LED行业塑料导热材料与铝材料对比报告
LED行业塑料导热材料与铝材料对比报告
王相军
LED是继白炽灯、荧光灯和HID灯之后的第四代新型光源。LED光源的出现和发展，将引发照明领域的一次革命，具有划时代的意义。概括的讲，LED具有以下几方面的优点:
①LED是环保性能最好的光源。LED的眩光少，光谱中没有多余的紫
外线和红外线，不含汞等有害物质，在运输、安装和使用中不会破碎，废弃物可回收，没有污染。
②LED为固态冷光源，十分坚固耐用寿命非常长。③单色性好，色彩鲜艳丰富，灯光清晰柔和，并且可任意混合，从而使
光色变幻多端。
④体积小，重量轻，应用灵活。⑤响应速度快。白炽灯加电后需140-200ms的时间才能达到设定亮度，
而LED通电后无需热启动时间，灯亮时间仅约60ns。
⑥发光效率高，能量消耗低，较同样发光效率的白炽灯可节电80%。基于以上优点，LED灯具将会是照明行业的一大发展趋势，用于室内照明的大功率LED灯具在数量上也将有很大的发展。一、LED灯具散热系统的作用当电流通过LED时，其PN结的温度将升高。结温的变化势必引起内部电子和空穴浓度、禁带宽度和电子迁移率等微观参数的变化，从而使LED的光输出、发光波长以及正向电压等宏观参数发生相应的变化。（禁带宽度是指一个能带
宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。）
实验发现，当LED结温升高时，发光材料的禁带宽度将减小，导致LED发生波长变长，颜色向红色偏移。当LED结温不超过其临界温度时，正向压降随温度的变化是可逆的。一旦LED的结温超过器件所能承受的最高临界温度时，LED的光输出特性将会永久性的衰减。
下图为结温不同时，光输出与时间的关系，其中，红色为结温74℃，蓝色为结温为63℃。
由图可见，当结温为74℃时，光输出衰减到50%所需时间为2年，而结温为63℃时，这一时间即增加到6年，可见结温对LED使用寿命的影响是非常巨大的。
综上所述，在LED灯具中，散热系统的作用就变的尤其重要。目前市场上大功率LED室内照明灯具的散热外壳基本全部为铝，塑料导热材料还处于初期起步阶段。飞利浦MASTERLEDMR16新式灯具成为了全球首例大功率LED应用，其铝制外壳被一种具有热传导性能的塑料Stanyl所取代，同样达到了散热的目的。
下面两张图片中的铝件虽然造型不同，起到的全部为散热作用，图一中灯具为大功率射灯，外壳为铝材料外表镀镍的散热系统，图二为蜡烛灯，中间部分为二次加工后用于散热的铝材料。
图一图二
下面图片中为飞利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散热外壳材料为帝斯曼公司心开发的导热塑料材料Stanyl。
二、导热塑料作为散热系统材料的可行性在散热系统方面，一直以来都是以铝作为材料。塑料由于其导热系数很小，不能满足散热要求，所从未用在LED散热领域。目前帝斯曼公司推出的新型导热塑料在保持一般塑料材料的优点基础上，增加了它的导热系数，使其导热系数达到一般塑料的10-50倍。铝材料的导热系数在200W/(mK)，关于材料导热系数与温度增加量的关系如下图所示：
由图可见，在导热系数小于5时，属于热传导受限的情况，这种情况下导热系数很小的变化都会造温度差很大的变化，一般的塑料导热系数都在1以下，所以如果用于散热系统将导致结温的迅速上升，必然会降低LED灯具的使用寿命。在导热系数大于5时，属于对流受限情况，由图可见当材料厚度在5mm及以下的情况下，导热系数对温度差的影响都是趋近于0，所以此时导热系数是5W/mK或者200W/mK对结温的影响已经相差不大了。为了满足不同情况下对材料导热
系数的要求，帝斯曼公司此次研发的新型导热塑料中材料的导热系数分不同等级，其中白色导热塑料的导热系数分别为2，4，6，8，而黑色的导热塑料的导热系数分别为10，15，最高可达18W/mK，可以满足一般大功率LED灯具对散热效果的要求。
三、塑料导热材料与铝材优劣对比
铝材料虽然作为散热系统技术方面已经比较成熟，但仍有一些不足，同样塑料导热材料也不是完全没有缺点，以下就是两者的优劣比较。首先是塑料导热材料相对铝来说存在的优点：
（1）质量轻在室内照明中，灯具的重量对多方面都有影响，比如重量增加会加大灯具的安装、运输难度，也会对人身安全造成隐患等。纯铝的密度为2700kg/m3，铝合金的密度将会更大，而导热塑料的密度为1420kg/m3左右，约为铝合金的一半，所以在外形相同的情况下，重量也仅为铝合金的一半左右。
（2）更加环保和安全在塑料外壳的生产过程中，几乎不会产生什么有毒污染，而铝壳在生产中经常会有电镀的工序，而电镀产生的废液中的金属会对水源和土壤造成严重的污染。安全方面塑料为绝缘材质，不用担心因为灯的外壳导电而产生的安全隐患。
（3）提高设计自由度塑料的流动性很好，所以可以生产很薄的部件，以及设计更加复杂的形状。铝壳的主要生产方法是压铸或拉伸成型，在生产过程中无法进行较复杂形状的加工。另外在表观效果来说，注塑产品会更加漂亮，还可以加上与其它企业不同的自身标志。
（4）加工方便，效率更高塑料导热材料与其他塑料件一样，可以一次成型，无需后加工，而且在注塑成型时，模具可设计为一出四，所以工作效率很高。铝材料在挤出成型后往往还要有去毛边的程序，如果对外形的要求比较高的话，铝材料还要进行镀镍等工序，加工周期还将增长。
（5）启动系统简化在外壳为铝合金时，由于外壳导电，内部必须采用隔离启动系统，塑料本身绝缘，没所以用作散热系统时可以采用非隔离启动系统，由于非隔离系统相对于隔离系统来说不仅成本较低而且体积较小，这样不仅可以降低成本而且所占空间会更小。
（6）降低系统成本就单价来说，单位质量的导热塑料价格必然是高于铝的，但系统成本却持平或较低，且数量越大，塑料的成本优势越明显。另外，塑料导热材料目前处于一个初级阶段，将来的价格随产业的发展和产品量的增加一定会降低，而铝作为有色金属的价格却不太可能有明显的降低。塑料降低成本主要体现在加工费用方面。
塑料散热外壳成本核算：目前塑料的单价大约在320元/公斤，假设每个散热外壳质量为10克，而塑料的加工成本大约占塑料本身材料价格的40%。每套模具造价为1万元，而每套模具在保证质量的情况下可以生产50万套外壳，那么塑料散热外壳总成本为：
320/1000*10*(1+0.4)+1/50=4.5
制作同样的铝散热外壳成本：铝合金密度稍大与铝，约为塑料两倍。目前用于制造散热外壳的型材价格约为30元/公斤，加工费用按设计的繁简程度有所不同，一般加工费用为材料本身价格的4-5倍甚至更高,所以仅材料和加工费用为：
30/1000*20*(1+4)=3
铝壳还要进行后期的去毛边处理，另外铝壳表面进行氧化的费用也随壳体大小、形状等有变化，壳体很小时由于表面积大，电耗大价格甚至达到2元/个，
即使壳体很大，也要3元/公斤，另外部分铝壳为了外观问题还要进行镀镍处理，这些费用的总计都随铝壳的大小，形状复杂程度的不同而有所变化，所以铝壳的总成本不会小于塑料散热系统。另外非隔离系统和隔离系统造成的成本的降低以及空间减小造成的材料成本的降低也没有具体数字。
但是塑料导热材料与铝相比也会有劣势：
（1）导热系数较低塑料的散热系数始终比铝低很多，所以即使散热效果能够达到要求，灯的温度也会比铝壳稍高。
（2）数量较小时成本问题以上的成本计算是建立在量比较大的情况下，如果量小时，塑料导热材料的模具成本体现在每一个上面就会比较大，而铝壳的使用厂家由于加工难度大一般会直接采购成品，不会有模具方面而导致的成本的问题。
（3）市场接受度铝一直以来都是作为散热系统的材料，但塑料作为散热材料才刚刚起步，目前市场上也只有飞利浦公司推出了产品。所以很多厂家目前会难以接受，不太愿意尝试，进行开模。
扩展阅读：LED行业塑料导热材料与铝材料对比报告
当LED结温升高时，发光材料的禁带宽度将减小，导致LED发生波长变长，颜色向红色偏移。当LED结温不超过其临界温度时，正向压降随温度的变化是可逆的。一旦LED的结温超过器件所能承受的最高临界温度时，LED的光输出特性将会永久性的衰减。
LED是继白炽灯、荧光灯和HID灯之后的第四代新型光源。LED光源的出现和发展，将引发照明领域的一次革命，具有划时代的意义。概括的讲，LED具有以下几方面的优点:
①LED是环保性能最好的光源。LED的眩光少，光谱中没有多余的紫外线和红外线，不含汞等有害物质，在运输、安装和使用中不会破碎，废弃物可回收，没有污染。
②LED为固态冷光源，十分坚固耐用寿命非常长。
③单色性好，色彩鲜艳丰富，灯光清晰柔和，并且可任意混合，从而使光色变幻多端。
④体积小，重量轻，应用灵活。
⑤响应速度快。白炽灯加电后需140-200ms的时间才能达到设定亮度，而LED通电后无需热启动时间，灯亮时间仅约60ns。
⑥发光效率高，能量消耗低，较同样发光效率的白炽灯可节电80%。
基于以上优点，LED灯具将会是照明行业的一大发展趋势，用于室内照明的大功率LED灯具在数量上也将有很大的发展。
一、LED灯具散热系统的作用
当电流通过LED时，其PN结的温度将升高。结温的变化势必引起内部电子和空穴浓度、禁带宽度和电子迁移率等微观参数的变化，从而使LED的光输出、发光波长以及正向电压等宏观参数发生相应的变化。（禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。）
实验发现，当LED结温升高时，发光材料的禁带宽度将减小，导致LED发生波长变长，颜色向红色偏移。当LED结温不超过其临界温度时，正向压降随温度的变化是可逆的。一旦LED的结温超过器件所能承受的最高临界温度时，LED的光输出特性将会永久性的衰减。
下图为结温不同时，光输出与时间的关系，其中，红色为结温74℃，蓝色为结温为63℃。
由图可见，当结温为74℃时，光输出衰减到50%所需时间为2年，而结温为63℃时，
这一时间即增加到6年，可见结温对LED使用寿命的影响是非常巨大的。
综上所述，在LED灯具中，散热系统的作用就变的尤其重要。目前市场上大功率LED室内照明灯具的散热外壳基本全部为铝，塑料导热材料还处于初期起步阶段。飞利浦MASTERLEDMR16新式灯具成为了全球首例大功率LED应用，其铝制外壳被StanylTC导热塑料所取代，同样达到了散热的目的。
下面两张图片中的铝件虽然造型不同，起到的全部为散热作用，图一中灯具为大功率射灯，外壳为铝材料外表镀镍的散热系统，图二为蜡烛灯，中间部分为二次加工后用于散热的铝材料。
下面图片中为飞利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散热外壳材料为帝斯曼公司开发的StanylTC导热塑料。
二、导热塑料作为散热系统材料的可行性
在散热系统方面，一直以来都是以铝作为材料。塑料由于其导热系数很小，不能满足散热要求，所从未用在LED散热领域。目前帝斯曼公司推出的新型导热塑料在保持一般塑料材料的优点基础上，增加了它的导热系数，使其导热系数达到一般塑料的10-50倍。铝材料的导热系数在200W/(mK)，关于材料导热系数与温度增加量的关系如下图所示：
由图可见，在导热系数小于5时，属于热传导受限的情况，这种情况下导热系数很小的变化都会造温度差很大的变化，一般的塑料导热系数都在1以下，所以如果用于散热系统将导致结温的迅速上升，必然会降低LED灯具的使用寿命。在导热系数大于5时，属于对流受限情况，由图可见当材料厚度在5mm及以下的情况下，导热系数对温度差的影响都是趋近于0，所以此时导热系数是5W/mK或者200W/mK对结温的影响已经相差不大了。为了满足不同情况下对材料导热系数的要求，帝斯曼公司此次研发的新型导热塑料中材料的导热系数分不同等级，其中白色导热塑料的导热系数分别为2，4，6，8，而黑色的导热塑料的导热系数分别为10，15，最高可达18W/mK，可以满足一般大功率LED灯具对散热效果的要求。
三、塑料导热材料与铝材优劣对比
铝材料虽然作为散热系统技术方面已经比较成熟，但仍有一些不足，同样塑料导热材料也不是完全没有缺点，以下就是两者的优劣比较。首先是塑料导热材料相对铝来说存在的优点：
（1）质量轻在室内照明中，灯具的重量对多方面都有影响，比如重量增加会加大灯具的安装、运输难度，也会对人身安全造成隐患等。纯铝的密度为2700kg/m3，铝合金的密度将会更大，而导热塑料的密度为1420kg/m3左右，约为铝合金的一半，所以在外形相同的情况下，重量也仅为铝合金的一半左右。
（2）更加环保和安全在塑料外壳的生产过程中，几乎不会产生什么有毒污染，而铝壳在生产中经常会有电镀的工序，而电镀产生的废液中的金属会对水源和土壤造成严重的污染。安全方面塑料为绝缘材质，不用担心因为灯的外壳导电而产生的安全隐患。在耐高压测试方面，塑料具有绝对的优势。
（3）提高设计自由度塑料的流动性很好，所以可以生产很薄的部件，以及设计更加复杂的形状。铝壳的主要生产方法是压铸或拉伸成型，在生产过程中无法进行较复杂形状的加工。另外在表观效果来说，注塑产品会更加漂亮，还可以加上与其它企业不同的自身标志。
（4）加工方便，效率更高塑料导热材料与其他塑料件一样，可以一次成型，无需后加工，而且在注塑成型时，模具可设计为一出四，所以工作效率很高。铝材料在挤出成型后往往还要有去毛边的程序，如果对外形的要求比较高的话，铝材料还要进行镀镍等工序，加工周期还将增长。
（5）启动系统简化在外壳为铝合金时，由于外壳导电，内部必须采用隔离启动系统，塑料本身绝缘，没所以用作散热系统时可以采用非隔离启动系统，由于非隔离系统相对于隔离系统来说不仅成本较低而且体积较小，这样不仅可以降低成本而且所占空间会更小。
（6）降低系统成本就单价来说，单位质量的导热塑料价格必然是高于铝的，但系统成本却持平或较低，且数量越大，塑料的成本优势越明显。另外，塑料导热材料目前处于一个初级阶段，将来的价格随产业的发展和产品量的增加一定会降低，而铝作为有色金属的价格却不太可能有明显的降低。塑料降低成本主要体现在加工费用方面。
但是塑料导热材料与铝相比也会有劣势：
（1）导热系数较低塑料的散热系数始终比铝低很多，所以即使散热效果能够达到要求，灯的温度也会比铝壳稍高。
（2）数量较小时成本问题以上的成本计算是建立在量比较大的情况下，如果量小时，塑料导热材料的模具成本体现在每一个上面就会比较大，而铝壳的使用厂家由于加工难度大一般会直接采购成品，不会有模具方面而导致的成本的问题。
（3）市场接受度铝一直以来都是作为散热系统的材料，但塑料作为散热材料才刚刚起步，目前市场上也只有飞利浦公司推出了产品。所以很多厂家目前因担心风险，因而不太愿意尝试开模
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