基于導(dǎo)熱塑料的LED照明燈具散熱分析

黃燦林（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東廣州，510330）

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基于導(dǎo)熱塑料的LED照明燈具散熱分析

黃燦林
（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東廣州，510330）

摘 要：LED以其節(jié)能、發(fā)光效率高等特點(diǎn)贏得巨大的市場(chǎng)，LED用途越來(lái)越廣，其中高密度、大功率LED照明燈具的散熱問(wèn)題需要解決。本文分析了導(dǎo)熱塑料性能，針對(duì)LED照明燈具散熱與性能、壽命與安全等問(wèn)題展開(kāi)了探究，得出LED光源引擎使用導(dǎo)熱塑料可以增強(qiáng)散熱能力。希望推動(dòng)我國(guó)導(dǎo)熱塑料的研發(fā)進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱塑料；LED大功率；散熱性能

引言

人類的生產(chǎn)生活都離不開(kāi)照明。隨著科技的進(jìn)步，人類所使用的照明技術(shù)和工具也在不斷進(jìn)步。上個(gè)世紀(jì)60年代，人類第一個(gè)可見(jiàn)光發(fā)光二極管誕生，標(biāo)志著LED開(kāi)始進(jìn)入人們的視野，但是由于技術(shù)不成熟，LED發(fā)光效率不高，產(chǎn)品成品率不高，壽命不長(zhǎng)，并沒(méi)有得到廣泛使用。直到1997年首個(gè)白光LED研制成功，才真正進(jìn)入第四代新光源時(shí)代。人類開(kāi)始將LED作為一種新型節(jié)能光源產(chǎn)品應(yīng)用到了生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域［1］。我國(guó)LED照明工程起步較晚，但推廣速度極快，LED照明的廣泛使用不僅節(jié)約了能源，方便了人們的生活，也應(yīng)用到工業(yè)制造中，如液晶電視背板上的照明，就使用了大量的、陣列分布的LED燈，其背板的散熱問(wèn)題也是企業(yè)研究的重點(diǎn)。

LED顯示經(jīng)常被排列為密度大、陣列式，其本身會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，如果不能有效的散熱，就會(huì)影響到LED的發(fā)光效率以及壽命，甚至過(guò)熱會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題。研究其散熱問(wèn)題很重要。

1 導(dǎo)熱塑料的散熱性能

1.1 導(dǎo)熱塑料

導(dǎo)熱塑料是對(duì)工程塑料的改進(jìn)，是在工程塑料內(nèi)部增加導(dǎo)熱填料來(lái)提高其導(dǎo)熱性能，從而使得原本不具有熱性能的工程塑料具有了導(dǎo)熱性，可以成為燈具散熱系統(tǒng)的構(gòu)成部件。

導(dǎo)熱塑料同普通工程塑料一樣需要成型加工，但是需要加入導(dǎo)熱填充物才能提高塑料的散熱性能。導(dǎo)熱塑料內(nèi)部的導(dǎo)熱填充物主要有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅，以及金屬粉、石墨和碳纖維等，導(dǎo)熱塑料密度更輕，成型靈活，且不需要后續(xù)加工處理，環(huán)保性能和絕緣性能較高，所以導(dǎo)熱塑料是比較理想的散熱構(gòu)件［2］。

1.2 導(dǎo)熱塑料的散熱性能測(cè)試

導(dǎo)熱塑料與鋁制金屬材料的導(dǎo)熱性能要一起比較研究，因?yàn)閭鹘y(tǒng)燈具用鋁制金屬導(dǎo)熱材料。與傳統(tǒng)的鋁相比，導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，但是在輸入電流后，其散熱效果和照明效果明顯變化。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，導(dǎo)熱塑料有著傳統(tǒng)鋁制導(dǎo)熱材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是導(dǎo)熱塑料的重量較輕。LED普通照明燈具室內(nèi)外都大量使用，如果燈具重量過(guò)大勢(shì)必會(huì)存在更多的安全隱患，并且重量大也會(huì)影響到安裝和維修難度，在照明燈具接口方面承擔(dān)壓力過(guò)大，降低了整個(gè)燈具使用的安全性能。而導(dǎo)熱塑料比鋁的密度要小很多，大約相對(duì)于鋁的一半，同樣在電路設(shè)計(jì)空間條件一樣的情況下，導(dǎo)熱塑料的重量要比鋁材質(zhì)輕一半，選擇導(dǎo)熱塑料更加輕巧。

二是導(dǎo)熱塑料的絕緣性相對(duì)較好。導(dǎo)熱塑料外部熱沉，具有一定的絕緣性，而傳統(tǒng)的鋁制材料因?yàn)榻饘俦旧淼膶?dǎo)電性，在安裝內(nèi)部驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)受到限制，并且在通電狀態(tài)下或者遇到室內(nèi)外環(huán)境潮濕的情況下，就會(huì)有漏電的可能，產(chǎn)生觸電的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響燈具的安全使用。相對(duì)而言，導(dǎo)熱塑料絕緣性強(qiáng)能夠避免漏點(diǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，確保了燈具照明的安全性。

三是導(dǎo)熱塑料有利于環(huán)保。導(dǎo)熱塑料與傳統(tǒng)的工程塑料一樣，在加工方面基本能做到一次定型，不需要后期的深加工和表面處理，相對(duì)比較環(huán)保。而鋁材質(zhì)本身流動(dòng)性差，模具設(shè)計(jì)單調(diào)，成型后還需要后期的修繕和表面處理，工序相對(duì)復(fù)雜，且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染；

四是導(dǎo)熱塑料的柔韌性，使設(shè)計(jì)靈活性高。導(dǎo)熱塑料本身的流動(dòng)性高，給外觀設(shè)計(jì)提供了更大的空間，而鋁材料需要通過(guò)壓鑄或拉伸，靈活性相對(duì)受到限制，無(wú)法制作比較復(fù)雜的外型。

總之，先進(jìn)的導(dǎo)熱塑料可以達(dá)到的指標(biāo)是：熱傳導(dǎo)率大于1.5W/m*K；不導(dǎo)電；具有高度的柔韌性；是注塑成型的等級(jí)聚合物。

1.3 導(dǎo)熱塑料的應(yīng)用分析

現(xiàn)階段，導(dǎo)熱塑料以其明顯的綜合性能優(yōu)勢(shì)成為L(zhǎng)ED普通照明燈具散熱部件選擇的“新寵兒”。目前，生產(chǎn)導(dǎo)熱塑料的公司也越來(lái)越多，比較知名的公司有飛利浦、帝斯曼、Cool Polymers等。導(dǎo)熱塑料在國(guó)內(nèi)燈具市場(chǎng)的應(yīng)用剛剛起步，我國(guó)對(duì)于導(dǎo)熱塑料的研究相對(duì)比較欠缺，生產(chǎn)企業(yè)主要集中在廣東和上海等地。

雖然，導(dǎo)熱塑料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在具體的應(yīng)用中還需要進(jìn)一步加大創(chuàng)新力度。比如導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，熱阻相對(duì)比鋁材料要高，散熱性能還有待提升。同時(shí)，作為一種新型材料，導(dǎo)熱塑料的市場(chǎng)知名度不高，許多制造商都其不是很熟悉，還是會(huì)選擇制作工藝相對(duì)成熟的金屬材料。所以導(dǎo)熱塑料應(yīng)用道路仍然是“任重而道遠(yuǎn)”。

2 大功率LED照明燈具的散熱與性能

2.1 大功率LED照明燈具的散熱原理

LED之所以能成為普通照明，主要還是大功率LED的發(fā)展應(yīng)用。剛開(kāi)始，大功率LED主要還是在隧道、工礦、場(chǎng)館等地使用，后來(lái)隨著技術(shù)的改進(jìn)，在室內(nèi)外普通照明系統(tǒng)中也開(kāi)始應(yīng)用大功率LED。目前，我國(guó)多數(shù)地區(qū)基本都實(shí)現(xiàn)了LED取代燈泡，隨著市場(chǎng)占有率的不斷提升，LED燈具在發(fā)光、光質(zhì)、色彩等方面性能得到改進(jìn)，但是散熱、安全性等方面還需要加大研究力度。

LED燈具散熱的主要渠道就是將內(nèi)部的熱進(jìn)行良好地導(dǎo)出和分散，實(shí)現(xiàn)溫度平衡，確保LED的穩(wěn)定運(yùn)行。所以，無(wú)論采用哪種散熱技術(shù)，基本還是圍繞熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射這三種散熱原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)LED光源布局進(jìn)行散熱需求設(shè)計(jì)，采用軟件仿真技術(shù)測(cè)算熱能量，在選擇和設(shè)計(jì)導(dǎo)熱材料時(shí)盡量考慮熱阻小、系數(shù)高、效果好［3］等因素。

此外，LED燈具散熱并不是越高級(jí)越好，如果過(guò)于強(qiáng)調(diào)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)造成一種浪費(fèi)，提高了燈具成本，比如采用回流式熱管能夠完全實(shí)現(xiàn)L E D散熱目的，但是讓人感覺(jué)“得不償失”，還是選擇“恰到好處”的材料合適。特別是對(duì)于辦公場(chǎng)所來(lái)說(shuō)，還要考慮到L E D燈具的體積和重量，目前市場(chǎng)上多數(shù)采用的是鉛合金或銅等金屬材料，在加工、環(huán)保方面要求較高，并且成型比較難，靈活性差，資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。同時(shí)金屬材料存在導(dǎo)電性質(zhì)，會(huì)額外增加燈具的漏點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，因此，LED燈具散熱技術(shù)主要還是將目光瞄向那些散熱性能好、環(huán)保性能高、結(jié)構(gòu)形式多、具有居高的安全性的導(dǎo)熱塑料。

2.2 大功率LED照明燈具的散熱設(shè)計(jì)

大功率LED散熱設(shè)計(jì)主要是為了防止LED芯片出現(xiàn)過(guò)熱而引起安全問(wèn)題。大功率LED的散熱設(shè)計(jì)主要包括芯片內(nèi)部、封裝、管殼以及散熱器的散熱通道設(shè)計(jì)，芯片通過(guò)合理的版面布局來(lái)對(duì)表面溫度進(jìn)行均勻分布，封裝熱設(shè)計(jì)主要是通過(guò)科學(xué)地選擇封裝材料，最大化降低材料熱阻，減少熱應(yīng)力對(duì)芯片性能的影響。管殼與散熱器都需要按照大功率LED的散熱需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以大功率LED需要足夠的散熱能力，在具體的生產(chǎn)工藝中，要計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間使用LED時(shí)將芯片溫度控制在正常工作范圍內(nèi)。

2.3 表征大功率 LED照明燈具熱性能的主要參數(shù)

大功率LED所消耗的功率大部分都需要通過(guò)熱能散發(fā)出去，如果大功率LED散熱能力有限，就很有可能損壞LED芯片。大功率LED照明燈具的熱性能參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻兩個(gè)。結(jié)溫指的是芯片有源區(qū)的溫度，當(dāng)結(jié)溫高于所處環(huán)境溫度時(shí)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)熱流擴(kuò)散，這就要求LED的封裝導(dǎo)熱設(shè)計(jì)必須滿足散熱要求。熱阻是表征大功率L E D燈具的另一個(gè)重要指標(biāo)，熱阻越大，散熱能力就越差，而內(nèi)熱阻是燈具器件固有的熱阻，與管芯、內(nèi)部熱沉的導(dǎo)熱率有很大關(guān)系，外熱則與封裝的材料、形式和外部熱沉導(dǎo)熱率有很大關(guān)系，不管怎樣，大功率LED燈具都需要導(dǎo)熱性能較好的材料器件，來(lái)降低熱阻［4］。

3 大功率LED照明燈具的壽命與安全

由數(shù)量較少的LED組成的照明燈具功率比較小，所以也就不存在散熱問(wèn)題。但是，隨著光效能需求的不能提升，照明燈具功率的不斷增強(qiáng)，隨著而來(lái)的燈具散熱問(wèn)題也逐漸明顯。據(jù)調(diào)查，有近一半的照明燈具都是因?yàn)闊崃窟^(guò)大而損壞的，所以說(shuō)散熱問(wèn)題是影響照明燈具壽命與安全的重要元兇之一。同樣，對(duì)于大功率LED來(lái)說(shuō)，溫度過(guò)高會(huì)使得其光效減弱，嚴(yán)重降低LED的壽命，同時(shí)還可能燒毀LED的芯片，影響到LED芯片的可靠性和安全性。大功率LED的熱量主要來(lái)自與做功的芯片，其所產(chǎn)生的溫度被稱為結(jié)溫，結(jié)溫的高低就直接關(guān)系到LED使用壽命；結(jié)溫越高發(fā)光率越低，從而壽命就越短。

所以，從某種程度上說(shuō)LED與傳統(tǒng)照明燈具延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵之處就在于結(jié)溫的控制。如果我們能將結(jié)溫控制在有效的范圍內(nèi)，不僅能夠提高大功率LED燈具的壽命周期，還能夠提高LED照明燈具的發(fā)光率［5］。如今，LED器件的熱密度不斷提高，已經(jīng)成為高熱流密度器件，那么，解決好大功率LED照明燈具的散熱就成為提高L E D壽命周期與安全性的重要途徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

追求更加環(huán)保安全的LED照明燈具成為今天照明市場(chǎng)的主流趨勢(shì)，傳統(tǒng)的燈具多采用鋁合金散熱部件，其安全性能較低。而導(dǎo)熱塑料重量輕，制作簡(jiǎn)單，外觀多變，從而也就更加的環(huán)保安全。然而，現(xiàn)階段導(dǎo)熱塑料的生產(chǎn)成本還比較高，生產(chǎn)工藝還不夠成熟，在推廣應(yīng)用方面顯得力不從心。但是，可以預(yù)計(jì)當(dāng)導(dǎo)熱塑料實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)?；?，其綜合性能優(yōu)勢(shì)必然會(huì)顯露無(wú)遺，徹底取代傳統(tǒng)的鋁材料，成為L(zhǎng)ED普通照明燈具散熱部件的首選。

參考文獻(xiàn)

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Analysis Heat Dissipation of LED General Lighting Lamps Based on Thermally Conductive Plastics

Canlin Huang
（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision Guangzhou， Guangzhou， 510330， China）

Abstract：LED with its energy， high luminous efficiency， has wined the huge market， LED lighting application is more and more widely.High density， high power LED lighting lamps and lanterns should solve heat dissipation problems.This paper analyzed the thermal conductive plastic performance， studied LED lighting lamps and lanterns of heat dissipation and performance， life and safety，in other to promote the continuous improvement life of LED lamps and lanterns unit.

Key words：Thermally Conductive Plastics； LED High Power； Heat Dissipation Performance

中圖分類號(hào)：TM 923.34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-283-04

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.043

作者簡(jiǎn)介：

黃燦林（1981-），男，本科，助理工程師。研究方向：燈具及控制器檢測(cè)。

E-mail： 183086784@qq.com