对于园艺照明行业的持续发展以及实现新一波的农业技术的因素分析

随着LED植物生长灯的不断创新，园艺生产正处于革命的最前沿。但是，英国Cambridge Nanotherm公司营销经理John Cafferkey表示，这场革命的成功可能取决于如何找到提高LED模块的热效率的方法。

对园艺业人来说，现在是好时候。可以说，业外很少有人会意识到目前我们生产农产品的方式正在发生什么样的根本性的转变，以及产生的一些深远影响。

多年来，高压钠灯（HID）一直用作阳光的补充。使用这些设备非常经济，一个关键因素是高压钠灯使农民能够在受控的环境中在室内种植农作物，并且可以更灵活地安排时间（无视季节，常常是全年）。

虽然高压钠灯已经成为许多园艺种植者的主要选择，但它们现在正在迅速被LED所取代。与高压钠灯相比，LED可以快速开启和关闭，更容易适应自动生长周期。而且，LED也可以发出特定波长的光线，因此可以针对不同类型的作物和生长周期中的不同阶段进行“调整”。

然而，最重要的是，LED比高压钠灯更具成本效益、运行温度更低。这两个属性才是LED生长灯的真正潜力。

首先，LED大幅降低的运行成本拓展了作物的范围，包括许多由于照明要求或销售价格便宜而不适宜用生长灯种植的作物。换句话说，LED照明正在从高价农产品转向日常农业。

其次，运行温度更低意味着农民可以以更紧密的形式种植作物，而不会对植物造成热伤害，这使得垂直农业等应用成为可能。

▶ 废热仍然是LED设计面临的一个问题

虽然LED比高压钠灯的运行温度要低，但是约60％的功率被转化为废热，这种废热可以对LED的使用寿命造成严重的威胁。

LED由封装透镜覆盖，以隔离空气，并且可以扩散光线。不好的是，封装透镜也是绝热的。因此，LED产生的热量不能通过辐射散出，跟高压钠灯一样。相反，热量必须通过LED的底部设计进行倒出。

如果热量没有被有效地导出LED，那么LED的寿命将会减少，甚至会烧坏，这样就增加了LED更换的成本。

而且，从LED中去除这些热量正成为一个紧迫的问题。出于节约成本的考虑，设计人员正在寻求将更高功率的LED（1-5W）放入更小的空间中，以此来降低设计的材料成本。以这种方式的话，单个LED以更高的功率密度运行，会给散热管理提出更大的挑战。

▶ 散热效率高的LED设计的基本元素

假设我们的示例设计使用“封装”LED。这些单独的LED芯片被封装在散热基板上（这样整个“LED封装”可以很容易地安装到PCB上）。一般来说，在芯片下面使用的基板是陶瓷的。虽然价格昂贵，但陶瓷是优秀的热量传导者和扩散者。

热量传输的下一阶段必须在基板上进行。标准的印刷电路板不能满足园艺照明的散热需求，因为其玻璃纤维/环氧树脂复合材料是不好的热导体。出于这个原因，金属基板（MCPCB）通常用于这种高功率LED的设计。

MCPCB构成是怎么样的？在所有MCPCB中，有几个结构要素大致相似。首先有一个铜电路层，然后是一个介质层，将上面的电路与下面的金属隔开，防止两者短路。最后，有一个金属板，通常是铝，但有时是铜，有效地将热量传输到系统级的组件（如散热片）。

▶ 电介质对MCPCB的有效热管理提出了挑战

正如期望的那样，MCPCB中的铜电路板和铝电路板层都是优秀的导热体。介电层则不一样。业界发现，要找到一种电绝缘（达到合适的击穿电压）但具有高导热率的材料是一个真正的挑战。

最常用的方法是制造带有一层环氧树脂的介质，掺杂能导热的陶瓷晶，以提高整体导的热性。但是，在环氧树脂脆化并开始破裂之前，才能添加很多的陶瓷晶。 即使是市场上最好的这种材料也不能满足园艺照明系统的热量需求。

为了实现园艺照明应用的持续发展，当今许多设计师都要求能比陶瓷填充的环氧树脂所能提供的导热率更高的板。很明显，这需要一个新的方法。

▶ 纳米陶瓷：在MCPCB中实现有效热管理的一个新方法

一家位于剑桥的纳米技术公司已经研发出了解决这个“介电问题”的新方法，用一种独特的方法来构建热效率高的电介质。

该公司采用专利的电化学氧化（ECO）工艺，将MCPCB的铝表面转化成极薄（10-30μm）的氧化铝（Al2O3）层。

虽然氧化铝在热效率方面不是最好的材料，但是这种介电层的薄度起到了很好的效果。由于热量只需要通过几微米的材料，电路、纳米陶瓷电介质和铝板的整体热性能就达到了115 W/mK。

最终，园艺照明设计师希望他们的产品散热更佳、更小、更亮、更具成本效益，他们也想确保产品能持续到预计寿命。所有这些因素对于园艺照明行业的持续发展以及实现新一波的农业技术至关重要。随着市场的不断发展，可以期待看到纳米陶瓷将成为园艺LED设计的核心。