LED照明用導熱塑料

LED照明用導熱塑料功材111李帥111573LED現(xiàn)在的應(yīng)用隨著溫室氣體排放引起全球氣溫變暖，人們增強了節(jié)能環(huán)保意識。新型節(jié)能電致發(fā)光二極管(LED)的使用備受國際社會的關(guān)注。由于LED具有體積小、發(fā)光效率高、能耗低、亮度高、環(huán)保等優(yōu)點，各國政府加大對LED研發(fā)的資金資助和相應(yīng)政策支持。在過去十年中，LED技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前LED已在廣告媒體視頻屏幕、汽車車燈、背光光源、標識與指示性照明、景觀照明、室內(nèi)照明(白色LED)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。研發(fā)LED的意義通常，高功率LED(HPLED)輸入功率中有15%～20%的能量轉(zhuǎn)變成光，余下80%～85%的電能均轉(zhuǎn)變成熱。如果不能將集中在尺寸僅為1mm×1mm×0．25mm芯片內(nèi)的熱量及時散逸出去，則會導致芯片溫度升高和應(yīng)力分布不均勻。當LED的結(jié)點溫度超過器件能承受的最高溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。研究表明，LED的工作溫度從63℃升至74℃，LED的使用壽命少了3/4。一般PN結(jié)點溫度不能超過110℃，隨著PN結(jié)點溫度上升，發(fā)光材料的禁帶寬度減小，導致LED發(fā)光光波向紅波長方向位移，使白光色度變差［5］。驅(qū)動LED工作的半導體器件允許工作溫度低于100℃［6］，當LED器件溫度上升到120℃時，亮度下降35%且引起高分子結(jié)構(gòu)材料的降解［7］。導熱塑料是解決LED芯片散熱的優(yōu)選材料，它可以把LED發(fā)光產(chǎn)生的熱量及時導出，有效地降低結(jié)點溫度。因此，導熱塑料的研制和應(yīng)用也是今后LED在市場獲得發(fā)展的關(guān)鍵問題。導熱塑料在LED中的應(yīng)用導熱塑料可以制作LED部件如外殼、散熱器、基板、反射器、插件和其它部件等。近幾年來國際上許多塑料公司研發(fā)出了多種導熱塑料［10－11］，大多選用工程塑料和通用塑料為基材，如PA（尼龍）、LCP（液晶聚合物）、PPS（聚苯硫醚）、PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）、PEEK（聚醚醚酮）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、PP（聚丙烯）等。一般塑料的熱導率只有0.2W/(m·K)左右，如果在塑料中填充導熱填料，其熱導率可在1W/(m·K)～20W/(m·K)左右，是傳統(tǒng)塑料熱導率的5～100倍。導熱填料可分為導熱無機絕緣填料和導熱非絕緣填料兩大類。導熱無機絕緣填料有Al2O3、BN、AlN、ZnO、MgO

等;非絕緣導熱塑料填料有導電率和熱導率均較高的金屬粉、石墨、炭黑、碳纖維等。前者與塑料基體相互混合可制成導熱絕緣塑料，后者為導熱非絕緣塑料。導熱塑料可以取代傳統(tǒng)的鋁做成散熱器［12］。導熱塑料的密度要比鋁輕，差不多為鋁的一半，所以塑料散熱器的質(zhì)量只有鋁散熱器的1/2。塑料散熱器可用注射成型加工，其成型周期可以縮短20%～50%。而用導熱絕緣塑料散熱器就可以采用非隔離式電源而不必擔心其安全問題。塑料散熱器的唯一缺點是單價比較貴，所以目前還不適用于LED路燈一類大型LED散熱器中，而只適合于室內(nèi)小功率LED燈具。LED燈具外殼用導熱塑料塑料的熱導率一般在0．14～0．34，屬于介電絕緣材料，美國CoolPolymer公司于2000年開發(fā)導熱塑料并建立第一條工業(yè)化生產(chǎn)線，在電器、醫(yī)療、航空航天、汽車、照明、筆記本電腦中廣泛應(yīng)用，隨后各國塑料公司都開展了導熱塑料的生產(chǎn)。用塑料代替鋁做LED燈具外殼，首先要注意選用的塑料要有較高的散熱性能，即較高的熱導率，同時具備高強度。LED用工程塑料的性能見表2。從表2可看出，這些工程塑料都有高熔點和優(yōu)良的力學性能，這是因為燈具外殼并沒有散熱翅片，為減少殼體熱阻，要求薄壁殼體，所選用的塑料必須具有高熔點、高模量和高強度，并能經(jīng)受多次高低溫循環(huán)試驗。LED燈具中的其它塑料部件LED燈具中的塑料部件還有反射器、手柄、緊固部件、接口、滑動部件、風扇葉片、操作部件、光孔道等。這些部件除了選用上述工程塑料外還可選用聚碳酸酯(PC)、PBT、聚甲醛(POM)、增強PP等［13］注射成型。國外導熱塑料研究進展荷蘭DSM公司推出了PA46，它與PA66有相似的分子結(jié)構(gòu)，但具有更高的結(jié)晶溫度(295℃)。DSM公司的StanylTC

是新型的導熱材料，除用PA46外，還包括PPS、PCL等耐高溫塑料，它們具有優(yōu)異的熱傳導特性和力學、抗化學藥品腐蝕、易加工成型、更大的設(shè)計自由度等性能，使其可以取代陶瓷、金屬等材料。CoolPolymers公司的導熱塑料據(jù)稱是LED熱管理的理想材料，它具有低的線性膨脹系數(shù)和優(yōu)異的力學性能。CoolPolymers公司的D5506(LCD)、E5101(PPS)和E3603(PA46)已用于LED的模板、外殼、熱沉。CoolPolymers公司已為筆記本電腦制造商提供了熱導率高達100W/(m·k)的導熱導電材料。隨著大功率組裝芯片發(fā)展和市場要求較高照明亮度，需要輸入較大功率，LED的熱管理顯得更為重要。許多作者對LED部件材料的選用、組裝優(yōu)化設(shè)計、冷卻系統(tǒng)，以及降低組裝內(nèi)部熱阻和提高發(fā)光效率作了論述。ChunJenweng用有限元模型(FEM)分析，以不同熱沉、PCB和芯片尺寸模擬LED的組裝結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果將為LED新產(chǎn)品的開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)。國內(nèi)導熱塑料研究國內(nèi)對工程導熱塑料的研究較晚，與國外大型塑料公司有較大差距。國內(nèi)導熱高分子復(fù)合材料沒有報道高熱導率［熱導率大于5W/(m·k)］的導熱絕緣塑料。林曉丹等通過將PPS與大顆粒MgO（45-355μm）混合經(jīng)雙螺桿擠出機擠出顆粒制備了導熱絕緣塑料，研究了導熱性能與氧化鎂填充量的關(guān)系。熱導率的正確預(yù)測對復(fù)合材料的設(shè)計、制備和性能至關(guān)重要。國內(nèi)外研究工作者對導熱高分子復(fù)合材料的導熱機理、導熱模型作了論述［22－23］，用不同的理論導熱模型和計算方法計算了高分子導熱塑料的熱導率，并與實驗結(jié)果相比較，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)理論模型預(yù)測的熱導率與實測值有一定偏離。應(yīng)結(jié)合具體復(fù)合體系和不同的影響因素來選擇合理的導熱模型和計算方法，以達到適合于特定體系的預(yù)測目的。陳元武等［24］利用有限元模型，模擬了Al2O3填充PPS兩相復(fù)合材料的逾滲結(jié)構(gòu)以及Al2O3填充PPS合金三相復(fù)合材料雙逾滲結(jié)構(gòu)，并將理論熱導率與實際熱導率結(jié)果進行對比驗證。梁基照［25］對PPS/CaCO3復(fù)合材料體系用ANSYS軟件進行二維有限元模擬，結(jié)果表明，模擬值與理論模型計算值較為接近。林曉丹等［26］通過PA66與大粒徑MgO

共混經(jīng)雙螺桿擠出機擠出