大功率LED灯具中导热材料的分析和应用

大功率LED灯具中导热材料的分析和应用
公文礼;张鹏;王崇阳
【摘要】文章通过对大功率LED光源灯具中所用的各种导热材料的特性分析,结合大功率LED光源自身的散热需求分析,阐述了大功率LED照明灯具中常用的主要导热材料性能特点以及在灯具中所起的作用.文章中系统介绍了LED灯具中常用的几种导热材料性能和使用方法,并应用具体的测试数据进行对比分析,说明了选用不同的导热材料对LED灯具散热效果的影响和对灯具寿命影响的重要性,旨在说明设计LED灯具和选择导热材料时,要根据不同的灯具类型和结构特点,选用与其性价比合理的导热材料.只有重视灯具的导热材料,才能保证灯具中LED光源得到较好的散热,从而延长LED灯具的使用寿命.虽然各种导热材料的合理选择看似微不足道,但却可以提高LED灯具的性价比,这样才能让LED灯具真正进入千家万户,真正进入绿色照明时代.导热材料是决定灯具散热效果的重要因素之一,它甚至和电源驱动一样直接影响着灯具的使用寿命.最后希望业界同行能够在灯具设计和标准化应用中更多关注各种导热材料,关注导热材料在大功率LED灯具标准化统一中所起的积极作用,通过合理应用这些导热材料,在促进导热材料不断更新的同时必然带动我国LED产业的健康发展.
【期刊名称】《灯与照明》
【年(卷),期】2017(041)001
【总页数】7页(P49-55)
【关键词】大功率LED散热;结构性导热材料;导热硅脂;导热绝缘胶;导热系数;灯具标准化;防爆LED灯具
【作者】公文礼;张鹏;王崇阳
【作者单位】陕西斯达防爆安全科技股份有限公司,西安 710086;南阳防爆电气研
究所,南阳 473008;南阳防爆电气研究所,南阳 473008
【正文语种】中文
LED研究
近年来，随着大功率LED光源在照明灯具中广泛的应用和普及，半导体发光材料
得到了迅猛发展，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)的开发应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性发展，其发光效率也逐年递增。

色度方面已实现了可见光波段的所有颜色覆盖，尤其是超高亮度白光LED的普及
应用，使LED应用领域跨越至高效率照明光源。

LED照明必将引领第四代光源的
跨越式革命， LED照明在绿色环保方面越来越发挥积极的作用。

但是，LED灯具
的散热始终制约着灯具规模化应用，尤其是目前市场上众多LED生产厂家为了节
约成本，以及对LED散热的重要性认识不足，造成了灯具的散热结构不合理，灯
具散热中用到的各种导热材料不规范，普遍存在层次不齐，使用不当以及性价比不合理的现象。

如何才能解决好LED灯具中散热问题，除了有良好的散热结构外，
必须科学严谨地选用合理的导热材料，特别是合理选用各导热结构体之间的衔接填补性导热材料，对延长LED灯具寿命也是至关重要的。

近年来，通过对LED灯具的研究和大量的实验证明，在现有技术水平的LED灯具中，约80%的能量转化为热能而白白耗掉。

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光源工作中产生的热量主要以传导方式释放。

根据光功率(流明)与电功率(瓦)的能量守恒当量关系：Km=683 lm/W，即1 W的光源在理想的理论条件下(黑体辐射)可产生683 lm光通量的光能。

即使目前业界
技术领先的美国CREE公司最新的研发指标，实验室下LED的光效达到320
lm/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浪费掉。

所以LED 灯具光效的提高不仅仅是考虑光通量提高的问题，热能会引起结温过高，导致光衰加大，荧光粉失效等问题，最终导致灯具寿命的急剧缩短。

所以解决好LED灯具的散热问题是灯具设计中不可或缺的重要环节。

LED光源的内部结构(图1)，LED芯片体积小，结构紧凑，局部热流密度大，热量集中不宜释放，只能通过芯片底部的支架向外传导。

LED灯具设计中必须要解决好散热问题，LED灯具的使用寿命究竟多久其实也就是要解决好它的内部热传导问题。

LED工作中产生的热是从温度较高的管芯处向温度较低的灯壳体等外部环境逐步扩散。

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(图2)。

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正常持续工作。

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增加壳体的散热通道和散热面积，来减少热阻，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，更重要的是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，这就要求用来填补的导热材料也要具有较高的导热系数。

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，各部分对散热的能力大小也不一样，他们各自在整套灯具系统中所承担的散热比例不同(图3)。

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，当然其他部分导热虽然占整体的比例不大，但在散热系统中也发挥了各自的关键作用。

目前为止，LED灯具所能达到的理想技术水平，就是灯具的整体光效≥90 lm/W，热阻≤90 ℃/W，正常点亮时结温温升≤25 ℃，工作寿命≥50 000小时(光通量下降到初始值的70%)，当然，要达到这些技术指标，必须经过科学合理的散热优化
设计。

LED灯具中的导热材料大多数是作为灯具的壳体结构，在满足壳体防护性能的基础上设计成利于LED光源热传导的形状，利用壳体结构尽可能增加导热通道和导热面积。

我们知道，恒流驱动和散热是LED灯具设计中的两大技术难题。

尤其是LED光源的散热良好与否，直接决定LED灯具的使用寿命。

因为从理论上来说，根据热功当量的关系，LED光源的理论光效应该为683 lm/W，然而实际上，LED 光源在持续发光的同时，会持续产生大量的热能，LED灯具发光时所产生的热能若无法及时导出，将会使LED结温过高，随着结温的升高，出光效率随之会下降(图4)，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LED直接死灯的现象。

LED灯具的工作环境温度升高，会使LED寿命呈指数性缩减。

经过近年的实验统计，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10%。

所以为了保证LED灯具的寿命，一般要求在散热能力上LED光源PN结的结温至少在110 ℃以下，并且在性价比保证的前提下保证PN结温越低越好。

LED灯具中常用的导热材料按其在灯具中的作用主要分为结构性导热材料和填补性导热材料。

结构性导热材料除了作为灯具的壳体功能外，同时兼做LED光源散热之用，填补性导热材料主要用于结构性导热材料之间，作为两者之间衔接导热之用。

4.1 大功率LED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就可以了，前两个环节一般由光源厂家来决定。

而作为LED灯具生产厂家，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设计。

灯壳体一般采用导热性能较好的金属材料铸造而成(图5)。

在几种常用的金属材料中，如图6所示，铝合金的导热能力处于中间水平，相对
而言具有性价比高的优势，所以大多灯具都采用铝合金做壳体，采用模具压力铸造的方法加工，压铸铝的灯具壳体重量轻，外形美观，散热良好，很容易实现批量加工。

但是近年来，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
批量化应用。

与此同时，工程塑料在克服其唯一的导热缺陷上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(表1)。

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、
3.0 mm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35 μm～280 μm。

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聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，有抗热老化的能力，能承受机械及热应力，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，工艺主要有镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。

4.2 几种可用于结构性导热材料之间衔接的填补性导热材料介绍
4.2.1 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。

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他颜色的膏状物(图7)。

导热硅脂具有极佳的导热性、电绝缘性、使用稳定性、耐高低温性等特点，是目前大功率LED灯具常用的导热材料。

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，是大功率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性气体，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。

另外，近年来基于导热硅脂原理而发展起来的导电型银浆也是一种较好的导热材料，它的粘贴硬化温度一般为200 ℃，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度，
唯一不足就是目前的价格成本较高，在LED灯具中应用并不多。

4.2.2 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，而硅脂是没有粘性的。

导热硅胶的最大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固化。

4.2.3 导热硅胶片
是一种薄片状的固体导热材料(图8)，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，能满足小型化及超薄化的设计要求，使用方便性是导热硅脂和硅胶无法比拟的，但存在没有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，耐高温稳定性和较强的粘接能力是其他导热材料无法比拟的。

唯一的缺点就是由于它是双组分A、B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的不便。

为了提高铝基板的传热能力，目前室内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，不仅提高了导热能力，而且提高了工艺效率，是比较理想的导热方式，值得推广。

不论采用哪种导热方式，具体要根据灯具的类型和结构结合企业自身的特点来决定，如表2，选择性价比高的导热材料是设计灯具所必须考虑的因素。

由于LED灯具是新型产业，各个企业都在研发自己的产品，各自都有自己认为理
想的散热解决方案，灯具中用到的导热材料也五花八门，良莠不齐。

以致于国内对于LED灯具在导热材料方面相关的标准化比较滞后，造成市场上的灯具外形种类
繁多，灯具的外壳结构件互不通用，这无疑给用户日后的维修埋下隐患。

目前，LED光源模组、驱动电源，甚至是壳体的标准化已经取得了突破性的进展，希望
导热材料的标准化也将在未来的LED发展中逐步规范。

LED灯具导热材料如果能得到标准化，必将对整个LED产业产生重大的影响。

首
先灯具的加工工艺性会更好，LED灯具最终会走向模块化发展，模块化的LED灯
具维修方便，模块化后不同厂家的LED光源和驱动电源等主要部件可以互相兼容，
节省了维修费用和成本。

其次是LED灯具前期的开发费用降低，标准化后的LED
模块选型使研发时有较多的选择余地，用较少的研发投入即可制造出优质的LED
照明产品。

即不同的灯具生产厂家可以采用标准化的LED光源模组和驱动电源进
行优化设计，同时也便于行业间的技术交流和协作。

标准化后的LED路灯在工艺
组装效率上高于节能灯5倍，如果LED灯具的主要模块能实现规模化生产，整灯
成本可以降低2～3倍。

LED灯具的主要模块标准化后，LED灯具的结构件在维修时虽然可以互换，但是
维修中光源模组和壳体之间的填补性导热材料在现场的涂抹却显得非常麻烦，这个问题或许是大功率LED灯具目前普遍存在的一大难题。

如果LED中用到的几种导热填补材料也能进行标准化，不只提高维修效率，而且
节省了维修成本。

比如，利用前面提到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光源模组功率的大小制成尺寸相匹配的标准尺寸导热硅胶片，维修时只需简单的结构组装即可(图9)，批量后用户也可自己更换。

同样，采用导
热硅脂也可以实现标准化，比如，可以根据不同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导热硅脂(见图10)的数量多少，进行牙膏筒式的
包装，LED灯具维修时只需领取与灯具功率相适应的剂量包装，打开涂抹，既能
保证导热胶的涂抹用量，也不致于造成不必要的浪费，而且方便携带和运输。

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解决方案。

LED防爆灯具由于其具有寿命长，工作温度低，安全节能等诸多优点，是白炽灯、荧光灯、卤素灯光源防爆灯具所无法比拟的。

但是由于防爆LED灯具一般受防爆
结构的限制，灯具的结构复杂，LED光源的散热受限于防爆结构，所以防爆灯具
的导热材料显得尤为重要。

防爆灯具的壳体既要具有一定的机械强度，同时又要具有良好的散热作用，因此，在壳体材料选择时，既要考虑材料的导热系数，又要考虑材料的力学强度性能。

有些特殊防爆场所(比如煤矿井下)的灯具如果采用铝合金
壳体散热，从产品的防爆性能就要求壳体的铝合金材料能经过GB/T 13813—2008标准中规定的摩擦火花试验，灯具的防爆结构设计上要满足GB 3836—2010标准中规定的要求。

尤其是在防爆灯具的工频耐压测试中，交流输入对壳体或地的2 kV工频耐压，除了在驱动电路上需要采用隔离拓扑结构外，一般也要通过铝基板和壳体间的填补性导热材料来进行必要的电气绝缘，这时的导热材料除了具有较高的导热系数外，还必须具有较高的绝缘电阻(>20 MΩ)，才能满足各项技术要求。

我们通过对大功率LED灯具应用中所涉及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，尤其是在防爆LED灯具(图11)的设计中，既能满足导热性能又具有绝缘性能的绝缘导热材料发挥了不可替代的作用。

通过不同导热材料的比较，基本掌握了各种导热材料的使用特性，以及近年来用于灯具散热的新型工程塑料材料和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，如果能将类似的新材料科学合理地应用到LED照明灯具设计中，在未来或许能为开启我国的大功率LED灯具照明时代发挥积极的作用。