隨著LED植物生長(zhǎng)燈的不斷創(chuàng)新，園藝生產(chǎn)正處于革命的最前沿。但是，英國(guó)Cambridge Nanotherm公司營(yíng)銷經(jīng)理John Cafferkey表示，這場(chǎng)革命的成功可能取決于如何找到提高LED模塊的熱效率的方法。

對(duì)園藝業(yè)人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在是好時(shí)候?？梢哉f(shuō)，業(yè)外很少有人會(huì)意識(shí)到目前我們生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的方式正在發(fā)生什么樣的根本性的轉(zhuǎn)變，以及產(chǎn)生的一些深遠(yuǎn)影響。

多年來(lái)，高壓鈉燈（HID）一直用于陽(yáng)光的補(bǔ)充。使用這些設(shè)備非常經(jīng)濟(jì)，一個(gè)關(guān)鍵因素是高壓鈉燈使農(nóng)民能夠在受控的環(huán)境中在室內(nèi)種植農(nóng)作物，并且可以更靈活地安排時(shí)間（無(wú)視季節(jié)，常常是全年）。

雖然高壓鈉燈已經(jīng)成為許多園藝種植者的主要選擇，但它們現(xiàn)在正在迅速被LED所取代。與高壓鈉燈相比，LED可以快速開啟和關(guān)閉，更容易適應(yīng)自動(dòng)生長(zhǎng)周期。而且，LED也可以發(fā)出特定波長(zhǎng)的光線，因此可以針對(duì)不同類型的作物和生長(zhǎng)周期中的不同階段進(jìn)行“調(diào)整”。

然而，最重要的是，LED比高壓鈉燈更具成本效益、運(yùn)行溫度更低。這兩個(gè)屬性才是LED生長(zhǎng)燈的真正潛力。

首先，LED大幅降低的運(yùn)行成本拓展了作物的范圍，包括許多由于照明要求或銷售價(jià)格便宜而不適宜用生長(zhǎng)燈種植的作物。換句話說(shuō)，LED照明正在從高價(jià)農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向日常農(nóng)業(yè)。

其次，運(yùn)行溫度更低意味著農(nóng)民可以以更緊密的形式種植作物，而不會(huì)對(duì)植物造成熱傷害，這使得垂直農(nóng)業(yè)等應(yīng)用成為可能。

廢熱仍然是LED設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)問(wèn)題

雖然LED比高壓鈉燈的運(yùn)行溫度要低，但是約60％的功率被轉(zhuǎn)化為廢熱，這種廢熱可以對(duì)LED的使用壽命造成嚴(yán)重的威脅。

LED由封裝透鏡覆蓋，以隔離空氣，并且可以擴(kuò)散光線。不好的是，封裝透鏡也是絕熱的。因此，LED產(chǎn)生的熱量不能通過(guò)輻射散出，跟高壓鈉燈一樣。相反，熱量必須通過(guò)LED的底部設(shè)計(jì)進(jìn)行倒出。

如果熱量沒(méi)有被有效地倒出LED，那么LED的壽命將會(huì)減少，甚至?xí)龎?，這樣就增加了LED更換的成本。

而且，從LED中去除這些熱量正成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題。出于節(jié)約成本的考慮，設(shè)計(jì)人員正在尋求將更高功率的LED（1-5W）放入更小的空間中，以此來(lái)降低設(shè)計(jì)的材料成本。以這種方式的話，單個(gè)LED以更高的功率密度運(yùn)行，會(huì)給散熱管理提出更大的挑戰(zhàn)。

散熱效率高的LED設(shè)計(jì)的基本元素

假設(shè)我們的示例設(shè)計(jì)使用“封裝”LED。這些單獨(dú)的LED芯片被封裝在散熱基板上（這樣整個(gè)“LED封裝”可以很容易地安裝到PCB上）。一般來(lái)說(shuō)，在芯片下面使用的基板是陶瓷的。雖然價(jià)格昂貴，但陶瓷是優(yōu)秀的熱量傳導(dǎo)者和擴(kuò)散者。

熱量傳輸?shù)南乱浑A段必須在基板上進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板不能滿足園藝照明的散熱需求，因?yàn)槠洳ＡЮw維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是不好的熱導(dǎo)體。出于這個(gè)原因，金屬基板（MCPCB）通常用于這種高功率LED的設(shè)計(jì)。

MCPCB構(gòu)成是怎么樣的？在所有MCPCB中，有幾個(gè)結(jié)構(gòu)要素大致相似。首先有一個(gè)銅電路層，然后是一個(gè)介質(zhì)層，將上面的電路與下面的金屬隔開，防止兩者短路。最后，有一個(gè)金屬板，通常是鋁，但有時(shí)是銅，有效地將熱量傳輸?shù)较到y(tǒng)級(jí)的組件（如散熱片）。

電介質(zhì)對(duì)MCPCB的有效熱管理提出了挑戰(zhàn)

正如期望的那樣，MCPCB中的銅電路板和鋁電路板層都是優(yōu)秀的導(dǎo)熱體。介電層則不一樣。業(yè)界發(fā)現(xiàn)，要找到一種電絕緣（達(dá)到合適的擊穿電壓）但具有高導(dǎo)熱率的材料是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。

最常用的方法是制造帶有一層環(huán)氧樹脂的介質(zhì)，摻雜能導(dǎo)熱的陶瓷晶，以提高整體導(dǎo)的熱性。但是，在環(huán)氧樹脂脆化并開始破裂之前，才能添加很多的陶瓷晶。 即使是市場(chǎng)上最好的這種材料也不能滿足園藝照明系統(tǒng)的熱量需求。

為了實(shí)現(xiàn)園藝照明應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展，當(dāng)今許多設(shè)計(jì)師都要求能比陶瓷填充的環(huán)氧樹脂所能提供的導(dǎo)熱率更高的板。很明顯，這需要一個(gè)新的方法。

納米陶瓷：在MCPCB中實(shí)現(xiàn)有效熱管理的一個(gè)新方法

一家位于劍橋的納米技術(shù)公司已經(jīng)研發(fā)出了解決這個(gè)“介電問(wèn)題”的新方法，用一種獨(dú)特的方法來(lái)構(gòu)建熱效率高的電介質(zhì)。

該公司采用專利的電化學(xué)氧化（ECO）工藝，將MCPCB的鋁表面轉(zhuǎn)化成極?。?0-30μm）的氧化鋁（Al2O3）層。

雖然氧化鋁在熱效率方面不是最好的材料，但是這種介電層的薄度起到了很好的效果。由于熱量只需要通過(guò)幾微米的材料，電路、納米陶瓷電介質(zhì)和鋁板的整體熱性能就達(dá)到了115 W/mK。

最終，園藝照明設(shè)計(jì)師希望他們的產(chǎn)品更酷、更小、更亮、更具成本效益。他們也想確保產(chǎn)品能持續(xù)到使用壽命。所有這些因素對(duì)于園藝照明行業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)新一波的農(nóng)業(yè)技術(shù)至關(guān)重要。隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展，可以期待看到納米陶瓷將成為園藝LED設(shè)計(jì)的核心。（編譯：LEDinside James）



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