导热塑料在LED领域应用_图文

1、 Q -Carbon Material Co., Ltd .Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park,No. 59, Shennan Road, Minhang District,Shanghai, CHINA 201108 TEL :0086-21-52965586LED 照明灯外壳用的新型热界面材料-导热工程塑料-创新型LED 照明灯具的卓越散热解决方案作为“高效、环保、节能”的新一代绿色光源和照明技术,LED 照明灯近年来在全球照明灯行业得到快速发展与广泛应用,然而LED 照明灯的操作环境温度越高,使用寿命也越低。因此,LED 照明灯的散热糸统

2、设计与应用对增加LED 照明灯的发光效率和使用寿命起着至关重要的决定作用。目前,LED 照明灯中的晶源芯片集成电路系统在工作状态产生的高热量散热困难的瓶颈之一在于LED 器件与散热器连接层的热界面材料结构设计与应用。高功率LED 照明灯的发光效率只有20%-30%,且晶片面积非常小,虽然消费电功率非常低,但是单位面积的发热量却很大,散热不好,直接会降低功效及使用寿命,一旦LED 照明灯的结温超过器件所能承受的最高临界温度时,光输出特性将会永久性的衰减。理论研究和实验测试表明,在高效的散热解决技术与合理方案对LED 照明灯来说是一个关键点,LED 照明灯外壳所使用的热界面材料必须具有较高的散热能

3、力,有效耗散LED 照明灯所产生的高热量,并保持较低的结温。如果能量不能及时耗散,将会影响LED 照明灯的功效及使用寿命。当LED 照明灯的结温由25上升至100时,发光效率将会衰退20%-75%。由于LED 照明灯在工作过程中会产生较大的热量传导至热沉作用,因此要求热界面材料不但具有良好的可塑性加工性,而且还具有良好的导热/散热传输性能。传统的热界面材料通常选用压铸铝材,具有导热性好、热传输速率高、加工成型容易等优点,但是比重大、电绝缘性差、加工成型工艺过程污染严重、生产效率低、不节能不环保。随着欧盟、美国、日本等国家强制立法实施一系列LED 照明灯节能与安保法规条款,压铸铝材制造的LED

4、照明灯逐渐受到限制与禁用,并会最终被市场淘汰,故此尽快研究与开发出具有环保、节能、加工成型快、生产效率高、成本低的LED 照明灯中使用的新型热界面材料成为近年来热点和迫切市场需求。LED 照明灯所带来的卓越效益能耗低、寿命长、效率高及对环境影响小,连同新的各个国家立法,都在鼓励消费者逐渐使用LED 照明灯等取代传统照明灯具。随着越来越多的新型LED 照明灯具的不断开发,设计人员与生产制造商的不断探索与研究,共同一致认为导热工程塑料是一种合理的新型热界面材料选择。导热工程塑料具有优良的机械力学性能,如质轻、耐化学腐蚀性强、电绝缘性能优异、耐冲击性高、加工成型简便,同时导热系数较高等特点,传统的不

5、锈钢热传导率为15 W/m-K ,压铸铝合金的热传导率为 50-100 W/m-K 。一般非工程塑料的热传导率只有0.2 W/m-K ,典型导热工程塑料的热传导率范围为1-20 W/m-K ,某些导热工程塑料品级可以达到 100 W/m-K ,这一数值大约是非导热工程塑料的5-100 倍。在适当灯具散热结构设计及合适条件下,导热工程塑料在散热方面具有与传统压铸铝材同效,可以提供全新的LED 照明灯具的设计自由度选择,减轻灯具的重量,这十分有利于安装大型的LED 照明系统,而且又具有优异的电绝缘性能,符合安全法规要求,完全可替代压铸铝材作为LED 照明灯中使用的新型热界面材料。 Q -Carbo

6、n Material Co., Ltd .Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park,No. 59, Shennan Road, Minhang District,Shanghai, CHINA 201108 TEL :0086-21-52965586近期,菲利蒲照明公司成功推出使用荷兰帝斯曼公司(DSM导热尼龙塑料(PA46Stanyl TC 制作的LED 照明灯具,具有结构设计合理、加工成型快、导热/散热性能优越,从而获得市场广泛好评,成为导热工程塑料作为新型热界面材料成功应用在LED 照明灯中的一个创新型卓越散热解决方案。本公司研究、开发及生产的

7、创新型导热工程塑料是将高导热性料、陶瓷材料、加工助剂等添加在工程塑料或通用塑料基质中复合而成,按电绝缘性可以分为:电绝缘型和非电绝缘型两大类型。电绝缘导热工程塑料主要针对电子工业、照明行业等高集成化和多分层化趋势,对工程塑料基材的电绝缘性和导热性同时有要求的情况而开发的,电绝缘性能良好,导热性能高,不改变塑料基材的原有机械力学性能和耐腐蚀、耐高温;而非电绝缘导热工程塑料一般应用于既需要抗静电、导电、电磁屏蔽等性能、又需要高散热性能的产品。非电绝缘导热工程塑料也称导电导热工程塑料。按颜色可分为黑色导热工程塑料和白色导热工程塑料,白色导热工程塑料诞生,更使应用得到极大的拓宽,使产品更具活力,更能提

8、升产品的附加值。主要特点:·1均匀快速散热,避免灼热点,避免零部件因高温造成的变形; ·2提高强度、硬挺度等机械性能;3重量比铝材轻40-50%,减小了震动,使稳定性提高;·4可在ABS、PA、PBT、PC、PPS、PEEK 等基础工程塑料树脂中选择;·5成型加工方便,可采用与普通塑料相同的成型工艺,不需要二次加工,适合大批量生产;. ·6热膨胀系数低;·7成型收缩率低,尺寸稳定性好;·8耐热温度高,提高了产品零部件的平均寿命; ·9充分提高了产品设计的自由度,提升产品附加值;·10导热系数范围广,可在5

9、W/m.k-25W/m.k 之间根据需要选择; ·11·有黑色和白色可供需选择;·12可根据产品性能参数的要求定制材料 Q -Carbon Material Co., Ltd .Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park,No. 59, Shennan Road, Minhang District,Shanghai, CHINA 201108 TEL :0086-21-52965586·13导热系数(又称热导率经第三方检测机构检测,结果真实权威。导热工程塑料替代压铸铝合金作为LED 照明灯外壳的新型热界面材料可行

10、性分析1.导热系数的影响在导热系数小于5W/mK 时,属于热传导受限的情况,这种情况下导热系数很小的变化都会造温度差很大的变化。在导热系数大于5W/mK 时,属于对流受限情况,由图1.可见当材料厚度在5mm 及以下的情况下,导热系数对温度差的影响都是趋近于0,所以此时导热系数5W/mK或者200W/mK,对结温的影响已经相差不大了。2. 模拟温度测试对比 Q -Carbon Material Co., Ltd .Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park,No. 59, Shennan Road, Minhang District,Shanghai,

11、CHINA 201108 TEL :0086-21-52965586材料 (W/m.K T led( T substrate( Al160 47.5 42.3 DSM 公司TC501材料1254.1 39.4 CoolPoly 公司 E3605材料 6 58.4 40.7 Silver 公司PA640G659.140.2导热工程塑料与铝合金材料的对比优点(1质量轻纯铝的密度为2.7g/m3,而导热塑料的密度为1.8g/m3左右,约为铝合金的2/3,所以在外形相同的情况下,重量也仅为铝合金的2/3。(2更加环保在导热工程塑料外壳的生产过程中,几乎不会产生什么有毒污染,而压铸铝外壳在生产中有电镀的

12、工序,产生的废液中的重金属会对水源和土壤造成严重的污染。 (3提高设计自由度导热工程塑料的流动性很好,可以生产很薄的部件,以及设计更加复杂的形状。铝壳的主要生产方法是压铸或拉伸成型,无法进行较复杂形状的加工。 (4加工方便,效率更高导热工程塑料可以一次成型,无需后加工,在注塑成型时模具可设计为一出四,所以工作效率很高。铝材料在挤出成型后往往还要有去毛边或镀镍等工序,加工周期长。 (5绝缘性高铝散热器由于其良好的导电性,往往是非隔离式电源在通过CE 或UL 认证时所担心的一个因素,而采用导热工程塑料就可以同时采 Q -Carbon Material Co., Ltd .Room#308, Bui

13、lding#6, TaiHong R&D Park,No. 59, Shennan Road, Minhang District,Shanghai, CHINA 201108 TEL :0086-21-52965586用非隔离式电源,而不必担心其安全问题。 (6降低制造生产成本就单价来说,单位质量的导热塑料价格必然是高于铝的,但整个制造过程成本却持平或较低,且数量越大,导热工程塑料的成本优势越明显,降低成本主要体现在加工费用方面。LED 行业导热塑料与铝材料对比报告当LED 结温升高时,发光材料的禁带宽度将减小,导致LED 发生波长变长,颜色向红色偏移。当LED 结温不超过其临界温度时

14、,正向压降随温度的变化是可逆的。一旦LED 的结温超过器件所能承受的最高临界温度时,LED 的光输出特性将会永久性的衰减。LED 是继白炽灯、荧光灯和HID 灯之后的第四代新型光源。LED 光源的出现和发展,将引发照明领域的一次革命,具有划时代的意义。概括的讲,LED 具有以下几方面的优点:LED 是环保性能最好的光源。LED 的眩光少,光谱中没有多余的紫外线和红外线,不含汞等有害物质,在运输、安装和使用中不会破碎,废弃物可回收,没有污染。 LED 为固态冷光源,十分坚固耐用寿命非常长。单色性好,色彩鲜艳丰富,灯光清晰柔和,并且可任意混合,从而使光色变幻多端。 体积小,重量轻,应用灵活。响应速

15、度快。白炽灯加电后需140-200ms 的时间才能达到设定亮度,而LED 通电后无需热启动时间,灯亮时间仅约60ns 。发光效率高,能量消耗低,较同样发光效率的白炽灯可节电80%。基于以上优点,LED 灯具将会是照明行业的一大发展趋势,用于室内照明的大功率LED 灯具在数量上也将有很大的发展。一、LED 灯具散热系统的作用当电流通过LED 时,其PN 结的温度将升高。结温的变化势必引起内部电子和空穴浓度、禁带宽度和电子迁移率 等微观参数的变化，从而使 LED 的光输出、发光波长以及正向电压等宏观参数发生相应的变化。 （禁带宽度是指一个 能带宽度(单位是电子伏特(ev.固体中电子的能量是不可以连

16、续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电 子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电） 。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导 带，这个能量的最小值就是禁带宽度。 ） 实验发现，当 LED 结温升高时，发光材料的禁带宽度将减小，导致 LED 发生波长变长，颜色向红色偏移。当 LED 结温不超过其临界温度时，正向压降随温度的变化是可逆的。一旦 LED 的结温超过器件所能承受的最高临界温度时， LED 的光输出特性将会永久性的衰减。 下图为结温不同时，光输出与时间的关系，其中，红色为结温74，蓝色为结温为63。 由图可见，当结温为74时，光输出衰减到50%所需时间为

17、2年，而结温为63时，这一时间即增加到6年，可见 结温对 LED 使用寿命的影响是非常巨大的。 综上所述，在 LED 灯具中，散热系统的作用就变的尤其重要。目前市场上大功率 LED 室内照明灯具的散热外壳 基本全部为铝， 塑料导热材料还处于初期起步阶段。 飞利浦 MASTER LED MR16 新式灯具成为了全球首例大功率 LED 应用，其铝制外壳被 Stanyl TC 导热塑料 所取代，同样达到了散热的目的。 下面两张图片中的铝件虽然造型不同，起到的全部为散热作用，图一中灯具为大功率射灯，外壳为铝材料外表镀 镍的散热系统，图二为蜡烛灯，中间部分为二次加工后用于散热的铝材料。 QCarbon

18、Material Co., Ltd. Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park, No. 59, Shennan Road, Minhang District, Shanghai, CHINA 201108 TEL：0086-21-52965586 FAX：0086-21-34635319 CEL: 137-6199-2112 E-mail: mark.xu 下面图片中为飞利浦公司推出的 MASTER LED MR16，其散热外壳材料为帝斯曼公司开发的 Stanyl TC 导热塑料。 二、导热塑料作为散热系统材料的可行性 在散热系统方面，一直以来都是

19、以铝作为材料。塑料由于其导热系数很小，不能满足散热要求，所从未用在 LED 散热领域。目前帝斯曼公司推出的新型导热塑料在保持一般塑料材料的优点基础上，增加了它的导热系数，使其导热 系数达到一般塑料的10-50倍。铝材料的导热系数在200W/(m·K，关于材料导热系数与温度增加量的关系如下图所示： 由图可见，在导热系数小于5时，属于热传导受限的情况，这种情况下导热系数很小的变化都会造温度差很大的 变化，一般的塑料导热系数都在1以下，所以如果用于散热系统将导致结温的迅速上升，必然会降低 LED 灯具的使用 寿命。在导热系数大于5时，属于对流受限情况，由图可见当材料厚度在5mm 及以下的情

20、况下，导热系数对温度差的 影响都是趋近于0，所以此时导热系数是5W/mK 或者200W/mK 对结温的影响已经相差不大了。为了满足不同情况下对 材料导热系数的要求，帝斯曼公司此次研发的新型导热塑料中材料的导热系数分不同等级，其中白色导热塑料的导热 系数分别为2，4，6，8，而黑色的导热塑料的导热系数分别为10，15，最高可达18W/mK，可以满足一般大功率 LED 灯具对散热效果的要求。 QCarbon Material Co., Ltd. Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park, No. 59, Shennan Road, Minhang Dis

21、trict, Shanghai, CHINA 201108 TEL：0086-21-52965586 FAX：0086-21-34635319 CEL: 137-6199-2112 E-mail: mark.xu 三、塑料导热材料与铝材优劣对比 铝材料虽然作为散热系统技术方面已经比较成熟，但仍有一些不足，同样塑料导热材料也不是完全没有缺点，以 下就是两者的优劣比较。首先是塑料导热材料相对铝来说存在的优点： （1）质量轻 在室内照明中，灯具的重量对多方面都有影响，比如重量增加会加大灯具的安装、运输难度，也 会对人身安全造成隐患等。纯铝的密度为2700kg/m3 ，铝合金的密度将会更大，而导热塑料

22、的密度为1420 kg/m3 左右， 约为铝合金的一半，所以在外形相同的情况下，重量也仅为铝合金的一半左右。 （2）更加环保和安全 在塑料外壳的生产过程中，几乎不会产生什么有毒污染，而铝壳在生产中经常会有电镀 的工序，而电镀产生的废液中的金属会对水源和土壤造成严重的污染。安全方面塑料为绝缘材质，不用担心因为灯的 外壳导电而产生的安全隐患。在耐高压测试方面，塑料具有绝对的优势。 （3）提高设计自由度 塑料的流动性很好，所以可以生产很薄的部件，以及设计更加复杂的形状。铝壳的主要 生产方法是压铸或拉伸成型，在生产过程中无法进行较复杂形状的加工。另外在表观效果来说，注塑产品会更加漂亮， 还可以加上与其

23、它企业不同的自身标志。 （4）加工方便，效率更高 塑料导热材料与其他塑料件一样，可以一次成型，无需后加工，而且在注塑成型时， 模具可设计为一出四，所以工作效率很高。铝材料在挤出成型后往往还要有去毛边的程序，如果对外形的要求比较高 的话，铝材料还要进行镀镍等工序，加工周期还将增长。 （5）启动系统简化 在外壳为铝合金时，由于外壳导电，内部必须采用隔离启动系统，塑料本身绝缘，没所以 用作散热系统时可以采用非隔离启动系统，由于非隔离系统相对于隔离系统来说不仅成本较低而且体积较小，这样不 仅可以降低成本而且所占空间会更小。 （6）降低系统成本 就单价来说，单位质量的导热塑料价格必然是高于铝的，但系统成

24、本却持平或较低，且数 量越大，塑料的成本优势越明显。另外，塑料导热材料目前处于一个初级阶段，将来的价格随产业的发展和产品量的 增加一定会降低，而铝作为有色金属的价格却不太可能有明显的降低。塑料降低成本主要体现在加工费用方面。 但是塑料导热材料与铝相比也会有劣势： （1）导热系数较低 塑料的散热系数始终比铝低很多，所以即使散热效果能够达到要求，灯的温度也会比铝壳 稍高。 （2）数量较小时成本问题 以上的成本计算是建立在量比较大的情况下，如果量小时，塑料导热材料的模具成 本体现在每一个上面就会比较大，而铝壳的使用厂家由于加工难度大一般会直接采购成品，不会有模具方面而导致的 成本的问题。 （3）市场

25、接受度 铝一直以来都是作为散热系统的材料，但塑料作为散热材料才刚刚起步，目前市场上也只有 菲利浦公司推出了产品。所以很多厂家目前因担心风险，因而不太愿意尝试开模制作产品。 四、导热塑料在 LED 领域的应用前景 帝斯曼给飞利浦做的导热塑料 PA46，进行了市场调查了下，发现市场上能买到正牌的很少，而且人家有也是少量 持有，毕竟他们的价格太贵了将近 300 元/kg。一般人家贸易商持有量都只在半吨或者一顿左右。因为根本就找不到货 QCarbon Material Co., Ltd. Room#308, Building#6, TaiHong R&D Park, No. 59, Shenn

26、an Road, Minhang District, Shanghai, CHINA 201108 TEL：0086-21-52965586 FAX：0086-21-34635319 CEL: 137-6199-2112 E-mail: mark.xu 源。荷兰帝斯曼一进口过来就被大厂所预定了，但也只有大厂才能接受那样的价格。目前导热塑料做灯杯，单价比铝 做散热灯杯贵一点，这是实话，但目前是因为生产导热塑料的工艺为大规模开始，所以算起来才贵。铝的生产工艺已 经很成熟了，所以不能以目前的单价铝与现在的导热塑料单价比，没有可比性。经过计算大批量生产导热塑料，成本 将大大降低， 比铝的单价将至少少 1/3.而且塑料的注塑工艺简单， 质轻。