导热材料在LED灯具中的应用及其重要性

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来源:照明中国网

1 前言

近年来,随着半导体发光材料研究的不断深入和发展,LED光源制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率也得到了迅猛提高,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,其中最重要的是超高亮度白光LED的普及应用,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为必然。LED照明已经引领着第四代光源的跨越式革命,特别是2008年奥运会的“水立方”的照明全部采用LED光源就是最好的实践。因而,LED照明得到了突飞猛进的发展应用。但是,LED的散热却一直制约着灯具的规模化应用,尤其是LED灯具的散热结构以及灯具散热中用到的各种导热材料,普遍存在层次不齐,使用不当以及性价比不合理的现象。如何才能更好地解决好灯具的散热,除了设计好散热结构外,合理的利用导热材料,尤其是合理的选用各导热体之间的衔接的填补性导热材料,对于LED灯具也是至关重要的。
2 LED灯具的散热
根据光功率(流明)与电功率(瓦)的能量守恒当量关系:Km=683lm/W,即1W的光源在理想的理论条件下(黑体辐射)可能产生683lm光通量。所以,即使目前业界领先的美国CREE公司最新的研发指标,实验室下LED的光效达到320lm/W,也不能将全部能量转化为光能输出,而其余的都转化为热能而浪费掉。所以LED灯具光效的提高不仅仅是考虑光通量的提高多少问题,更重要的白白浪费的热能很可能会引起光衰的加大,甚至是导致灯具寿命的急剧缩短。因此,解决好灯具的散热问题也是灯具设计的不可或缺的重要环节。
近年来,通过对LED灯具的使用及实验证明,在现有技术水平下的LED灯具中,约80%的能量转化为热能而耗掉;在LED光谱中,除红外波段外,其余光谱段不能靠辐射散出热量。LED光源的内部结构(如图1所示),芯片体积小,结构紧凑,局部热流密度大,热量不宜释放,只能通过支架向外传导。所以应用LED灯具的使用寿命究竟如何也就是解决好它的内部热传导的问题。
3 LED灯具散热的途径和结构
LED产生的热是从温度较高的管芯处向温度低的灯壳体等外部环境散热。大功率LED主要的散热路径是:LED管芯→LED支架→铝基板→灯壳体→环境空气(如图2所示)。根据研究和实验测试得知,一般情况下LED的结温必须小于110℃,才能保证LED能够正常持续的工作。受管芯与支架间热阻的影响,散热支架的温度通常可达到80℃~90℃,所以在灯具设计时要尽可能地增加壳体的散热通道和散热面积,来尽可能地减少热阻,降低LED结温。减少热阻除了提高壳体,支架等散热材料的导热系数外,更重要的也要使他们衔接部分接触充分,通过导热填补材料来进行无缝衔接,所以这就要求用来填补的导热材料也要具有较高的导热系数。
一般情况下,根据研究数据统计,在LED灯具散热路径中,由于各部分的材料特性和所处的结构位置不一样,所以各部分对散热的能力大小也不一样,它们各自在整套灯具系统中所承担的比例,通过图3可以看出,铝基板在整个灯具中承担了大约74%的散热量,LED产生的热量大多由铝基板传导给壳体,当然虽然其它部分导热占整体的比例不大,但在散热系统中也发挥了各自的至关重要的作用。
目前,对于整灯而言,所能达到的理想的技术水平,就是灯具的整体光效≥85lm/W,热阻≤9℃/W,正常点亮时结温温升≤25℃,工作寿命≥50000小时(光通量下降到初始值的70%),当然,如果科学合理的进行设计,也是完全可以达到的。
4 导热材料在LED灯具中的重要性
根据热功当量的关系,LED光源在发光的同时,会持续的产生大量的热能,LED灯具发光时所产生的热能若无法顺畅地及时导出,将会使LED的PN结结温过高,随着PN结结温的升高,它的出光效率随之会下降(如图4所示),并且温度对LED长波段的发光效率影响较大,从而引起“红移”现象,甚至最后导致死灯现象。
如果LED灯具的工作环境温度越高,会使LED寿命呈指数性缩减。经过近几年的实验统计,温度每升高10℃,灯具寿命平均减少一半。如果灯具的电子元件温度每上升2℃,可靠性将下降l0%.所以为了保证LED灯具的寿命,一般要求在散热能力上保证LED光源的pn结的结温在110℃以下比较合适,并且在性价比保证的前提下结温越低越好。
5 LED灯具中主要的导热材料
5.1 灯具中的结构性导热材料
通过图2灯具的散热途径可以看出,在进行LED灯具整体设计时只要解决好四个散热环节中的每一步就可以了,前两个环节一般由光源厂家来决定的。而作为LED灯具,最主要的就是后面两个环节,也就是灯壳体和铝基板的散热特性了。灯壳体一般采用金属材料铸造而成(如图5所示)。
在几种常用的金属材料中(如图6所示),铝合金的导热能力在几种金属中处于中间水平,相对而言具有性价比较好的优势,所以大多灯具都采用铝合金作为壳体,采用模具压力铸造的方法加工,压铸铝的灯具壳体具有重量轻,外形美观,散热良好,很容易实现批量加工。
但是自2014年以来,随着LED灯具技术的应用成熟和市场价格的竞争,和之前的传统灯具相比,LED灯具的铝合金壳体俨然成了的灯具中成本较高的部件,一直制约着它的批量化应用。所以在此同时,工程塑料在克服其唯一的导热缺陷上也取得了较大的技术突破,国外相继研制了具有较好导热性能的工程塑料。未来,具有高导热系数的工程塑料或许将成为LED灯具壳体的主要材料,工程塑料具有高强度,结构轻巧美观,易于成型,批量化加工容易等诸多优点(如表1所示)。
通过图2灯具的散热途径可以看出,PCB铝基板也是LED灯具散热中很关键的一个环节,铝基板是承载LED与壳体之间的热传导的主要部件。铝基板具有电气绝缘性能好、热阻小、无磁性、机械强度高、散热好等优点;一般标准厚度为0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm等规格,可根据不同的散热需求选择不同厚度的铝基板。
铝基板由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力,应使用较厚的铜箔,厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在,它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成,热阻小,粘弹性能优良,有抗热老化的能力,能够承受机械及热应力。具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件,要求具有高导热性,一般是铝板,也可使用铜板(铜板能够提供更好的导热性),适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。
目前,铝基板工艺技术已经很成熟,其工艺主要有:镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。
5.2 几种用于金属材料之间衔接的填补性导热材料
(1)导热硅脂
导热硅脂俗称“导热膏”或“散热膏”,是呈膏状的高效散热材料,通常填充在LED光源的支架和铝基板或者铝基板和散热壳体之间,它的流动性非常好,能充分润泽渗入两种需要导热的材料表面,从而形成一个非常低的热阻接口,比LED光源与散热器接触面中间的空气热传导效率高多了。均匀涂抹上后,从基本特性来看,硅脂一般是以特种硅油作基础油,以新型金属氧化物作填料,配以多种功能添加剂,经特殊的工艺加工而成的白色或其它颜色的膏为LED常用的导热硅脂状物(如图7所示)。
导热硅脂具有极佳的导热性、电绝缘性和使用稳定性,耐高低温性等特点。是目前LED常用的导热材料。对接触的金属材料(铜、铝、钢)无腐蚀;具备极低的挥发损失,不干、不熔化、具备良好的材料适应性和较宽的使用温度范围(最高250℃);无毒、无味、无腐蚀性,化学、物理性能稳定,是LED灯具比较理想的介质材料,而且性能稳定,在使用中不会产生腐蚀气体,不会对所接触的金属产生影响。唯一的缺点就是涂抹不方便,受温度影响会有“呼吸效应”,长期使用后会造成接触面空洞。
锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的,一般用于金属之间焊接,导电性能也非常优越。导热胶的硬化温度一般低于150℃,甚至可以在室温下固化,但导热胶的热导率较小,导热特性较差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200℃,既有良好的热导特性,又有较好的粘贴强度。
(2)导热硅胶:就是导热RTV胶,在常温下可以固化的一种灌封胶,和导热硅脂最大不同就是导热硅胶可以固化,有较强的粘接性能。而两者都充当中间传热的填充介质,外观也相似,但硅胶的主要成分是二氧化硅,它具有非常好的粘性,而硅脂没有粘性的。
导热硅胶的最大的优势是可以用在不方便固定光源或铝基板的地方,而硅脂主要是用在通过螺纹固定光源的灯具中。但是使用硅胶需要时间进行固化。
(3)导热硅胶片:是一种薄片状的固体导热材料(如图8所示),填充发热器件和散热片或金属底座之间的空气间隙,具有一定的柔韧性、优良的绝缘性、压缩性、表面天然的粘性,能够填充缝隙,达到发热部位与散热部位间的热传递,同时还起到绝缘、减震等作用,能够满足小型化及超薄化的设计要求,尤其是它是使用方便性是导热硅脂和硅胶无法比拟的,前两者就存在涂抹时容易弄脏光源,涂抹厚度不易控制,分布不均匀等缺陷。
当然,除了这几种比较稳定的材料外,导热环氧胶也是比较理想的选择,它除了具有导热硅胶的优点外,它的耐高温稳定性和较强的粘接能力是其它导热材料无法比拟的。唯一的缺憾就是由于它是双组分AB胶,使用时要根据需求量配置,固化需要24小时,对于LED灯具来说造成了工艺上不便。
为了提高铝基板的传热能力,目前大多室内LED灯具大多采用贴片型LED光源,通过回流焊工艺将LED光源与铝基板锡焊,不只提高了导热能力,而且提高了工艺效率,是比较理想的导热方式,很值得应用推广。
无论采用哪种导热方式,具体要根据灯具的类型和结构集合企业自身的特点来决定的(如表2所示),选择性价比较好的导热材料是设计灯具所必须考虑的因素。
6 导热材料在LED灯具标准化中的作用
由于LED灯具是新型产业,各个企业都在研发自己的产品,相关的标准比较滞后,造成了市场上的灯具外形种类繁多,灯具的配件互不通用,这无疑给用户日后的维修埋下了隐患。所以,LED光源模组,驱动电源,甚至是壳体的标准化将是未来LED发展的必然趋势。
LED灯具标准化后的优势是:首先工艺性好,模块化的灯具修理方便,模块化后的不同厂家的LED光源和驱动电源等主要部件可以互换,大大节省了维修的人工费和用户的成本。其次是开发费用降低,用较少的研发投入即可制造出优质的LED照明产品。不同的厂家可以采用标准化的LED光源模组和驱动电源,便于行业间的技术交流和协作。标准化后的LED路灯在效率上高于节能灯5倍,如果模块能够实现规模化生产,成本可以降低2~3倍。
几大结构件经过标准化后的LED灯具在维修时虽然配件可以互换,但是维修中光源模组和壳体之间的导热填补材料在现场的涂抹却显得非常麻烦,这个问题或许是维修时必须面对和考虑的一大难题。
如果将这种导热填补材料也能进行标准化,不只是提高了维修效率,更重要的是节省了维修成本。利用前面提高过的导热硅胶片就很容易实现这一功能,灯具厂家可以根据LED光源模组大小制成尺寸相匹配的标准尺寸的导热硅胶片,使用时只需简单的结构组装即可(如图9所示)。当然,如果采用导热硅脂也可以实现标准化,就是根据不同LED灯具的功率大小从高到低分档,每档配备与其光源模组所需量的导热硅脂进行牙膏筒式的包装,灯具维修时只需领取与灯具功率相一致的剂量的包装,打开涂抹,也不致于造成不必要的浪费,而且也方便携带和运输。尤其是以后随着LED照明进入千家万户,这将是一种比较理想且行之有效的技术方案。
7 总结
我们通过对LED灯具应用中所涉及到的各种导热材料性能特点及使用方法的研究学习,明确了导热材料在灯具散热中的重要性,同时也基本掌握了各种导热材料的使用特性,尤其是近年来用于灯具散热的外壳所用的新型工程塑料材料以及诸如导热硅胶片等新材料新工艺,值得我们进一步去探讨研究,如果能更多的将类似的新材料应用到LED照明灯具中,这将在未来或许能够为我国的LED灯具时代到来时发挥真正的作用。


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