LED照明用導(dǎo)熱塑料

LED照明用導(dǎo)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?cè)鰪?qiáng)了節(jié)能環(huán)保意識(shí)。新型節(jié)能電致發(fā)光二極管(LED)的使用備受國際社會(huì)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(diǎn)，各國政府加大對(duì)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(biāo)識(shí)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(shí)散逸出去，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高和應(yīng)力分布不均勻。當(dāng)LED的結(jié)點(diǎn)溫度超過器件能承受的最高溫度時(shí)，LED的光輸出特性將會(huì)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(diǎn)溫度不能超過110℃，隨著PN結(jié)點(diǎn)溫度上升，發(fā)光材料的禁帶寬度減小，導(dǎo)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(dòng)LED工作的半導(dǎo)體器件允許工作溫度低于100℃［6］，當(dāng)LED器件溫度上升到120℃時(shí)，亮度下降35%且引起高分子結(jié)構(gòu)材料的降解［7］。導(dǎo)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(shí)導(dǎo)出，有效地降低結(jié)點(diǎn)溫度。因此，導(dǎo)熱塑料的研制和應(yīng)用也是今后LED在市場(chǎng)獲得發(fā)展的關(guān)鍵問題。導(dǎo)熱塑料在LED中的應(yīng)用導(dǎo)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(dǎo)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯）、PBT（聚對(duì)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(dǎo)率只有0.2W/(m·K)左右，如果在塑料中填充導(dǎo)熱填料，其熱導(dǎo)率可在1W/(m·K)～20W/(m·K)左右，是傳統(tǒng)塑料熱導(dǎo)率的5～100倍。導(dǎo)熱填料可分為導(dǎo)熱無機(jī)絕緣填料和導(dǎo)熱非絕緣填料兩大類。導(dǎo)熱無機(jī)絕緣填料有Al2O3、BN、AlN、ZnO、MgO

等;非絕緣導(dǎo)熱塑料填料有導(dǎo)電率和熱導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣塑料，后者為導(dǎo)熱非絕緣塑料。導(dǎo)熱塑料可以取代傳統(tǒng)的鋁做成散熱器［12］。導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣塑料散熱器就可以采用非隔離式電源而不必?fù)?dān)心其安全問題。塑料散熱器的唯一缺點(diǎn)是單價(jià)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(dǎo)熱塑料塑料的熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率，同時(shí)具備高強(qiáng)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(diǎn)和優(yōu)良的力學(xué)性能，這是因?yàn)闊艟咄鈿げ]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(diǎn)、高模量和高強(qiáng)度，并能經(jīng)受多次高低溫循環(huán)試驗(yàn)。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(dòng)部件、風(fēng)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(qiáng)PP等［13］注射成型。國外導(dǎo)熱塑料研究進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)特性和力學(xué)、抗化學(xué)藥品腐蝕、易加工成型、更大的設(shè)計(jì)自由度等性能，使其可以取代陶瓷、金屬等材料。CoolPolymers公司的導(dǎo)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(xué)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(dǎo)率高達(dá)100W/(m·k)的導(dǎo)熱導(dǎo)電材料。隨著大功率組裝芯片發(fā)展和市場(chǎng)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(duì)LED部件材料的選用、組裝優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jì)依據(jù)。國內(nèi)導(dǎo)熱塑料研究國內(nèi)對(duì)工程導(dǎo)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(dǎo)熱高分子復(fù)合材料沒有報(bào)道高熱導(dǎo)率［熱導(dǎo)率大于5W/(m·k)］的導(dǎo)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(jī)擠出顆粒制備了導(dǎo)熱絕緣塑料，研究了導(dǎo)熱性能與氧化鎂填充量的關(guān)系。熱導(dǎo)率的正確預(yù)測(cè)對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備和性能至關(guān)重要。國內(nèi)外研究工作者對(duì)導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理、導(dǎo)熱模型作了論述［22－23］，用不同的理論導(dǎo)熱模型和計(jì)算方法計(jì)算了高分子導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)理論模型預(yù)測(cè)的熱導(dǎo)率與實(shí)測(cè)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(dǎo)熱模型和計(jì)算方法，以達(dá)到適合于特定體系的預(yù)測(cè)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(dǎo)率與實(shí)際熱導(dǎo)率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。梁基照［25］對(duì)PPS/CaCO3復(fù)合材料體系用ANSYS軟件進(jìn)行二維有限元模擬，結(jié)果表明，模擬值與理論模型計(jì)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(jī)擠出