LED行業(yè)塑料導熱材料與鋁材料對比報告

LED行業(yè)塑料導熱材料與鋁材料對比報告

王相軍

LED是繼白熾燈、熒光燈和HID燈之后的第四代新型光源。LED光源的出現和發(fā)展，將引發(fā)照明領域的一次革命，具有劃時代的意義。概括的講，LED具有以下幾方面的優(yōu)點:

①LED是環(huán)保性能最好的光源。LED的眩光少，光譜中沒有多余的紫

外線和紅外線，不含汞等有害物質，在運輸、安裝和使用中不會破碎，廢棄物可回收，沒有污染。

②LED為固態(tài)冷光源，十分堅固耐用壽命非常長。③單色性好，色彩鮮艷豐富，燈光清晰柔和，并且可任意混合，從而使

光色變幻多端。

④體積小，重量輕，應用靈活。⑤響應速度快。白熾燈加電后需140-200ms的時間才能達到設定亮度，

而LED通電后無需熱啟動時間，燈亮時間僅約60ns。

⑥發(fā)光效率高，能量消耗低，較同樣發(fā)光效率的白熾燈可節(jié)電80%�；�于以上優(yōu)點，LED燈具將會是照明行業(yè)的一大發(fā)展趨勢，用于室內照明的大功率LED燈具在數量上也將有很大的發(fā)展。一、LED燈具散熱系統(tǒng)的作用當電流通過LED時，其PN結的溫度將升高。結溫的變化勢必引起內部電子和空穴濃度、禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數的變化，從而使LED的光輸出、發(fā)光波長以及正向電壓等宏觀參數發(fā)生相應的變化。（禁帶寬度是指一個能帶

寬度(單位是電子伏特(ev)).固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導電就要有自由電子存在。自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。）

實驗發(fā)現，當LED結溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。

下圖為結溫不同時，光輸出與時間的關系，其中，紅色為結溫74℃，藍色為結溫為63℃。

由圖可見，當結溫為74℃時，光輸出衰減到50%所需時間為2年，而結溫為63℃時，這一時間即增加到6年，可見結溫對LED使用壽命的影響是非常巨大的。

綜上所述，在LED燈具中，散熱系統(tǒng)的作用就變的尤其重要。目前市場上大功率LED室內照明燈具的散熱外殼基本全部為鋁，塑料導熱材料還處于初期起步階段。飛利浦MASTERLEDMR16新式燈具成為了全球首例大功率LED應用，其鋁制外殼被一種具有熱傳導性能的塑料Stanyl所取代，同樣達到了散熱的目的。

下面兩張圖片中的鋁件雖然造型不同，起到的全部為散熱作用，圖一中燈具為大功率射燈，外殼為鋁材料外表鍍鎳的散熱系統(tǒng)，圖二為蠟燭燈，中間部分為二次加工后用于散熱的鋁材料。

圖一圖二

下面圖片中為飛利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散熱外殼材料為帝斯曼公司心開發(fā)的導熱塑料材料Stanyl。

二、導熱塑料作為散熱系統(tǒng)材料的可行性在散熱系統(tǒng)方面，一直以來都是以鋁作為材料。塑料由于其導熱系數很小，不能滿足散熱要求，所從未用在LED散熱領域。目前帝斯曼公司推出的新型導熱塑料在保持一般塑料材料的優(yōu)點基礎上，增加了它的導熱系數，使其導熱系數達到一般塑料的10-50倍。鋁材料的導熱系數在200W/(mK)，關于材料導熱系數與溫度增加量的關系如下圖所示：

由圖可見，在導熱系數小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數很小的變化都會造溫度差很大的變化，一般的塑料導熱系數都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導致結溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。在導熱系數大于5時，屬于對流受限情況，由圖可見當材料厚度在5mm及以下的情況下，導熱系數對溫度差的影響都是趨近于0，所以此時導熱系數是5W/mK或者200W/mK對結溫的影響已經相差不大了。為了滿足不同情況下對材料導熱

系數的要求，帝斯曼公司此次研發(fā)的新型導熱塑料中材料的導熱系數分不同等級，其中白色導熱塑料的導熱系數分別為2，4，6，8，而黑色的導熱塑料的導熱系數分別為10，15，最高可達18W/mK，可以滿足一般大功率LED燈具對散熱效果的要求。

三、塑料導熱材料與鋁材優(yōu)劣對比

鋁材料雖然作為散熱系統(tǒng)技術方面已經比較成熟，但仍有一些不足，同樣塑料導熱材料也不是完全沒有缺點，以下就是兩者的優(yōu)劣比較。首先是塑料導熱材料相對鋁來說存在的優(yōu)點：

（1）質量輕在室內照明中，燈具的重量對多方面都有影響，比如重量增加會加大燈具的安裝、運輸難度，也會對人身安全造成隱患等。純鋁的密度為2700kg/m3，鋁合金的密度將會更大，而導熱塑料的密度為1420kg/m3左右，約為鋁合金的一半，所以在外形相同的情況下，重量也僅為鋁合金的一半左右。

（2）更加環(huán)保和安全在塑料外殼的生產過程中，幾乎不會產生什么有毒污染，而鋁殼在生產中經常會有電鍍的工序，而電鍍產生的廢液中的金屬會對水源和土壤造成嚴重的污染。安全方面塑料為絕緣材質，不用擔心因為燈的外殼導電而產生的安全隱患。

（3）提高設計自由度塑料的流動性很好，所以可以生產很薄的部件，以及設計更加復雜的形狀。鋁殼的主要生產方法是壓鑄或拉伸成型，在生產過程中無法進行較復雜形狀的加工。另外在表觀效果來說，注塑產品會更加漂亮，還可以加上與其它企業(yè)不同的自身標志。

（4）加工方便，效率更高塑料導熱材料與其他塑料件一樣，可以一次成型，無需后加工，而且在注塑成型時，模具可設計為一出四，所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型后往往還要有去毛邊的程序，如果對外形的要求比較高的話，鋁材料還要進行鍍鎳等工序，加工周期還將增長。

（5）啟動系統(tǒng)簡化在外殼為鋁合金時，由于外殼導電，內部必須采用隔離啟動系統(tǒng)，塑料本身絕緣，沒所以用作散熱系統(tǒng)時可以采用非隔離啟動系統(tǒng)，由于非隔離系統(tǒng)相對于隔離系統(tǒng)來說不僅成本較低而且體積較小，這樣不僅可以降低成本而且所占空間會更小。

（6）降低系統(tǒng)成本就單價來說，單位質量的導熱塑料價格必然是高于鋁的，但系統(tǒng)成本卻持平或較低，且數量越大，塑料的成本優(yōu)勢越明顯。另外，塑料導熱材料目前處于一個初級階段，將來的價格隨產業(yè)的發(fā)展和產品量的增加一定會降低，而鋁作為有色金屬的價格卻不太可能有明顯的降低。塑料降低成本主要體現在加工費用方面。

塑料散熱外殼成本核算：目前塑料的單價大約在320元/公斤，假設每個散熱外殼質量為10克，而塑料的加工成本大約占塑料本身材料價格的40%。每套模具造價為1萬元，而每套模具在保證質量的情況下可以生產50萬套外殼，那么塑料散熱外殼總成本為：

320/1000*10*(1+0.4)+1/50=4.5

制作同樣的鋁散熱外殼成本：鋁合金密度稍大與鋁，約為塑料兩倍。目前用于制造散熱外殼的型材價格約為30元/公斤，加工費用按設計的繁簡程度有所不同，一般加工費用為材料本身價格的4-5倍甚至更高,所以僅材料和加工費用為：

30/1000*20*(1+4)=3

鋁殼還要進行后期的去毛邊處理，另外鋁殼表面進行氧化的費用也隨殼體大小、形狀等有變化，殼體很小時由于表面積大，電耗大價格甚至達到2元/個，

即使殼體很大，也要3元/公斤，另外部分鋁殼為了外觀問題還要進行鍍鎳處理，這些費用的總計都隨鋁殼的大小，形狀復雜程度的不同而有所變化，所以鋁殼的總成本不會小于塑料散熱系統(tǒng)。另外非隔離系統(tǒng)和隔離系統(tǒng)造成的成本的降低以及空間減小造成的材料成本的降低也沒有具體數字。

但是塑料導熱材料與鋁相比也會有劣勢：

（1）導熱系數較低塑料的散熱系數始終比鋁低很多，所以即使散熱效果能夠達到要求，燈的溫度也會比鋁殼稍高。

（2）數量較小時成本問題以上的成本計算是建立在量比較大的情況下，如果量小時，塑料導熱材料的模具成本體現在每一個上面就會比較大，而鋁殼的使用廠家由于加工難度大一般會直接采購成品，不會有模具方面而導致的成本的問題。

（3）市場接受度鋁一直以來都是作為散熱系統(tǒng)的材料，但塑料作為散熱材料才剛剛起步，目前市場上也只有飛利浦公司推出了產品。所以很多廠家目前會難以接受，不太愿意嘗試，進行開模。

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當LED結溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。

LED是繼白熾燈、熒光燈和HID燈之后的第四代新型光源。LED光源的出現和發(fā)展，將引發(fā)照明領域的一次革命，具有劃時代的意義。概括的講，LED具有以下幾方面的優(yōu)點:

①LED是環(huán)保性能最好的光源。LED的眩光少，光譜中沒有多余的紫外線和紅外線，不含汞等有害物質，在運輸、安裝和使用中不會破碎，廢棄物可回收，沒有污染。

②LED為固態(tài)冷光源，十分堅固耐用壽命非常長。

③單色性好，色彩鮮艷豐富，燈光清晰柔和，并且可任意混合，從而使光色變幻多端。

④體積小，重量輕，應用靈活。

⑤響應速度快。白熾燈加電后需140-200ms的時間才能達到設定亮度，而LED通電后無需熱啟動時間，燈亮時間僅約60ns。

⑥發(fā)光效率高，能量消耗低，較同樣發(fā)光效率的白熾燈可節(jié)電80%。

基于以上優(yōu)點，LED燈具將會是照明行業(yè)的一大發(fā)展趨勢，用于室內照明的大功率LED燈具在數量上也將有很大的發(fā)展。

一、LED燈具散熱系統(tǒng)的作用

當電流通過LED時，其PN結的溫度將升高。結溫的變化勢必引起內部電子和空穴濃度、禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數的變化，從而使LED的光輸出、發(fā)光波長以及正向電壓等宏觀參數發(fā)生相應的變化。（禁帶寬度是指一個能帶寬度(單位是電子伏特(ev)).固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導電就要有自由電子存在。自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。）

實驗發(fā)現，當LED結溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。

下圖為結溫不同時，光輸出與時間的關系，其中，紅色為結溫74℃，藍色為結溫為63℃。

由圖可見，當結溫為74℃時，光輸出衰減到50%所需時間為2年，而結溫為63℃時，

這一時間即增加到6年，可見結溫對LED使用壽命的影響是非常巨大的。

綜上所述，在LED燈具中，散熱系統(tǒng)的作用就變的尤其重要。目前市場上大功率LED室內照明燈具的散熱外殼基本全部為鋁，塑料導熱材料還處于初期起步階段。飛利浦MASTERLEDMR16新式燈具成為了全球首例大功率LED應用，其鋁制外殼被StanylTC導熱塑料所取代，同樣達到了散熱的目的。

下面兩張圖片中的鋁件雖然造型不同，起到的全部為散熱作用，圖一中燈具為大功率射燈，外殼為鋁材料外表鍍鎳的散熱系統(tǒng)，圖二為蠟燭燈，中間部分為二次加工后用于散熱的鋁材料。

下面圖片中為飛利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散熱外殼材料為帝斯曼公司開發(fā)的StanylTC導熱塑料。

二、導熱塑料作為散熱系統(tǒng)材料的可行性

在散熱系統(tǒng)方面，一直以來都是以鋁作為材料。塑料由于其導熱系數很小，不能滿足散熱要求，所從未用在LED散熱領域。目前帝斯曼公司推出的新型導熱塑料在保持一般塑料材料的優(yōu)點基礎上，增加了它的導熱系數，使其導熱系數達到一般塑料的10-50倍。鋁材料的導熱系數在200W/(mK)，關于材料導熱系數與溫度增加量的關系如下圖所示：

由圖可見，在導熱系數小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數很小的變化都會造溫度差很大的變化，一般的塑料導熱系數都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導致結溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。在導熱系數大于5時，屬于對流受限情況，由圖可見當材料厚度在5mm及以下的情況下，導熱系數對溫度差的影響都是趨近于0，所以此時導熱系數是5W/mK或者200W/mK對結溫的影響已經相差不大了。為了滿足不同情況下對材料導熱系數的要求，帝斯曼公司此次研發(fā)的新型導熱塑料中材料的導熱系數分不同等級，其中白色導熱塑料的導熱系數分別為2，4，6，8，而黑色的導熱塑料的導熱系數分別為10，15，最高可達18W/mK，可以滿足一般大功率LED燈具對散熱效果的要求。

三、塑料導熱材料與鋁材優(yōu)劣對比

鋁材料雖然作為散熱系統(tǒng)技術方面已經比較成熟，但仍有一些不足，同樣塑料導熱材料也不是完全沒有缺點，以下就是兩者的優(yōu)劣比較。首先是塑料導熱材料相對鋁來說存在的優(yōu)點：

（1）質量輕在室內照明中，燈具的重量對多方面都有影響，比如重量增加會加大燈具的安裝、運輸難度，也會對人身安全造成隱患等。純鋁的密度為2700kg/m3，鋁合金的密度將會更大，而導熱塑料的密度為1420kg/m3左右，約為鋁合金的一半，所以在外形相同的情況下，重量也僅為鋁合金的一半左右。

（2）更加環(huán)保和安全在塑料外殼的生產過程中，幾乎不會產生什么有毒污染，而鋁殼在生產中經常會有電鍍的工序，而電鍍產生的廢液中的金屬會對水源和土壤造成嚴重的污染。安全方面塑料為絕緣材質，不用擔心因為燈的外殼導電而產生的安全隱患。在耐高壓測試方面，塑料具有絕對的優(yōu)勢。

（3）提高設計自由度塑料的流動性很好，所以可以生產很薄的部件，以及設計更加復雜的形狀。鋁殼的主要生產方法是壓鑄或拉伸成型，在生產過程中無法進行較復雜形狀的加工。另外在表觀效果來說，注塑產品會更加漂亮，還可以加上與其它企業(yè)不同的自身標志。

（4）加工方便，效率更高塑料導熱材料與其他塑料件一樣，可以一次成型，無需后加工，而且在注塑成型時，模具可設計為一出四，所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型后往往還要有去毛邊的程序，如果對外形的要求比較高的話，鋁材料還要進行鍍鎳等工序，加工周期還將增長。

（5）啟動系統(tǒng)簡化在外殼為鋁合金時，由于外殼導電，內部必須采用隔離啟動系統(tǒng)，塑料本身絕緣，沒所以用作散熱系統(tǒng)時可以采用非隔離啟動系統(tǒng)，由于非隔離系統(tǒng)相對于隔離系統(tǒng)來說不僅成本較低而且體積較小，這樣不僅可以降低成本而且所占空間會更小。

（6）降低系統(tǒng)成本就單價來說，單位質量的導熱塑料價格必然是高于鋁的，但系統(tǒng)成本卻持平或較低，且數量越大，塑料的成本優(yōu)勢越明顯。另外，塑料導熱材料目前處于一個初級階段，將來的價格隨產業(yè)的發(fā)展和產品量的增加一定會降低，而鋁作為有色金屬的價格卻不太可能有明顯的降低。塑料降低成本主要體現在加工費用方面。

但是塑料導熱材料與鋁相比也會有劣勢：

（1）導熱系數較低塑料的散熱系數始終比鋁低很多，所以即使散熱效果能夠達到要求，燈的溫度也會比鋁殼稍高。

（2）數量較小時成本問題以上的成本計算是建立在量比較大的情況下，如果量小時，塑料導熱材料的模具成本體現在每一個上面就會比較大，而鋁殼的使用廠家由于加工難度大一般會直接采購成品，不會有模具方面而導致的成本的問題。

（3）市場接受度鋁一直以來都是作為散熱系統(tǒng)的材料，但塑料作為散熱材料才剛剛起步，目前市場上也只有飛利浦公司推出了產品。所以很多廠家目前因擔心風險，因而不太愿意嘗試開模

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