主导作用

在绝缘聚合物和陶瓷填充材料中，热量主要依靠声子（晶格振动量子）传递。与电子导热不同，声子传热受晶格缺陷、界面散射等影响，导致热导率随温度和结构的变化而显著波动。

1.2 热导率（k）的数学表达

热导率可通过声子气体模型近似计算：

其中，C_v 为单位体积热容，v 为声子传播速度，\ell 为平均自由程。该模型揭示了提高热导率可从提升声子速度与减少散射损失两方面着手。

1.3 绝缘层中的热阻网络模型

绝缘层通常包含聚合物基体与高导热填料，其传热路径可抽象为串并联的热阻网络。优化填料体积分数与界面结合质量，是突破热阻瓶颈的核心手段。

二、三大绝缘材料的结构与性能

• 环氧树脂基：加工方便，但受限于非晶结构，热导率低，适用于中低功率 LED。

• 聚酰亚胺基：通过氮化硼 (BN) 片材定向排列，可显著提高热导率。

• 陶瓷填充聚合物：利用三维陶瓷骨架实现高导热，但工艺复杂，成本较高。

三、性能衰减机制

3.1 热机械失效

• CTE（热膨胀系数）失配会在界面处产生热应力，导致裂纹扩展。

• 当温度超过交联断裂阈值时，聚合物网络结构崩解。

3.2 电化学失效

• 高湿高温条件下，离子迁移会降低绝缘性能。

• 湿热环境会诱发金属枝晶生长，形成短路风险。

四、前沿突破方向

4.1 超材料应用

• 石墨烯垂直阵列：在 2025 年《Nature》报道中实现了比传统 BN 填料高出 8 倍的热导率提升。

• 氮化硼纳米管桥接技术：在微观尺度构建连续导热通道。

4.2 智能材料探索

• 相变温控材料：在临界温度时吸收多余热量，实现温度自调节。