基于导热塑料的LED照明灯具散热分析

黄灿林（广东产品质量监督检验研究院，广东广州，510330）



基于导热塑料的LED照明灯具散热分析

黄灿林
（广东产品质量监督检验研究院，广东广州，510330）

摘 要：LED以其节能、发光效率高等特点赢得巨大的市场，LED用途越来越广，其中高密度、大功率LED照明灯具的散热问题需要解决。本文分析了导热塑料性能，针对LED照明灯具散热与性能、寿命与安全等问题展开了探究，得出LED光源引擎使用导热塑料可以增强散热能力。希望推动我国导热塑料的研发进程。

关键词：导热塑料；LED大功率；散热性能

引言

人类的生产生活都离不开照明。随着科技的进步，人类所使用的照明技术和工具也在不断进步。上个世纪60年代，人类第一个可见光发光二极管诞生，标志着LED开始进入人们的视野，但是由于技术不成熟，LED发光效率不高，产品成品率不高，寿命不长，并没有得到广泛使用。直到1997年首个白光LED研制成功，才真正进入第四代新光源时代。人类开始将LED作为一种新型节能光源产品应用到了生产和生活的各个领域［1］。我国LED照明工程起步较晚，但推广速度极快，LED照明的广泛使用不仅节约了能源，方便了人们的生活，也应用到工业制造中，如液晶电视背板上的照明，就使用了大量的、阵列分布的LED灯，其背板的散热问题也是企业研究的重点。

LED显示经常被排列为密度大、阵列式，其本身会产生巨大的热量，如果不能有效的散热，就会影响到LED的发光效率以及寿命，甚至过热会产生安全问题。研究其散热问题很重要。

1 导热塑料的散热性能

1.1 导热塑料

导热塑料是对工程塑料的改进，是在工程塑料内部增加导热填料来提高其导热性能，从而使得原本不具有热性能的工程塑料具有了导热性，可以成为灯具散热系统的构成部件。

导热塑料同普通工程塑料一样需要成型加工，但是需要加入导热填充物才能提高塑料的散热性能。导热塑料内部的导热填充物主要有氧化铝、氧化镁、氧化锌，以及金属粉、石墨和碳纤维等，导热塑料密度更轻，成型灵活，且不需要后续加工处理，环保性能和绝缘性能较高，所以导热塑料是比较理想的散热构件［2］。

1.2 导热塑料的散热性能测试

导热塑料与铝制金属材料的导热性能要一起比较研究，因为传统灯具用铝制金属导热材料。与传统的铝相比，导热塑料的导热系数相对较低，但是在输入电流后，其散热效果和照明效果明显变化。经过测试表明，导热塑料有着传统铝制导热材料无法比拟的优势。主要体现在以下几个方面：

一是导热塑料的重量较轻。LED普通照明灯具室内外都大量使用，如果灯具重量过大势必会存在更多的安全隐患，并且重量大也会影响到安装和维修难度，在照明灯具接口方面承担压力过大，降低了整个灯具使用的安全性能。而导热塑料比铝的密度要小很多，大约相对于铝的一半，同样在电路设计空间条件一样的情况下，导热塑料的重量要比铝材质轻一半，选择导热塑料更加轻巧。

二是导热塑料的绝缘性相对较好。导热塑料外部热沉，具有一定的绝缘性，而传统的铝制材料因为金属本身的导电性，在安装内部驱动时会受到限制，并且在通电状态下或者遇到室内外环境潮湿的情况下，就会有漏电的可能，产生触电的风险，严重影响灯具的安全使用。相对而言，导热塑料绝缘性强能够避免漏点现象的发生，确保了灯具照明的安全性。

三是导热塑料有利于环保。导热塑料与传统的工程塑料一样，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处理，相对比较环保。而铝材质本身流动性差，模具设计单调，成型后还需要后期的修缮和表面处理，工序相对复杂，且会对环境造成严重污染；

四是导热塑料的柔韧性，使设计灵活性高。导热塑料本身的流动性高，给外观设计提供了更大的空间，而铝材料需要通过压铸或拉伸，灵活性相对受到限制，无法制作比较复杂的外型。

总之，先进的导热塑料可以达到的指标是：热传导率大于1.5W/m*K；不导电；具有高度的柔韧性；是注塑成型的等级聚合物。

1.3 导热塑料的应用分析

现阶段，导热塑料以其明显的综合性能优势成为LED普通照明灯具散热部件选择的“新宠儿”。目前，生产导热塑料的公司也越来越多，比较知名的公司有飞利浦、帝斯曼、Cool Polymers等。导热塑料在国内灯具市场的应用刚刚起步，我国对于导热塑料的研究相对比较欠缺，生产企业主要集中在广东和上海等地。

虽然，导热塑料具有诸多优点，但是在具体的应用中还需要进一步加大创新力度。比如导热塑料的导热系数比较小，热阻相对比铝材料要高，散热性能还有待提升。同时，作为一种新型材料，导热塑料的市场知名度不高，许多制造商都其不是很熟悉，还是会选择制作工艺相对成熟的金属材料。所以导热塑料应用道路仍然是“任重而道远”。

2 大功率LED照明灯具的散热与性能

2.1 大功率LED照明灯具的散热原理

LED之所以能成为普通照明，主要还是大功率LED的发展应用。刚开始，大功率LED主要还是在隧道、工矿、场馆等地使用，后来随着技术的改进，在室内外普通照明系统中也开始应用大功率LED。目前，我国多数地区基本都实现了LED取代灯泡，随着市场占有率的不断提升，LED灯具在发光、光质、色彩等方面性能得到改进，但是散热、安全性等方面还需要加大研究力度。

LED灯具散热的主要渠道就是将内部的热进行良好地导出和分散，实现温度平衡，确保LED的稳定运行。所以，无论采用哪种散热技术，基本还是围绕热传导、热对流和热辐射这三种散热原理来实现的，可以根据LED光源布局进行散热需求设计，采用软件仿真技术测算热能量，在选择和设计导热材料时尽量考虑热阻小、系数高、效果好［3］等因素。

此外，LED灯具散热并不是越高级越好，如果过于强调散热结构设计，势必会造成一种浪费，提高了灯具成本，比如采用回流式热管能够完全实现L E D散热目的，但是让人感觉“得不偿失”，还是选择“恰到好处”的材料合适。特别是对于办公场所来说，还要考虑到L E D灯具的体积和重量，目前市场上多数采用的是铅合金或铜等金属材料，在加工、环保方面要求较高，并且成型比较难，灵活性差，资源浪费比较严重。同时金属材料存在导电性质，会额外增加灯具的漏点风险，因此，LED灯具散热技术主要还是将目光瞄向那些散热性能好、环保性能高、结构形式多、具有居高的安全性的导热塑料。

2.2 大功率LED照明灯具的散热设计

大功率LED散热设计主要是为了防止LED芯片出现过热而引起安全问题。大功率LED的散热设计主要包括芯片内部、封装、管壳以及散热器的散热通道设计，芯片通过合理的版面布局来对表面温度进行均匀分布，封装热设计主要是通过科学地选择封装材料，最大化降低材料热阻，减少热应力对芯片性能的影响。管壳与散热器都需要按照大功率LED的散热需求来进行设计。所以大功率LED需要足够的散热能力，在具体的生产工艺中，要计算长时间使用LED时将芯片温度控制在正常工作范围内。

2.3 表征大功率 LED照明灯具热性能的主要参数

大功率LED所消耗的功率大部分都需要通过热能散发出去，如果大功率LED散热能力有限，就很有可能损坏LED芯片。大功率LED照明灯具的热性能参数主要有结温和热阻两个。结温指的是芯片有源区的温度，当结温高于所处环境温度时会进行自动热流扩散，这就要求LED的封装导热设计必须满足散热要求。热阻是表征大功率L E D灯具的另一个重要指标，热阻越大，散热能力就越差，而内热阻是灯具器件固有的热阻，与管芯、内部热沉的导热率有很大关系，外热则与封装的材料、形式和外部热沉导热率有很大关系，不管怎样，大功率LED灯具都需要导热性能较好的材料器件，来降低热阻［4］。

3 大功率LED照明灯具的寿命与安全

由数量较少的LED组成的照明灯具功率比较小，所以也就不存在散热问题。但是，随着光效能需求的不能提升，照明灯具功率的不断增强，随着而来的灯具散热问题也逐渐明显。据调查，有近一半的照明灯具都是因为热量过大而损坏的，所以说散热问题是影响照明灯具寿命与安全的重要元凶之一。同样，对于大功率LED来说，温度过高会使得其光效减弱，严重降低LED的寿命，同时还可能烧毁LED的芯片，影响到LED芯片的可靠性和安全性。大功率LED的热量主要来自与做功的芯片，其所产生的温度被称为结温，结温的高低就直接关系到LED使用寿命；结温越高发光率越低，从而寿命就越短。

所以，从某种程度上说LED与传统照明灯具延长使用寿命的关键之处就在于结温的控制。如果我们能将结温控制在有效的范围内，不仅能够提高大功率LED灯具的寿命周期，还能够提高LED照明灯具的发光率［5］。如今，LED器件的热密度不断提高，已经成为高热流密度器件，那么，解决好大功率LED照明灯具的散热就成为提高L E D寿命周期与安全性的重要途径。

4 结束语

追求更加环保安全的LED照明灯具成为今天照明市场的主流趋势，传统的灯具多采用铝合金散热部件，其安全性能较低。而导热塑料重量轻，制作简单，外观多变，从而也就更加的环保安全。然而，现阶段导热塑料的生产成本还比较高，生产工艺还不够成熟，在推广应用方面显得力不从心。但是，可以预计当导热塑料实现生产规模化，其综合性能优势必然会显露无遗，彻底取代传统的铝材料，成为LED普通照明灯具散热部件的首选。

参考文献

［1］ 勾昱君，刘中良. LED照明散热技术现状及进展［J］.中国照明电器.2012（02）：4-10.

［2］ 金荣福，蔡琼英，夏玉洁.LED用导热塑料［J］.工程塑料应用.2011（10）：103-105.

［3］ 王琛，徐慧君，申勋业.新型LED灯散热性研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报.2011（03）：86-89.

［4］ 王志斌，张跃宾，王忠东，解莎莎，郝阳. 基于热阻网络的大功率LED热管散热研究［J］.应用光学.2012（06）：13-17.

［5］ 费翔，钱可元，罗毅.大功率LED结温测量及发光特性研究［J］.光电子.激光.2008（03）：8-11+第18页.

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

中图分类号：TM 923.34

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-283-04

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.043

作者简介：

黄灿林（1981-），男，本科，助理工程师。研究方向：灯具及控制器检测。

E-mail： 183086784@qq.com