大功率LED照明燈具在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，需要通過(guò)散熱器將熱量匯出并散發(fā)到環(huán)境中。本文系統(tǒng)地介紹了各類主要散熱器特點(diǎn)，并對(duì)其材料性能特徵進(jìn)行了分析和介紹。
LED(Light-emittingDiode的縮寫)照明燈具是指采用半導(dǎo)體發(fā)光二極體技術(shù)做為發(fā)光源的一種新型環(huán)保照明產(chǎn)品。LED照明燈具有省電節(jié)能，易控制、免維護(hù)、安全環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其使用壽命可達(dá)50,000-100,000小時(shí)，遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)鎢絲燈泡的1,000小時(shí)及螢光燈管的10,000小時(shí)。LED作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保綠色光源產(chǎn)品，其應(yīng)用前景非常樂觀，但LED在工作中發(fā)光的同時(shí)大部分電能都要轉(zhuǎn)化為熱能，如果熱量不能及時(shí)的散出，LED的結(jié)溫會(huì)不斷的升高，當(dāng)LED結(jié)溫超過(guò)一定的限度就會(huì)發(fā)生不可逆光衰，造成LED工作壽命降低甚至損壞，因此LED燈具需要散熱器將自身產(chǎn)生的熱量散出才能正常工作。
一.普通照明大功率LED燈具(1W以上)介紹
1.常見類型——球泡燈、射燈、蠟燭燈、管燈、吸頂燈、路燈、車燈等，并根據(jù)介面的規(guī)格不同有很多型號(hào)(部分燈具樣品如圖1)。
LED照明燈的基本結(jié)構(gòu)包括三大部分，A：發(fā)光源結(jié)構(gòu)：即LED燈板包括發(fā)光體，LEDPCB板等；B:LED驅(qū)動(dòng)電源，可分為隔離電源和非隔離電源；C:LED散熱，散光或?qū)Ч饨M件：包括LED散熱器、LED燈罩或LED導(dǎo)光體等。其基本如圖2。
二.LED高效安全散熱器工作原理介紹
散熱器的主要作用是將LED晶片工作中產(chǎn)生的熱量不斷匯出并散發(fā)到環(huán)境中，使晶片的溫度保持在所要求的范圍內(nèi)，從而保證LED燈能夠正常工作。從LED晶片產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導(dǎo)的方式依次通過(guò)LED封裝結(jié)構(gòu)件、電路板、燈具散熱結(jié)構(gòu)件，最後以對(duì)流（熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)）和熱輻射的方式把熱量從散熱結(jié)構(gòu)傳至環(huán)境中。常見的LED散熱器散熱模式如圖。
散熱器的好壞主要取決於在滿足安規(guī)的條件，散熱器的熱阻性能。熱阻越小，相同條件下LED燈結(jié)溫越低，LED結(jié)溫越低，晶片使用壽命就會(huì)越長(zhǎng)。散熱器的熱阻應(yīng)該包括導(dǎo)熱熱阻和散熱熱阻兩部分。對(duì)於一定形狀的散熱器，導(dǎo)熱熱阻主要與散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱熱阻越小，導(dǎo)熱效果越好;在一定環(huán)境條件下，散熱熱阻主要取決於散熱器的散熱面積以及散熱器表面材料的輻射系數(shù)，散熱面積越大、輻射系數(shù)越高，散熱熱阻越小，散熱效果越好。
三.常見LED散熱器不同材質(zhì)介紹
所謂LED散熱器就是能夠?qū)ED晶片工作中產(chǎn)生的熱量快速地匯出并散發(fā)到環(huán)境中的一個(gè)元件，因此作為散熱器僅具有一定的散熱面積是不行的，制作散熱器的材料必須具有一定的導(dǎo)熱性，也就是要具有較高的熱導(dǎo)率，才能將晶片產(chǎn)生的熱量不斷匯出，并最終散到環(huán)境中;當(dāng)然對(duì)於導(dǎo)熱材料，除了導(dǎo)熱性外，還應(yīng)當(dāng)具有比重小、價(jià)格低、強(qiáng)度高、容易加工等特點(diǎn)。常用材料通常包括金屬材料，無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料三大類，其中高分子材料又包括塑膠、橡膠、化學(xué)纖維等。導(dǎo)熱材料一般為金屬和部分無(wú)機(jī)非金屬材料。在常見金屬中，鋁和銅的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，但銅的價(jià)格高，比重大，加工性不如鋁，而鋁質(zhì)散熱器完全能滿足LED散熱的要求，因此在LED金屬散熱器中以鋁質(zhì)散熱器為主，銅質(zhì)散熱器并不多見，另外也有少量散熱器是鐵質(zhì)的。導(dǎo)熱性好的無(wú)機(jī)非金屬材料加工前一般多為粉末狀，需要經(jīng)過(guò)特種工藝加工成型，加工成散熱器後基本為陶瓷狀;有些無(wú)機(jī)非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)很高又非常絕緣，但價(jià)格很高，如金剛石、氮化硼、氮化鋁等;有些雖然導(dǎo)熱系數(shù)高但不絕緣，類似金屬，如石墨、碳纖維等;并且將無(wú)機(jī)非金屬粉末加工成形狀復(fù)雜的陶瓷散熱器是非常困難的，因此，雖然陶瓷LED散熱器是有應(yīng)用的，但存在很大的局限性，需要進(jìn)一步完善和提高。高分子材料本身導(dǎo)熱性是比較差的，但如果將導(dǎo)熱性好的金屬粉末或非金屬粉末添加到塑膠或橡膠中，制成導(dǎo)熱塑膠或橡膠等，其導(dǎo)熱性會(huì)大幅提高。導(dǎo)熱橡膠因其特有的彈性，是其它導(dǎo)熱材料無(wú)法替代的，因此在某些領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但因其剛性較差，作為散熱器材料可能不太合適;導(dǎo)熱塑膠單獨(dú)或配以金屬嵌件做成的LED散熱器是最近開發(fā)成功的新一代LED散熱產(chǎn)品，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以達(dá)到壓鑄鋁散熱器的散熱效果，并且外表面絕緣，使用更加安全，是今後LED散熱器發(fā)展的方向。下面就幾種常見不同材質(zhì)的LED散熱器簡(jiǎn)單作一介紹。
1.鋁質(zhì)散熱器——目前較常見的LED散熱器主要是鋁質(zhì)散熱器，一般包括壓鑄鋁和拉伸鋁散熱器兩種。主要原因是金屬鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，比重小，易加工，價(jià)格便宜等。其中壓鑄鋁散熱器是目前最常用的，其導(dǎo)熱系數(shù)70-90W/m.K，外形較美觀，形狀可多變，價(jià)格適中;缺點(diǎn)是本身不絕緣，為了安全需要增加絕緣膠或套，而絕緣膠或套一般導(dǎo)熱較差，對(duì)散熱是不利的，同時(shí)成本也會(huì)增加。另外，壓鑄鋁散熱器模具成本較高，不利於新品的開發(fā);生產(chǎn)過(guò)程需要消耗較多的能源，并且二次加工成本偏大。拉伸鋁散熱器導(dǎo)熱系數(shù)200W/m.K左右，導(dǎo)熱很好，一次加工成本較低，但往往需要二次加工，二次加工成本較高，而且形式較單一，同樣需要增加絕緣處理，目前主要用於路燈及較大功率的室內(nèi)LED照明。
2.導(dǎo)熱塑膠散熱器——由國(guó)外幾家大公司開發(fā)出的導(dǎo)熱塑膠LED燈具散熱器，不僅解決了鋁質(zhì)散熱器本身不絕緣的問(wèn)題，而且散熱器的重量也有所減輕。目前生產(chǎn)LED散熱器導(dǎo)熱塑膠的公司主要有荷蘭的帝斯曼，沙特的SABIC，日本的東麗公司等。導(dǎo)熱塑膠主要是由尼龍、PBT等耐熱性好的塑膠加入高導(dǎo)熱的無(wú)機(jī)填料，如氮化鋁、氮化硼等組成;其本身導(dǎo)熱系數(shù)通常為通用塑膠的5-15倍，一般只有1-6W/m.K左右。現(xiàn)有導(dǎo)熱塑膠的產(chǎn)業(yè)化主要局限是成本很高，售價(jià)約合100-300元人民幣/Kg，制成散熱器的價(jià)格也比壓鑄鋁散熱器高，雖然在一些生產(chǎn)LED燈具的大公司如飛利浦公司等有一定應(yīng)用，但近期還無(wú)法大量替代鋁質(zhì)散熱器。
3.Thertrans導(dǎo)熱復(fù)合材料散熱器——是最近在市場(chǎng)上深受關(guān)注的新型LED散熱裝置，由上海合復(fù)新材料科技有限公司獨(dú)立開發(fā)完成。其散熱性能優(yōu)異類似于傳統(tǒng)金屬散熱器，具有類似導(dǎo)熱塑膠的電絕緣性能。更為表現(xiàn)突出的是，具有非常高效的工業(yè)化成型性能，可采用遠(yuǎn)低於金屬(600度)和傳統(tǒng)導(dǎo)熱塑膠(260度)的低溫加工成型技術(shù)(150度).Thertrans導(dǎo)熱復(fù)合材料散熱器一般由Therpoxy導(dǎo)熱復(fù)合材料和內(nèi)嵌金屬鋁件兩部分組成。鋁件采用沖壓鋁材，導(dǎo)熱系數(shù)200W/m.K以上，這種鋁嵌復(fù)合材料式散熱器的散熱性優(yōu)異，可以與壓鑄鋁散熱器的散熱效果接近或相當(dāng)，加工也相對(duì)容易。從測(cè)試結(jié)果(下圖)，Thertrans復(fù)合材料散熱器的散熱效果可以和相同形狀壓鑄鋁散熱器接近，或者說(shuō)相同形狀的Thertrans導(dǎo)熱塑膠散熱器和壓鑄鋁散熱器的熱阻基本一致。
除了導(dǎo)熱散熱性能優(yōu)勢(shì)外，Thertrans復(fù)合材料散熱器外形美觀，式樣多變，可用注塑機(jī)加工成型，其重量比相同形狀壓鑄鋁散熱器低三分之一左右，而且不必另外增加絕緣處理，甚至可以將螺紋口等與散熱器一起成型，有效減少了LED燈具生產(chǎn)廠家的組裝工序及成本。
Thertrans散熱器采用的Therpoxy導(dǎo)熱復(fù)合材料,其導(dǎo)熱系數(shù)約為3W/m.K左右，價(jià)格只有傳統(tǒng)高性能導(dǎo)熱塑膠的一半，甚至不到，材料具有導(dǎo)熱、絕緣、阻燃、耐熱、環(huán)保、耐老化、易成型、重量輕、價(jià)格較低等特點(diǎn)。其中阻燃可達(dá)到UL94V0@0.6mm，符合RoHS環(huán)保要求，表面耐擊穿電壓4000V以上，因此能較好地平衡產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的性能價(jià)格問(wèn)題，受到較好的市場(chǎng)認(rèn)可。
