大功率LED燈具中導(dǎo)熱材料的分析和應(yīng)用

公文禮，張 鵬，王崇陽(yáng)

(1.陜西斯達(dá)防爆安全科技股份有限公司，西安710086；2.南陽(yáng)防爆電氣研究所,南陽(yáng)473008)

LED研究

大功率LED燈具中導(dǎo)熱材料的分析和應(yīng)用

公文禮1，張 鵬2，王崇陽(yáng)2

(1.陜西斯達(dá)防爆安全科技股份有限公司，西安710086；2.南陽(yáng)防爆電氣研究所,南陽(yáng)473008)

文章通過(guò)對(duì)大功率LED光源燈具中所用的各種導(dǎo)熱材料的特性分析，結(jié)合大功率LED光源自身的散熱需求分析，闡述了大功率LED照明燈具中常用的主要導(dǎo)熱材料性能特點(diǎn)以及在燈具中所起的作用。文章中系統(tǒng)介紹了LED燈具中常用的幾種導(dǎo)熱材料性能和使用方法，并應(yīng)用具體的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明了選用不同的導(dǎo)熱材料對(duì)LED燈具散熱效果的影響和對(duì)燈具壽命影響的重要性，旨在說(shuō)明設(shè)計(jì)LED燈具和選擇導(dǎo)熱材料時(shí)，要根據(jù)不同的燈具類(lèi)型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用與其性?xún)r(jià)比合理的導(dǎo)熱材料。只有重視燈具的導(dǎo)熱材料，才能保證燈具中LED光源得到較好的散熱，從而延長(zhǎng)LED燈具的使用壽命。雖然各種導(dǎo)熱材料的合理選擇看似微不足道，但卻可以提高LED燈具的性?xún)r(jià)比，這樣才能讓LED燈具真正進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，真正進(jìn)入綠色照明時(shí)代。導(dǎo)熱材料是決定燈具散熱效果的重要因素之一，它甚至和電源驅(qū)動(dòng)一樣直接影響著燈具的使用壽命。最后希望業(yè)界同行能夠在燈具設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用中更多關(guān)注各種導(dǎo)熱材料，關(guān)注導(dǎo)熱材料在大功率LED燈具標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一中所起的積極作用，通過(guò)合理應(yīng)用這些導(dǎo)熱材料，在促進(jìn)導(dǎo)熱材料不斷更新的同時(shí)必然帶動(dòng)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

大功率LED散熱；結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料；導(dǎo)熱硅脂；導(dǎo)熱絕緣膠；導(dǎo)熱系數(shù)；燈具標(biāo)準(zhǔn)化；防爆LED燈具

0 引 言

近年來(lái)，隨著大功率LED光源在照明燈具中廣泛的應(yīng)用和普及，半導(dǎo)體發(fā)光材料得到了迅猛發(fā)展，LED光源制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性發(fā)展，其發(fā)光效率也逐年遞增。色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的所有顏色覆蓋，尤其是超高亮度白光LED的普及應(yīng)用，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源。LED照明必將引領(lǐng)第四代光源的跨越式革命， LED照明在綠色環(huán)保方面越來(lái)越發(fā)揮積極的作用。但是，LED燈具的散熱始終制約著燈具規(guī)?；瘧?yīng)用，尤其是目前市場(chǎng)上眾多LED生產(chǎn)廠(chǎng)家為了節(jié)約成本，以及對(duì)LED散熱的重要性認(rèn)識(shí)不足，造成了燈具的散熱結(jié)構(gòu)不合理，燈具散熱中用到的各種導(dǎo)熱材料不規(guī)范，普遍存在層次不齊，使用不當(dāng)以及性?xún)r(jià)比不合理的現(xiàn)象。如何才能解決好LED燈具中散熱問(wèn)題，除了有良好的散熱結(jié)構(gòu)外，必須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡x用合理的導(dǎo)熱材料，特別是合理選用各導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)體之間的銜接填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料，對(duì)延長(zhǎng)LED燈具壽命也是至關(guān)重要的。

1 LED光源必須依賴(lài)散熱的重要性

近年來(lái)，通過(guò)對(duì)LED燈具的研究和大量的實(shí)驗(yàn)證明，在現(xiàn)有技術(shù)水平的LED燈具中，約80%的能量轉(zhuǎn)化為熱能而白白耗掉。在LED光譜中，除紅外波段外，其余光譜段不能靠輻射散出熱量，LED光源工作中產(chǎn)生的熱量主要以傳導(dǎo)方式釋放。根據(jù)光功率(流明)與電功率(瓦)的能量守恒當(dāng)量關(guān)系：Km=683 lm/W，即1 W的光源在理想的理論條件下(黑體輻射)可產(chǎn)生683 lm光通量的光能。即使目前業(yè)界技術(shù)領(lǐng)先的美國(guó)CREE公司最新的研發(fā)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室下LED的光效達(dá)到320 lm/W，也不能將全部能量轉(zhuǎn)化為光能輸出，而其余的都轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉。所以L(fǎng)ED 燈具光效的提高不僅僅是考慮光通量提高的問(wèn)題，熱能會(huì)引起結(jié)溫過(guò)高，導(dǎo)致光衰加大，熒光粉失效等問(wèn)題，最終導(dǎo)致燈具壽命的急劇縮短。所以解決好LED燈具的散熱問(wèn)題是燈具設(shè)計(jì)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

LED光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖1)，LED芯片體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，局部熱流密度大，熱量集中不宜釋放，只能通過(guò)芯片底部的支架向外傳導(dǎo)。LED燈具設(shè)計(jì)中必須要解決好散熱問(wèn)題，LED燈具的使用壽命究竟多久其實(shí)也就是要解決好它的內(nèi)部熱傳導(dǎo)問(wèn)題。

圖1 朗伯型封裝結(jié)構(gòu)的LED光源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 LED燈具的一般散熱途徑和熱分布情況

LED工作中產(chǎn)生的熱是從溫度較高的管芯處向溫度較低的燈殼體等外部環(huán)境逐步擴(kuò)散。大功率LED主要的散熱路徑是：LED管芯→LED支架→鋁基板→燈殼體→環(huán)境空氣(圖2)。根據(jù)研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，一般情況下LED的結(jié)溫必須小于110 ℃，才能保證LED正常持續(xù)工作。受管芯與支架間熱阻的影響，散熱支架的溫度通?？蛇_(dá)到80～90 ℃，所以在燈具設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能增加殼體的散熱通道和散熱面積，來(lái)減少熱阻，降低LED結(jié)溫。減少熱阻除了提高殼體、支架等散熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)外，更重要的是使他們銜接部分接觸充分，通過(guò)導(dǎo)熱填補(bǔ)材料來(lái)進(jìn)行無(wú)縫銜接，這就要求用來(lái)填補(bǔ)的導(dǎo)熱材料也要具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 LED燈具散熱路徑及溫度分布示意圖

根據(jù)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在LED燈具散熱路徑中，由于各部分的材料特性和所處的結(jié)構(gòu)位置不一樣，各部分對(duì)散熱的能力大小也不一樣，他們各自在整套燈具系統(tǒng)中所承擔(dān)的散熱比例不同(圖3)。通過(guò)圖3可以看出，鋁基板在整個(gè)燈具中承擔(dān)了大約74%的散熱量，LED產(chǎn)生的熱量大多由鋁基板傳導(dǎo)給殼體，當(dāng)然其他部分導(dǎo)熱雖然占整體的比例不大，但在散熱系統(tǒng)中也發(fā)揮了各自的關(guān)鍵作用。

圖3 LED燈具中各部分散熱所分擔(dān)的比例關(guān)系

目前為止，LED燈具所能達(dá)到的理想技術(shù)水平，就是燈具的整體光效≥90 lm/W，熱阻≤90 ℃/W，正常點(diǎn)亮?xí)r結(jié)溫溫升≤25 ℃，工作壽命≥50 000小時(shí)(光通量下降到初始值的70%)，當(dāng)然，要達(dá)到這些技術(shù)指標(biāo)，必須經(jīng)過(guò)科學(xué)合理的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 導(dǎo)熱材料在LED燈具中的作用及其重要性

LED燈具中的導(dǎo)熱材料大多數(shù)是作為燈具的殼體結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足殼體防護(hù)性能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)成利于LED光源熱傳導(dǎo)的形狀，利用殼體結(jié)構(gòu)盡可能增加導(dǎo)熱通道和導(dǎo)熱面積。我們知道，恒流驅(qū)動(dòng)和散熱是LED燈具設(shè)計(jì)中的兩大技術(shù)難題。尤其是LED光源的散熱良好與否，直接決定LED燈具的使用壽命。因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)說(shuō)，根據(jù)熱功當(dāng)量的關(guān)系，LED光源的理論光效應(yīng)該為683 lm/W，然而實(shí)際上，LED光源在持續(xù)發(fā)光的同時(shí)，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量的熱能，LED燈具發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能若無(wú)法及時(shí)導(dǎo)出，將會(huì)使LED結(jié)溫過(guò)高，隨著結(jié)溫的升高，出光效率隨之會(huì)下降(圖4)，并且溫度對(duì)LED長(zhǎng)波段的發(fā)光效率影響較大，從而引起“紅移”現(xiàn)象，甚至最后導(dǎo)致LED直接死燈的現(xiàn)象。

圖4 LED光源PN結(jié)的結(jié)溫與光源的相對(duì)出光率關(guān)系

LED燈具的工作環(huán)境溫度升高，會(huì)使LED壽命呈指數(shù)性縮減。經(jīng)過(guò)近年的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，溫度每升高10 ℃，燈具壽命平均減少一半。如果燈具的電子元件溫度每上升2 ℃，可靠性將下降10%。所以為了保證LED燈具的壽命，一般要求在散熱能力上LED光源PN結(jié)的結(jié)溫至少在110 ℃以下，并且在性?xún)r(jià)比保證的前提下保證PN結(jié)溫越低越好。

4 大功率LED燈具中常用的導(dǎo)熱材料種類(lèi)及介紹

LED燈具中常用的導(dǎo)熱材料按其在燈具中的作用主要分為結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料和填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料。結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料除了作為燈具的殼體功能外，同時(shí)兼做LED光源散熱之用，填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料主要用于結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料之間，作為兩者之間銜接導(dǎo)熱之用。

4.1 大功率LED燈具中的結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料

通過(guò)圖2燈具的散熱途徑可以看出，在進(jìn)行LED燈具整體設(shè)計(jì)時(shí)只要解決好四個(gè)散熱環(huán)節(jié)就可以了，前兩個(gè)環(huán)節(jié)一般由光源廠(chǎng)家來(lái)決定。而作為L(zhǎng)ED燈具生產(chǎn)廠(chǎng)家，最主要的就是后面兩個(gè)環(huán)節(jié)，也就是燈殼體和鋁基板的散熱設(shè)計(jì)。燈殼體一般采用導(dǎo)熱性能較好的金屬材料鑄造而成(圖5)。

圖5 一種LED射燈的散熱殼體

在幾種常用的金屬材料中，如圖6所示，鋁合金的導(dǎo)熱能力處于中間水平，相對(duì)而言具有性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，所以大多燈具都采用鋁合金做殼體，采用模具壓力鑄造的方法加工，壓鑄鋁的燈具殼體重量輕，外形美觀，散熱良好，很容易實(shí)現(xiàn)批量加工。

圖6 幾種金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較

但是近年來(lái)，隨著LED燈具技術(shù)的應(yīng)用成熟和市場(chǎng)價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)，和之前的傳統(tǒng)燈具相比，LED燈具的鋁合金殼體儼然成了的燈具中成本較高的部件，一直制約著批量化應(yīng)用。與此同時(shí)，工程塑料在克服其唯一的導(dǎo)熱缺陷上取得了較大的技術(shù)突破，國(guó)外相繼研制了具有較好導(dǎo)熱性能的工程塑料。未來(lái)，具有高導(dǎo)熱系數(shù)的工程塑料或許將成為L(zhǎng)ED燈具殼體的主要材料，工程塑料具有高強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)輕巧美觀，易于成型，批量化加工容易等諸多優(yōu)點(diǎn)(表1)。

表1 國(guó)外幾種可用于LED燈具的工程導(dǎo)熱塑料的性能參數(shù)表

通過(guò)圖2燈具的散熱途徑可以看出，PCB鋁基板也是LED燈具散熱中很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，鋁基板是承載LED與殼體之間熱傳導(dǎo)的主要部件。鋁基板具有電氣絕緣性能好，熱阻小，無(wú)磁性，機(jī)械強(qiáng)度高，散熱好等優(yōu)點(diǎn)。一般標(biāo)準(zhǔn)厚度為0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0 mm等規(guī)格，可根據(jù)不同的散熱需求選擇不同厚度的鋁基板。

鋁基板由電路層(銅箔層)、導(dǎo)熱絕緣層和金屬基層組成。電路層要求具有很大的載流能力，應(yīng)使用較厚的銅箔，厚度一般35 μm～280 μm。導(dǎo)熱絕緣層是PCB鋁基板核心技術(shù)之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊聚合物構(gòu)成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，有抗熱老化的能力，能承受機(jī)械及熱應(yīng)力，具有極為優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和高強(qiáng)度的電氣絕緣性能。金屬基層是鋁基板的支撐構(gòu)件，要求具有高導(dǎo)熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(銅板能夠提供更好的導(dǎo)熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機(jī)械加工。

目前鋁基板工藝技術(shù)已經(jīng)很成熟，工藝主要有鍍金、噴錫、osp抗氧化、沉金、無(wú)鉛ROHS制程等。

4.2 幾種可用于結(jié)構(gòu)性導(dǎo)熱材料之間銜接的填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料介紹

4.2.1 導(dǎo)熱硅脂

俗稱(chēng)“導(dǎo)熱膏”或“散熱膏”，是呈膏狀的高效散熱材料，通常填充在LED光源的支架和鋁基板或者鋁基板和散熱殼體之間，它的流動(dòng)性非常好，能充分潤(rùn)澤滲入兩種需要導(dǎo)熱的材料表面，從而形成一個(gè)非常低的熱阻接口，比LED光源與散熱器接觸面中間的空氣熱傳導(dǎo)效率高。從基本特性來(lái)看，硅脂一般是以特種硅油作基礎(chǔ)油，以新型金屬氧化物作填料，配以多種功能添加劑，經(jīng)特殊的工藝加工而成的白色或其他顏色的膏狀物(圖7)。

圖7 可用于大功率LED燈具的導(dǎo)熱硅脂

導(dǎo)熱硅脂具有極佳的導(dǎo)熱性、電絕緣性、使用穩(wěn)定性、耐高低溫性等特點(diǎn)，是目前大功率LED燈具常用的導(dǎo)熱材料。對(duì)接觸的金屬材料(銅、鋁、鋼)無(wú)腐蝕，具備極低的揮發(fā)損失，不干，不熔化，具備良好的材料適應(yīng)性和較寬的使用溫度范圍(最高250 ℃)，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)腐蝕性，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，是大功率LED燈具比較理想的介質(zhì)材料，而且性能穩(wěn)定，在使用中不會(huì)產(chǎn)生腐蝕性氣體，不會(huì)對(duì)所接觸的金屬產(chǎn)生影響。唯一的缺點(diǎn)就是涂抹不方便，受溫度影響會(huì)有“呼吸效應(yīng)”，長(zhǎng)期使用后會(huì)造成接觸面空洞。

另外，近年來(lái)基于導(dǎo)熱硅脂原理而發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)電型銀漿也是一種較好的導(dǎo)熱材料，它的粘貼硬化溫度一般為200 ℃，既有良好的熱導(dǎo)特性，又有較好的粘貼強(qiáng)度，唯一不足就是目前的價(jià)格成本較高，在LED燈具中應(yīng)用并不多。

4.2.2 導(dǎo)熱硅膠

就是導(dǎo)熱RTV膠，在常溫下可以固化的一種灌封膠，和導(dǎo)熱硅脂最大不同就是導(dǎo)熱硅膠可以固化，有較強(qiáng)的粘接性能。而兩者都充當(dāng)中間傳熱的填充介質(zhì)，外觀也相似，但硅膠的主要成分是二氧化硅，它具有非常好的粘性，而硅脂是沒(méi)有粘性的。

導(dǎo)熱硅膠的最大優(yōu)勢(shì)是可以用在不方便固定光源或鋁基板的地方，而硅脂主要是用在通過(guò)螺紋固定光源的燈具中，但是使用硅膠需要時(shí)間固化。

4.2.3 導(dǎo)熱硅膠片

是一種薄片狀的固體導(dǎo)熱材料(圖8)，填充發(fā)熱器件和散熱片或金屬底座之間的空氣間隙，具有一定的柔韌性、優(yōu)良的絕緣性、壓縮性、表面天然的粘性，能填充縫隙，達(dá)到發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞，同時(shí)還起到絕緣、減震等作用，能滿(mǎn)足小型化及超薄化的設(shè)計(jì)要求，使用方便性是導(dǎo)熱硅脂和硅膠無(wú)法比擬的，但存在沒(méi)有涂抹時(shí)容易弄臟光源，涂抹厚度不易控制，分布不均勻等缺陷。

當(dāng)然，除了這幾種比較穩(wěn)定的材料外，導(dǎo)熱環(huán)氧膠也是比較理想的選擇，它除了具有導(dǎo)熱硅膠的優(yōu)點(diǎn)外，耐高溫穩(wěn)定性和較強(qiáng)的粘接能力是其他導(dǎo)熱材料無(wú)法比擬的。唯一的缺點(diǎn)就是由于它是雙組分A、B膠，使用時(shí)要根據(jù)需求量配置，固化需要24小時(shí)，對(duì)于LED燈具來(lái)說(shuō)造成了工藝上的不便。

為了提高鋁基板的傳熱能力，目前室內(nèi)LED燈具大多采用貼片型LED光源，通過(guò)回流焊工藝將LED光源與鋁基板錫焊，不僅提高了導(dǎo)熱能力，而且提高了工藝效率，是比較理想的導(dǎo)熱方式，值得推廣。

不論采用哪種導(dǎo)熱方式，具體要根據(jù)燈具的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)結(jié)合企業(yè)自身的特點(diǎn)來(lái)決定，如表2，選擇性?xún)r(jià)比高的導(dǎo)熱材料是設(shè)計(jì)燈具所必須考慮的因素。

圖8 一種導(dǎo)熱硅膠片

材料種類(lèi)比較內(nèi)容 導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱硅膠導(dǎo)熱硅膠片環(huán)氧導(dǎo)熱絕緣膠外觀白色棕灰色(固化后)灰色,粉色,灰色(固化后)粘度(cps25℃)10000070000—60000～100000可操作時(shí)間(25℃)隨時(shí)1.5～2h隨時(shí)1.5～2h固化時(shí)間(25℃)不固化24h不固化24h溫度范圍/℃-20～+200-30～+25050～+20050～+200邵氏硬度D—>80>40>120擊穿電壓/(kV/mm-1)>25>25>30>35導(dǎo)熱系數(shù)/(w·(m·k)-1)1.3～1.51.2～1.41.0～1.21.1～1.3粘結(jié)強(qiáng)度/(kg·cm-2)—>100—>120體積電阻/(Ω·cm-1)>1012>1014>1014>1014

5 導(dǎo)熱材料在LED燈具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的作用

由于LED燈具是新型產(chǎn)業(yè)，各個(gè)企業(yè)都在研發(fā)自己的產(chǎn)品，各自都有自己認(rèn)為理想的散熱解決方案，燈具中用到的導(dǎo)熱材料也五花八門(mén)，良莠不齊。以致于國(guó)內(nèi)對(duì)于LED燈具在導(dǎo)熱材料方面相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化比較滯后，造成市場(chǎng)上的燈具外形種類(lèi)繁多，燈具的外殼結(jié)構(gòu)件互不通用，這無(wú)疑給用戶(hù)日后的維修埋下隱患。目前，LED光源模組、驅(qū)動(dòng)電源，甚至是殼體的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，希望導(dǎo)熱材料的標(biāo)準(zhǔn)化也將在未來(lái)的LED發(fā)展中逐步規(guī)范。

LED燈具導(dǎo)熱材料如果能得到標(biāo)準(zhǔn)化，必將對(duì)整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大的影響。首先燈具的加工工藝性會(huì)更好，LED燈具最終會(huì)走向模塊化發(fā)展，模塊化的LED燈具維修方便，模塊化后不同廠(chǎng)家的LED光源和驅(qū)動(dòng)電源等主要部件可以互相兼容，節(jié)省了維修費(fèi)用和成本。其次是LED燈具前期的開(kāi)發(fā)費(fèi)用降低，標(biāo)準(zhǔn)化后的LED模塊選型使研發(fā)時(shí)有較多的選擇余地，用較少的研發(fā)投入即可制造出優(yōu)質(zhì)的LED照明產(chǎn)品。即不同的燈具生產(chǎn)廠(chǎng)家可以采用標(biāo)準(zhǔn)化的LED光源模組和驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也便于行業(yè)間的技術(shù)交流和協(xié)作。標(biāo)準(zhǔn)化后的LED路燈在工藝組裝效率上高于節(jié)能燈5倍，如果LED燈具的主要模塊能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，整燈成本可以降低2～3倍。

LED燈具的主要模塊標(biāo)準(zhǔn)化后，LED燈具的結(jié)構(gòu)件在維修時(shí)雖然可以互換，但是維修中光源模組和殼體之間的填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料在現(xiàn)場(chǎng)的涂抹卻顯得非常麻煩，這個(gè)問(wèn)題或許是大功率LED燈具目前普遍存在的一大難題。

圖9 采用導(dǎo)熱硅膠片的LED球泡燈

如果LED中用到的幾種導(dǎo)熱填補(bǔ)材料也能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，不只提高維修效率，而且節(jié)省了維修成本。比如，利用前面提到過(guò)的導(dǎo)熱硅膠片就很容易實(shí)現(xiàn)這一功能，燈具廠(chǎng)家可以根據(jù)LED光源模組功率的大小制成尺寸相匹配的標(biāo)準(zhǔn)尺寸導(dǎo)熱硅膠片，維修時(shí)只需簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)組裝即可(圖9)，批量后用戶(hù)也可自己更換。同樣，采用導(dǎo)熱硅脂也可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，比如，可以根據(jù)不同LED燈具的功率大小從高到低分檔，每檔配備與其光源模組所需導(dǎo)熱硅脂(見(jiàn)圖10)的數(shù)量多少，進(jìn)行牙膏筒式的包裝，LED燈具維修時(shí)只需領(lǐng)取與燈具功率相適應(yīng)的劑量包裝，打開(kāi)涂抹，既能保證導(dǎo)熱膠的涂抹用量，也不致于造成不必要的浪費(fèi)，而且方便攜帶和運(yùn)輸。以后隨著LED照明進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，這將是一種比較理想且行之有效的解決方案。

圖10 采用標(biāo)準(zhǔn)化包裝的導(dǎo)熱硅脂

6 導(dǎo)熱材料在防爆LED燈具中的重要作用

LED防爆燈具由于其具有壽命長(zhǎng)，工作溫度低，安全節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，是白熾燈、熒光燈、鹵素?zé)艄庠捶辣瑹艟咚鶡o(wú)法比擬的。但是由于防爆LED燈具一般受防爆結(jié)構(gòu)的限制，燈具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，LED光源的散熱受限于防爆結(jié)構(gòu)，所以防爆燈具的導(dǎo)熱材料顯得尤為重要。防爆燈具的殼體既要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)又要具有良好的散熱作用，因此，在殼體材料選擇時(shí)，既要考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)，又要考慮材料的力學(xué)強(qiáng)度性能。有些特殊防爆場(chǎng)所(比如煤礦井下)的燈具如果采用鋁合金殼體散熱，從產(chǎn)品的防爆性能就要求殼體的鋁合金材料能經(jīng)過(guò)GB/T 13813—2008標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的摩擦火花試驗(yàn)，燈具的防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要滿(mǎn)足GB 3836—2010標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。尤其是在防爆燈具的工頻耐壓測(cè)試中，交流輸入對(duì)殼體或地的2 kV工頻耐壓，除了在驅(qū)動(dòng)電路上需要采用隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，一般也要通過(guò)鋁基板和殼體間的填補(bǔ)性導(dǎo)熱材料來(lái)進(jìn)行必要的電氣絕緣，這時(shí)的導(dǎo)熱材料除了具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)外，還必須具有較高的絕緣電阻(>20 MΩ)，才能滿(mǎn)足各項(xiàng)技術(shù)要求。

圖11 具有防爆和散熱結(jié)構(gòu)的LED防爆燈具

7 結(jié) 論

我們通過(guò)對(duì)大功率LED燈具應(yīng)用中所涉及的各種導(dǎo)熱材料性能特點(diǎn)及使用方法的研究學(xué)習(xí)，明確了導(dǎo)熱材料在燈具散熱中的重要性，尤其是在防爆LED燈具(圖11)的設(shè)計(jì)中，既能滿(mǎn)足導(dǎo)熱性能又具有絕緣性能的絕緣導(dǎo)熱材料發(fā)揮了不可替代的作用。通過(guò)不同導(dǎo)熱材料的比較，基本掌握了各種導(dǎo)熱材料的使用特性，以及近年來(lái)用于燈具散熱的新型工程塑料材料和諸如導(dǎo)熱硅膠片等新材料新工藝，值得我們進(jìn)一步去探討研究，如果能將類(lèi)似的新材料科學(xué)合理地應(yīng)用到LED照明燈具設(shè)計(jì)中，在未來(lái)或許能為開(kāi)啟我國(guó)的大功率LED燈具照明時(shí)代發(fā)揮積極的作用。

Analysis and Application of Thermal Conductive Materials in High Power LED Lamps

GONG Wenli1，ZHANG Peng2，WANG Chongyang2

(Shaanxi Sida Explosion-proof Safety Polytron Technologies Inc，Xi’an 710086,P.R.China； Nanyang Explosion Proof Electric Research Institute，Nanyang 473008,P.R.China)

In this paper, through the analysis of characteristics of various conductive materials for high power LED light source in the fixture, with the cooling demand of high power LED light source’s analysis, elaborated the main performance characteristics of thermal conductivity materials commonly used in high power LED lighting lamps and the role in the lamp, the article introduces several commonly used system performance the LED lamp heat conductive material and method of use, and analyzed the application specific test data, indicating the importance of selecting different conductive materials influence on the cooling effect of LED lamps and influence on the service life of the lamps. To illustrate the design of LED lamps and choose heat conducting materials, according to the different types of lamps and structural features, choose their reasonable thermal conductivity materials. Only attach importance to the lighting of the thermal conductivity material as the quality of LED light source, in order to ensure the lamp LED light source to get better heat dissipation, thereby prolonging the service life of LED lamps. Although the reasonable choice of various conductive materials, seemingly not worth mentioning, but can improve LED lamp price, so that it can make LED lighting into the real green lighting into thousands of households, real time. This paper shows that the thermal conductivity of materials although throughout the LED lighting design in the link appears to be very little, but in fact, one of the important factors of heat dissipation good effect it is decided, it even and power driver directly affects the service life of the lamp. Finally, I hope the colleagues can focus on all kinds of conductive materials more in lamp design and standardized application, attention heat conduction material positive role in high power LED lighting standard plays, through the reasonable application of these thermal materials, while promoting thermal materials constantly update technology will inevitably lead to the healthy development of LED industry of our country.

high power LED heat dissipation; structural heat conductive material; thermal grease; thermally conductive insulating adhesive; thermal conductivity; lamp standardization explosion proof LED lamp

2017-01-10 作者簡(jiǎn)介：公文禮，男，高級(jí)機(jī)電工程師，本科，主要從事大功率LED照明燈具的研究和防爆電器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。