大功率LED燈具中導熱材料的分析和應用

公文禮，張 鵬，王崇陽

(1.陜西斯達防爆安全科技股份有限公司，西安710086；2.南陽防爆電氣研究所,南陽473008)

LED研究

大功率LED燈具中導熱材料的分析和應用

公文禮1，張 鵬2，王崇陽2

(1.陜西斯達防爆安全科技股份有限公司，西安710086；2.南陽防爆電氣研究所,南陽473008)

文章通過對大功率LED光源燈具中所用的各種導熱材料的特性分析，結合大功率LED光源自身的散熱需求分析，闡述了大功率LED照明燈具中常用的主要導熱材料性能特點以及在燈具中所起的作用。文章中系統介紹了LED燈具中常用的幾種導熱材料性能和使用方法，并應用具體的測試數據進行對比分析，說明了選用不同的導熱材料對LED燈具散熱效果的影響和對燈具壽命影響的重要性，旨在說明設計LED燈具和選擇導熱材料時，要根據不同的燈具類型和結構特點，選用與其性價比合理的導熱材料。只有重視燈具的導熱材料，才能保證燈具中LED光源得到較好的散熱，從而延長LED燈具的使用壽命。雖然各種導熱材料的合理選擇看似微不足道，但卻可以提高LED燈具的性價比，這樣才能讓LED燈具真正進入千家萬戶，真正進入綠色照明時代。導熱材料是決定燈具散熱效果的重要因素之一，它甚至和電源驅動一樣直接影響著燈具的使用壽命。最后希望業界同行能夠在燈具設計和標準化應用中更多關注各種導熱材料，關注導熱材料在大功率LED燈具標準化統一中所起的積極作用，通過合理應用這些導熱材料，在促進導熱材料不斷更新的同時必然帶動我國LED產業的健康發展。

大功率LED散熱；結構性導熱材料；導熱硅脂；導熱絕緣膠；導熱系數；燈具標準化；防爆LED燈具

0 引 言

近年來，隨著大功率LED光源在照明燈具中廣泛的應用和普及，半導體發光材料得到了迅猛發展，LED光源制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性發展，其發光效率也逐年遞增。色度方面已實現了可見光波段的所有顏色覆蓋，尤其是超高亮度白光LED的普及應用，使LED應用領域跨越至高效率照明光源。LED照明必將引領第四代光源的跨越式革命， LED照明在綠色環保方面越來越發揮積極的作用。但是，LED燈具的散熱始終制約著燈具規模化應用，尤其是目前市場上眾多LED生產廠家為了節約成本，以及對LED散熱的重要性認識不足，造成了燈具的散熱結構不合理，燈具散熱中用到的各種導熱材料不規范，普遍存在層次不齊，使用不當以及性價比不合理的現象。如何才能解決好LED燈具中散熱問題，除了有良好的散熱結構外，必須科學嚴謹地選用合理的導熱材料，特別是合理選用各導熱結構體之間的銜接填補性導熱材料，對延長LED燈具壽命也是至關重要的。

1 LED光源必須依賴散熱的重要性

近年來，通過對LED燈具的研究和大量的實驗證明，在現有技術水平的LED燈具中，約80%的能量轉化為熱能而白白耗掉。在LED光譜中，除紅外波段外，其余光譜段不能靠輻射散出熱量，LED光源工作中產生的熱量主要以傳導方式釋放。根據光功率(流明)與電功率(瓦)的能量守恒當量關系：Km=683 lm/W，即1 W的光源在理想的理論條件下(黑體輻射)可產生683 lm光通量的光能。即使目前業界技術領先的美國CREE公司最新的研發指標，實驗室下LED的光效達到320 lm/W，也不能將全部能量轉化為光能輸出，而其余的都轉化為熱能浪費掉。所以LED 燈具光效的提高不僅僅是考慮光通量提高的問題，熱能會引起結溫過高，導致光衰加大，熒光粉失效等問題，最終導致燈具壽命的急劇縮短。所以解決好LED燈具的散熱問題是燈具設計中不可或缺的重要環節。

LED光源的內部結構(圖1)，LED芯片體積小，結構緊湊，局部熱流密度大，熱量集中不宜釋放，只能通過芯片底部的支架向外傳導。LED燈具設計中必須要解決好散熱問題，LED燈具的使用壽命究竟多久其實也就是要解決好它的內部熱傳導問題。

圖1 朗伯型封裝結構的LED光源內部結構圖

2 LED燈具的一般散熱途徑和熱分布情況

LED工作中產生的熱是從溫度較高的管芯處向溫度較低的燈殼體等外部環境逐步擴散。大功率LED主要的散熱路徑是：LED管芯→LED支架→鋁基板→燈殼體→環境空氣(圖2)。根據研究和實驗測試得知，一般情況下LED的結溫必須小于110 ℃，才能保證LED正常持續工作。受管芯與支架間熱阻的影響，散熱支架的溫度通常可達到80～90 ℃，所以在燈具設計時要盡可能增加殼體的散熱通道和散熱面積，來減少熱阻，降低LED結溫。減少熱阻除了提高殼體、支架等散熱材料的導熱系數外，更重要的是使他們銜接部分接觸充分，通過導熱填補材料來進行無縫銜接，這就要求用來填補的導熱材料也要具有較高的導熱系數。

圖2 LED燈具散熱路徑及溫度分布示意圖

根據研究數據統計，在LED燈具散熱路徑中，由于各部分的材料特性和所處的結構位置不一樣，各部分對散熱的能力大小也不一樣，他們各自在整套燈具系統中所承擔的散熱比例不同(圖3)。通過圖3可以看出，鋁基板在整個燈具中承擔了大約74%的散熱量，LED產生的熱量大多由鋁基板傳導給殼體，當然其他部分導熱雖然占整體的比例不大，但在散熱系統中也發揮了各自的關鍵作用。

圖3 LED燈具中各部分散熱所分擔的比例關系

目前為止，LED燈具所能達到的理想技術水平，就是燈具的整體光效≥90 lm/W，熱阻≤90 ℃/W，正常點亮時結溫溫升≤25 ℃，工作壽命≥50 000小時(光通量下降到初始值的70%)，當然，要達到這些技術指標，必須經過科學合理的散熱優化設計。

3 導熱材料在LED燈具中的作用及其重要性

LED燈具中的導熱材料大多數是作為燈具的殼體結構，在滿足殼體防護性能的基礎上設計成利于LED光源熱傳導的形狀，利用殼體結構盡可能增加導熱通道和導熱面積。我們知道，恒流驅動和散熱是LED燈具設計中的兩大技術難題。尤其是LED光源的散熱良好與否，直接決定LED燈具的使用壽命。因為從理論上來說，根據熱功當量的關系，LED光源的理論光效應該為683 lm/W，然而實際上，LED光源在持續發光的同時，會持續產生大量的熱能，LED燈具發光時所產生的熱能若無法及時導出，將會使LED結溫過高，隨著結溫的升高，出光效率隨之會下降(圖4)，并且溫度對LED長波段的發光效率影響較大，從而引起“紅移”現象，甚至最后導致LED直接死燈的現象。

圖4 LED光源PN結的結溫與光源的相對出光率關系

LED燈具的工作環境溫度升高，會使LED壽命呈指數性縮減。經過近年的實驗統計，溫度每升高10 ℃，燈具壽命平均減少一半。如果燈具的電子元件溫度每上升2 ℃，可靠性將下降10%。所以為了保證LED燈具的壽命，一般要求在散熱能力上LED光源PN結的結溫至少在110 ℃以下，并且在性價比保證的前提下保證PN結溫越低越好。

4 大功率LED燈具中常用的導熱材料種類及介紹

LED燈具中常用的導熱材料按其在燈具中的作用主要分為結構性導熱材料和填補性導熱材料。結構性導熱材料除了作為燈具的殼體功能外，同時兼做LED光源散熱之用，填補性導熱材料主要用于結構性導熱材料之間，作為兩者之間銜接導熱之用。

4.1 大功率LED燈具中的結構性導熱材料

通過圖2燈具的散熱途徑可以看出，在進行LED燈具整體設計時只要解決好四個散熱環節就可以了，前兩個環節一般由光源廠家來決定。而作為LED燈具生產廠家，最主要的就是后面兩個環節，也就是燈殼體和鋁基板的散熱設計。燈殼體一般采用導熱性能較好的金屬材料鑄造而成(圖5)。

圖5 一種LED射燈的散熱殼體

在幾種常用的金屬材料中，如圖6所示，鋁合金的導熱能力處于中間水平，相對而言具有性價比高的優勢，所以大多燈具都采用鋁合金做殼體，采用模具壓力鑄造的方法加工，壓鑄鋁的燈具殼體重量輕，外形美觀，散熱良好，很容易實現批量加工。

圖6 幾種金屬材料的導熱系數比較

但是近年來，隨著LED燈具技術的應用成熟和市場價格的競爭，和之前的傳統燈具相比，LED燈具的鋁合金殼體儼然成了的燈具中成本較高的部件，一直制約著批量化應用。與此同時，工程塑料在克服其唯一的導熱缺陷上取得了較大的技術突破，國外相繼研制了具有較好導熱性能的工程塑料。未來，具有高導熱系數的工程塑料或許將成為LED燈具殼體的主要材料，工程塑料具有高強度，結構輕巧美觀，易于成型，批量化加工容易等諸多優點(表1)。

表1 國外幾種可用于LED燈具的工程導熱塑料的性能參數表

通過圖2燈具的散熱途徑可以看出，PCB鋁基板也是LED燈具散熱中很關鍵的一個環節，鋁基板是承載LED與殼體之間熱傳導的主要部件。鋁基板具有電氣絕緣性能好，熱阻小，無磁性，機械強度高，散熱好等優點。一般標準厚度為0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0 mm等規格，可根據不同的散熱需求選擇不同厚度的鋁基板。

鋁基板由電路層(銅箔層)、導熱絕緣層和金屬基層組成。電路層要求具有很大的載流能力，應使用較厚的銅箔，厚度一般35 μm～280 μm。導熱絕緣層是PCB鋁基板核心技術之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊聚合物構成，熱阻小，粘彈性能優良，有抗熱老化的能力，能承受機械及熱應力，具有極為優良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能。金屬基層是鋁基板的支撐構件，要求具有高導熱性，一般是鋁板，也可使用銅板(銅板能夠提供更好的導熱性)，適合于鉆孔、沖剪及切割等常規機械加工。

目前鋁基板工藝技術已經很成熟，工藝主要有鍍金、噴錫、osp抗氧化、沉金、無鉛ROHS制程等。

4.2 幾種可用于結構性導熱材料之間銜接的填補性導熱材料介紹

4.2.1 導熱硅脂

俗稱“導熱膏”或“散熱膏”，是呈膏狀的高效散熱材料，通常填充在LED光源的支架和鋁基板或者鋁基板和散熱殼體之間，它的流動性非常好，能充分潤澤滲入兩種需要導熱的材料表面，從而形成一個非常低的熱阻接口，比LED光源與散熱器接觸面中間的空氣熱傳導效率高。從基本特性來看，硅脂一般是以特種硅油作基礎油，以新型金屬氧化物作填料，配以多種功能添加劑，經特殊的工藝加工而成的白色或其他顏色的膏狀物(圖7)。

圖7 可用于大功率LED燈具的導熱硅脂

導熱硅脂具有極佳的導熱性、電絕緣性、使用穩定性、耐高低溫性等特點，是目前大功率LED燈具常用的導熱材料。對接觸的金屬材料(銅、鋁、鋼)無腐蝕，具備極低的揮發損失，不干，不熔化，具備良好的材料適應性和較寬的使用溫度范圍(最高250 ℃)，無毒、無味、無腐蝕性，化學、物理性能穩定，是大功率LED燈具比較理想的介質材料，而且性能穩定，在使用中不會產生腐蝕性氣體，不會對所接觸的金屬產生影響。唯一的缺點就是涂抹不方便，受溫度影響會有“呼吸效應”，長期使用后會造成接觸面空洞。

另外，近年來基于導熱硅脂原理而發展起來的導電型銀漿也是一種較好的導熱材料，它的粘貼硬化溫度一般為200 ℃，既有良好的熱導特性，又有較好的粘貼強度，唯一不足就是目前的價格成本較高，在LED燈具中應用并不多。

4.2.2 導熱硅膠

就是導熱RTV膠，在常溫下可以固化的一種灌封膠，和導熱硅脂最大不同就是導熱硅膠可以固化，有較強的粘接性能。而兩者都充當中間傳熱的填充介質，外觀也相似，但硅膠的主要成分是二氧化硅，它具有非常好的粘性，而硅脂是沒有粘性的。

導熱硅膠的最大優勢是可以用在不方便固定光源或鋁基板的地方，而硅脂主要是用在通過螺紋固定光源的燈具中，但是使用硅膠需要時間固化。

4.2.3 導熱硅膠片

是一種薄片狀的固體導熱材料(圖8)，填充發熱器件和散熱片或金屬底座之間的空氣間隙，具有一定的柔韌性、優良的絕緣性、壓縮性、表面天然的粘性，能填充縫隙，達到發熱部位與散熱部位間的熱傳遞，同時還起到絕緣、減震等作用，能滿足小型化及超薄化的設計要求，使用方便性是導熱硅脂和硅膠無法比擬的，但存在沒有涂抹時容易弄臟光源，涂抹厚度不易控制，分布不均勻等缺陷。

當然，除了這幾種比較穩定的材料外，導熱環氧膠也是比較理想的選擇，它除了具有導熱硅膠的優點外，耐高溫穩定性和較強的粘接能力是其他導熱材料無法比擬的。唯一的缺點就是由于它是雙組分A、B膠，使用時要根據需求量配置，固化需要24小時，對于LED燈具來說造成了工藝上的不便。

為了提高鋁基板的傳熱能力，目前室內LED燈具大多采用貼片型LED光源，通過回流焊工藝將LED光源與鋁基板錫焊，不僅提高了導熱能力，而且提高了工藝效率，是比較理想的導熱方式，值得推廣。

不論采用哪種導熱方式，具體要根據燈具的類型和結構結合企業自身的特點來決定，如表2，選擇性價比高的導熱材料是設計燈具所必須考慮的因素。

圖8 一種導熱硅膠片

材料種類比較內容 導熱硅脂導熱硅膠導熱硅膠片環氧導熱絕緣膠外觀白色棕灰色(固化后)灰色,粉色,灰色(固化后)粘度(cps25℃)10000070000—60000～100000可操作時間(25℃)隨時1.5～2h隨時1.5～2h固化時間(25℃)不固化24h不固化24h溫度范圍/℃-20～+200-30～+25050～+20050～+200邵氏硬度D—>80>40>120擊穿電壓/(kV/mm-1)>25>25>30>35導熱系數/(w·(m·k)-1)1.3～1.51.2～1.41.0～1.21.1～1.3粘結強度/(kg·cm-2)—>100—>120體積電阻/(Ω·cm-1)>1012>1014>1014>1014

5 導熱材料在LED燈具標準化設計中的作用

由于LED燈具是新型產業，各個企業都在研發自己的產品，各自都有自己認為理想的散熱解決方案，燈具中用到的導熱材料也五花八門，良莠不齊。以致于國內對于LED燈具在導熱材料方面相關的標準化比較滯后，造成市場上的燈具外形種類繁多，燈具的外殼結構件互不通用，這無疑給用戶日后的維修埋下隱患。目前，LED光源模組、驅動電源，甚至是殼體的標準化已經取得了突破性的進展，希望導熱材料的標準化也將在未來的LED發展中逐步規范。

LED燈具導熱材料如果能得到標準化，必將對整個LED產業產生重大的影響。首先燈具的加工工藝性會更好，LED燈具最終會走向模塊化發展，模塊化的LED燈具維修方便，模塊化后不同廠家的LED光源和驅動電源等主要部件可以互相兼容，節省了維修費用和成本。其次是LED燈具前期的開發費用降低，標準化后的LED模塊選型使研發時有較多的選擇余地，用較少的研發投入即可制造出優質的LED照明產品。即不同的燈具生產廠家可以采用標準化的LED光源模組和驅動電源進行優化設計，同時也便于行業間的技術交流和協作。標準化后的LED路燈在工藝組裝效率上高于節能燈5倍，如果LED燈具的主要模塊能實現規模化生產，整燈成本可以降低2～3倍。

LED燈具的主要模塊標準化后，LED燈具的結構件在維修時雖然可以互換，但是維修中光源模組和殼體之間的填補性導熱材料在現場的涂抹卻顯得非常麻煩，這個問題或許是大功率LED燈具目前普遍存在的一大難題。

圖9 采用導熱硅膠片的LED球泡燈

如果LED中用到的幾種導熱填補材料也能進行標準化，不只提高維修效率，而且節省了維修成本。比如，利用前面提到過的導熱硅膠片就很容易實現這一功能，燈具廠家可以根據LED光源模組功率的大小制成尺寸相匹配的標準尺寸導熱硅膠片，維修時只需簡單的結構組裝即可(圖9)，批量后用戶也可自己更換。同樣，采用導熱硅脂也可以實現標準化，比如，可以根據不同LED燈具的功率大小從高到低分檔，每檔配備與其光源模組所需導熱硅脂(見圖10)的數量多少，進行牙膏筒式的包裝，LED燈具維修時只需領取與燈具功率相適應的劑量包裝，打開涂抹，既能保證導熱膠的涂抹用量，也不致于造成不必要的浪費，而且方便攜帶和運輸。以后隨著LED照明進入千家萬戶，這將是一種比較理想且行之有效的解決方案。

圖10 采用標準化包裝的導熱硅脂

6 導熱材料在防爆LED燈具中的重要作用

LED防爆燈具由于其具有壽命長，工作溫度低，安全節能等諸多優點，是白熾燈、熒光燈、鹵素燈光源防爆燈具所無法比擬的。但是由于防爆LED燈具一般受防爆結構的限制，燈具的結構復雜，LED光源的散熱受限于防爆結構，所以防爆燈具的導熱材料顯得尤為重要。防爆燈具的殼體既要具有一定的機械強度，同時又要具有良好的散熱作用，因此，在殼體材料選擇時，既要考慮材料的導熱系數，又要考慮材料的力學強度性能。有些特殊防爆場所(比如煤礦井下)的燈具如果采用鋁合金殼體散熱，從產品的防爆性能就要求殼體的鋁合金材料能經過GB/T 13813—2008標準中規定的摩擦火花試驗，燈具的防爆結構設計上要滿足GB 3836—2010標準中規定的要求。尤其是在防爆燈具的工頻耐壓測試中，交流輸入對殼體或地的2 kV工頻耐壓，除了在驅動電路上需要采用隔離拓撲結構外，一般也要通過鋁基板和殼體間的填補性導熱材料來進行必要的電氣絕緣，這時的導熱材料除了具有較高的導熱系數外，還必須具有較高的絕緣電阻(>20 MΩ)，才能滿足各項技術要求。

圖11 具有防爆和散熱結構的LED防爆燈具

7 結 論

我們通過對大功率LED燈具應用中所涉及的各種導熱材料性能特點及使用方法的研究學習，明確了導熱材料在燈具散熱中的重要性，尤其是在防爆LED燈具(圖11)的設計中，既能滿足導熱性能又具有絕緣性能的絕緣導熱材料發揮了不可替代的作用。通過不同導熱材料的比較，基本掌握了各種導熱材料的使用特性，以及近年來用于燈具散熱的新型工程塑料材料和諸如導熱硅膠片等新材料新工藝，值得我們進一步去探討研究，如果能將類似的新材料科學合理地應用到LED照明燈具設計中，在未來或許能為開啟我國的大功率LED燈具照明時代發揮積極的作用。

Analysis and Application of Thermal Conductive Materials in High Power LED Lamps

GONG Wenli1，ZHANG Peng2，WANG Chongyang2

(Shaanxi Sida Explosion-proof Safety Polytron Technologies Inc，Xi’an 710086,P.R.China； Nanyang Explosion Proof Electric Research Institute，Nanyang 473008,P.R.China)

In this paper, through the analysis of characteristics of various conductive materials for high power LED light source in the fixture, with the cooling demand of high power LED light source’s analysis, elaborated the main performance characteristics of thermal conductivity materials commonly used in high power LED lighting lamps and the role in the lamp, the article introduces several commonly used system performance the LED lamp heat conductive material and method of use, and analyzed the application specific test data, indicating the importance of selecting different conductive materials influence on the cooling effect of LED lamps and influence on the service life of the lamps. To illustrate the design of LED lamps and choose heat conducting materials, according to the different types of lamps and structural features, choose their reasonable thermal conductivity materials. Only attach importance to the lighting of the thermal conductivity material as the quality of LED light source, in order to ensure the lamp LED light source to get better heat dissipation, thereby prolonging the service life of LED lamps. Although the reasonable choice of various conductive materials, seemingly not worth mentioning, but can improve LED lamp price, so that it can make LED lighting into the real green lighting into thousands of households, real time. This paper shows that the thermal conductivity of materials although throughout the LED lighting design in the link appears to be very little, but in fact, one of the important factors of heat dissipation good effect it is decided, it even and power driver directly affects the service life of the lamp. Finally, I hope the colleagues can focus on all kinds of conductive materials more in lamp design and standardized application, attention heat conduction material positive role in high power LED lighting standard plays, through the reasonable application of these thermal materials, while promoting thermal materials constantly update technology will inevitably lead to the healthy development of LED industry of our country.

high power LED heat dissipation; structural heat conductive material; thermal grease; thermally conductive insulating adhesive; thermal conductivity; lamp standardization explosion proof LED lamp

2017-01-10 作者簡介：公文禮，男，高級機電工程師，本科，主要從事大功率LED照明燈具的研究和防爆電器的設計開發工作。