LED

随着温室气体排放引起全球气温变暖，人们增强了节能环保意识。新型节能电致发光二极管（LED）的使用备受国际社会的关注。由于LED具有体积小、发光效率高、能耗低、亮度高、环保等优点，各国政府加大对LED研发的资金资助和相应政策支持。在过去十年中，LED技术得到了快速发展。目前LED已在广告媒体视频屏幕、汽车车灯、背光光源、标识与指示性照明、景观照明、室内照明（白色LED）领域得到了广泛应用。

　　~20%的能量转变成光，余下80%~85%的电能均转变成热。如果不能将集中在尺寸仅为1mmX1mmX0.25mm芯片内的热量及时散逸出去，则会导致芯片温度升高和应力分布不均匀。当LED的结点温度超过器件能承受的最高温度时，LED的光输出特性将会永久性的衰减。研究表明，LED的工作温度从63T：升至74T：，LED的使用寿命少了―般PN结点温度不能超过110T：，随着PN结点温度上升，发光材料的禁带宽度减小，导致LED发光光波向红波长方向位移，使白光色度变差。驱动LED工作的半导体器件允许工作温度低于100T：，当LED器件温度上升到120T：时，亮度下降35%且引起高分子结构材料的降解7.导热塑料是解决LED芯片散热的优选材料，它可以把LED发光产生的热量及时导出，有效地降低结点温度。因此，导热塑料的研制和应用也是今后LED在市场获得发展的关键问题。

　　笔者主要讨论HPLED灯具所选用的导热塑料，介绍国外导热塑料的主要生产厂商和国内导热塑料的最新研究进展，以供实际应用。

　　1导热塑料在LED中的应用导热塑料可以制作LED部件如外壳、散热器、基板、反射器、插件和其它部件等。近几年来国际上许多塑料公司研发出了多种导热塑料，大多选用工程塑料和通用塑料为基材，如塑料的热导率只有0.2WKmK）左右，如果在塑料中填充导热填料，其热导率可在1W/（mK）~20W/（mK）左右，是传统塑料热导率的5~100倍。导热填料可分为导热无机绝缘填料和导热非绝缘填料两大类。导热无机绝缘填料有Al23、BN、AlN、ZnO、MgO等；非绝缘导热塑料填料有导电率和热导率均较高的金属粉、石墨、炭黑、碳纤维等。前者与塑料基体相互混合可制成导热绝缘塑料，后者为导热非绝缘塑料。

　　导热塑料可以取代传统的铝做成散热器。导热塑料的密度要比铝轻，差不多为铝的半，所以塑料散热器的质量只有铝散热器的1/2.塑料散热器可用注射成型加工，其成型周期可以缩短20%~50%.而用导热绝缘塑料散热器就可以采用非隔离式电源而不必担心其安全问题。塑料散热器的唯一缺点是单价比较贵，所以目前还不适用于LED路灯一类大型LED散热器中，而只适合于室内小功率LED灯具。

　　1.1LED灯具外壳用导热塑料塑料的热导率一般在0. 14~0.34，属于介电绝缘材料，美国CoolPolymer公司于2000年开发导热塑料并建立第一条工业化生产线，在电器、医疗、航空航天、汽车、照明、笔记本电脑中广泛应用，随后各国塑料公司都开展了导热塑料的生产。目前，国外生产导热塑料的主要厂商和产品牌号，见表1.表1国外生产导热塑料的主要厂商和产品牌号公司聚合物牌号热导率/应用板插件散热器基板外壳，反射器散热器散热外壳LED塑料包装灯支架，插口散热外壳，部件散热外壳散热器用塑料代替铝做LED灯具外壳，首先要注意选用的塑料要有较高的散热性能，即较高的热导率，同时具备高强度。LED用工程塑料的性能见表2.从表2可看出，这些工程塑料都有高熔点和优良的力学性能，这是因为灯具外壳并没有散热翅片，为减少壳体热阻，要求薄壁壳体，所选用的塑料必须具有高熔点、高模量和高强度，并能经受多次高低温循环试验。

　　表2 LED灯具用工程塑料主要性能项目聚合物生产厂商密度/熔点/t热变形温度/t热导率/W（m拉伸弹性模量/GPa缺口冲击强度/体积电阻率/ 1.2LED灯具中的其它塑料部件LED灯具中的塑料部件还有反射器、手柄、紧固部件、接口、滑动部件、风扇叶片、操作部件、光孔道等。这些部件除了选用上述工程塑料外还可选用聚碳酸酯（PC）、PBT、聚甲醛（POM）、增强PP等注射成型。大功率LED封装结构中各种材料的热导率见表3，传热示意图见。

　　表3大功率LED灯具中各种材料的热导率名称材料热导率/密度/g半导体芯片衬底兰宝石塑料外壳手柄，插口封装材料环氧树脂界面材料硅橡胶/PET基板陶瓷金属芯印刷电路板引线、引脚热沉中，芯片（GaN）封装在添加荧光粉的环树脂中，芯片衬底是蓝宝石（AI2O3），LED模块用粘合剂粘贴在导热LED封装和传热结构示意图基板（Cu）上，芯片顶端引线将LED产生的热量直接导入导热基板。基板用导热粘合胶与系统电路板平整贴合，系统电路板与热沉（Al）之间是一层导热绝缘弹性体薄膜（热界面材料）。LED发光产生的热通道向下传递到热沉，最后与导热塑料灯壳进行热交换将热量散逸到环境中荷兰DSM公司推出了PA46，它与PA66有相似的分子结构，但具有更高的结晶温度（295T.DSM公司的Stanyl TC是新型的导热材料，除用PA46外，还包括PPS、PCL等耐高温塑料，它们具有优异的热传导特性和力学、抗化学药品腐蚀、易加工成型、更大的设计自由度等性能，使其可以取代陶瓷、金属等材料。

　　CoolPolymers公司的导热塑料据称是LED热管理的理想材料，它具有低的线性膨胀系数和优异的力学性能。Cool Polymers公司的D5506（LCD）、E5101（PPS）和E3603（PA46）已用于LED的模板、外壳、热沉。CoolPolymers公司已为笔记本电脑制造商提供了热导率高达1WKmk）的导热导电材料。

　　市场，热导率为（3 ~3.5）W/（mK），主要应用于汽车、电子、医学、航空等领域。

　　由于聚烯烃价格较低，密度较小，许多研究工作者致力于聚烯烃改性，如以PPGF35取代PA6GF30.研究结果表明，GF增强PP复合材料可以具有好的热稳定性，但其力学和化学性能尚未达到PAGF30的性能指标用有限元模型（FEM）分析，以不同热沉、PCB和芯片尺寸模拟LED的组装结构，模拟结果将为LED新产品的开发提供设计依据。

　　国内对工程导热塑料的研究较晚，与国外大型塑料公司有较大差距。国内导热高分子复合材料没有报道高热导率102工程塑料应用通过将PPS与大颗粒MgO（45 ~355pm）混合经双螺杆挤出机挤出造粒制备了导热绝缘塑料，研究了导热性能与化镁填充量的关系。实验发现，在填充量达到80%时，热导率可达3.4WKm，k），此样品仍然可注射成型，且具有良好的力学性能。

　　刘运春等20以微米级三化二铝（Al23）为导热填料，制备了PPS/AI2O3导热复合材料，研究了硅烷偶联剂表面改性对PPS/AI2O3复合材料力学性能和导热MgO性能的影响。研究表明，当AI2O3的质量分数为70%时，未改性和改性AI2O3填充PPS导热复合材料的热导率分别达到2.覃碧勋等21对PPS/MgO导热绝缘塑料的性能进行了研究，通过双螺杆挤出机将PPS与MgO（45~630pm）混合挤出，同时添加玻璃纤维挤出造粒制备了玻纤增强导热绝缘塑料，分析了导热性能与MgO填充量的关系。结果表明，玻璃纤维替代部分MgO后，导热性能有所降低，但拉伸强度和冲击强度等力学性能得到提升。偶联剂KH-560用量在MgO量的0.5%时可提高材料的热导率和拉伸强度。

　　热导率的正确预测对复合材料的设计、制备和性能至关重要。国内外研究工作者对导热高分子复合材料的导热机理、导热模型作了论述，用不同的理论导热模型和计算方法计算了高分子导热塑料的热导率，并与实验结果相比较，实验结果发现大多数理论模型预测的热导率与实测值有―定偏离。应结合具体复合体系和不同的影响因素来选择合理的导热模型和计算方法，以达到适合于特定体系的预测目的。陈元武等通过PA66与大粒径MgO共混经双螺杆挤出机挤出制备了导热绝缘塑料。在MgO填充量为70%时，热导率达到1.9W/（mK），同时仍保持较好的力学性能和一定的电绝缘性能。

　　3结语降低LED结构热阻、改进导热塑料的热管理能力、降低系统价格和研发具有优良综合性能的高分子导热塑料以取代LED中的金属部件是今后研究方向之。