導熱塑料和塑包鋁應用研究

鄭兆勇，薛元芳

（賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103）

0 引 言

LED照明產(chǎn)品的散熱器通常采用鋁合金或陶瓷材料。鋁合金散熱器成型工序步驟多、時間長、需要機械設備多；陶瓷散熱器成型工藝更加復雜，不易實現(xiàn)實現(xiàn)大規(guī)模、自動化生產(chǎn)，成本也較高。從全生命周期看，導熱塑料更加環(huán)保。每年LED光效都有提升，發(fā)熱功率減少，對LED散熱的要求將會降低，導熱塑料散熱器將能夠滿足小功率LED燈具的散熱需求。目前，它在LED球泡燈上已有廣泛使用。本文將通過實驗數(shù)據(jù)分析，理清導熱塑料的優(yōu)劣勢。

1 概 念

1.1 導熱塑料

利用導熱填料對高分子基體材料進行均勻填充，提高其導熱性能。導熱塑料分為兩類——導熱絕緣塑料和導電塑料[1]。導熱塑料的主要成分包括基體材料和填料。基體材料是PPS、PA6、PA66、PC、PP、LCP、PPA以及PEEK等，填料有SiC、Al2O3、AlN、石墨、鱗片狀高導熱碳粉以及纖維狀高導熱碳粉等

1.2 導熱系數(shù)

導熱系數(shù)是在穩(wěn)定的傳熱條件下，1 m厚度的材料在其兩側表面的溫度差為1 ℃。1 s內(nèi)通過1 m2面積傳遞的熱量，用符號λ表示，單位是W/（m·℃）或W/（m·K）。

1.3 塑包鋁

鋁材質作為嵌件，通過注塑工藝在外面注塑一層塑料外殼，即有2層，里面一層是鋁材，外面是塑料。塑料包著鋁材，所以名為塑包鋁，其中鋁材作為導體介質，塑料作為散熱介質，通過鋁材快速把LED的熱量導到塑料散出去。

2 導熱塑料與普通塑料及鋁材的對比

2.1 導熱塑料與普通塑料機械性能對比

從沖擊強度和斷列應力比較導熱塑料和普通塑料，如表1所示，可見普通塑料機械強度性能更佳。

表1 導熱塑料與普通塑料機械性能對比

2.2 導熱塑料與鋁型材的優(yōu)勢對比

導熱塑料在產(chǎn)品設計中具有以下優(yōu)勢[2]。

（1）單位重量輕。導熱塑料的密度約為1.6 g/m3；純鋁的密度是2.7 g/m3，約為鋁合金的一半，而鋁合金的密度將會更大。實際應用中，燈具的重量將會對很多方面產(chǎn)生影響，如增加重量會增加燈具的運輸、安裝難度及成本等。

（2）絕緣。燈具設計中對爬電距離有要求，絕緣的導熱塑料減小了設計難度，且進行耐高壓等級測試，塑料有絕對優(yōu)勢。

（3）更易設計。塑料可以用注塑工藝實現(xiàn)產(chǎn)品設計，以實現(xiàn)復雜的產(chǎn)品形狀。鋁合金外殼的主要生產(chǎn)工藝是壓鑄和拉伸成型。它的工藝特點決定了生產(chǎn)中它無法實現(xiàn)較復雜的形狀。

（4）加工效率高。注塑成型可以出很多模數(shù)，且無須后續(xù)加工，工作效率高，適合批量生產(chǎn)。鋁材料在擠出成型后往往還有很多后加工，加工費用和加工時間都會較多。

（5）電路適用非隔離設計。由于安全距離更好做，非隔離設計比隔離設計成本低、體積小，可以估出更小、更薄的高壓燈具。

（6）可以降低系統(tǒng)成本，在原材料上雖然單位質量的導熱塑料價格高于鋁合金價格，但是由于加工工藝簡單系統(tǒng)成本可以持平或較低，且隨著批量加大，導熱塑料的成本優(yōu)勢更加明顯。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)量的增加，將來的價格一定會降低，而鋁合金材料比較成熟，材料成本變化不大。

2.3 導熱系數(shù)的對比

導熱塑料與普通塑料及鋁材的導熱系數(shù)對比[3]，如表2所示。

表2 導熱系數(shù)對比

3 應用領域

塑包鋁工藝適用圓形表貼燈、嵌燈、筒燈等小型燈具，以及一些對造型散熱有要求的電源產(chǎn)品，不適用于長條形燈具。根據(jù)工藝特點，塑包鋁是在注塑工藝中嵌入鋁，所以適用于一些能夠用注塑工藝實現(xiàn)的產(chǎn)品[4]；用于價格要求低的產(chǎn)品，原來產(chǎn)品外殼由純機加工方式制成，改塑包鋁后可明顯降低價格；從絕緣性能考慮，在一些高壓非隔離燈具上，更易做到小尺寸及安全距離；有造型和散熱要求的電源產(chǎn)品，其普通塑料和金屬外殼不能滿足要求的地方。

4 試驗方案和試驗數(shù)據(jù)

4.1 方案模型A

4.1.1 方 案

高壓燈具，直徑為65 mm，高度16 mm，功率為3 W，工作環(huán)境35 ℃，分別采用機加工（材料AL6061）和塑包鋁（AL6061+TC155）做了溫度測試，如圖1和圖2所示。

圖1 鋁外殼

圖2 塑包鋁外殼

4.1.2 溫度測試結果

溫度測試結果，如表3所示。塑包鋁方案的中心，LED引腳溫度高約0.5 ℃。在LED壽命溫度范圍內(nèi)，與純金屬外殼方案散熱效果相當，可以大幅降低成本，且更易控制爬電距離。

表3 溫度測試結果（/℃）

4.2 方案模型B

4.2.1 方 案

低壓表貼燈具，直徑為60 mm，高度8.8 mm，功率為3 W，工作環(huán)境35 ℃，分別選擇全塑料（PC2807）、普通塑料包鋁（AL6061+TC2807）、導熱塑料包鋁（AL6061+TC155）和純鋁4種外殼進行溫度測試，如圖3所示。

4.2.2 溫度測試結果

溫度測試結果，如表4所示。可以看出，在燈功率為3 W時，導熱塑料包鋁的效果完全可以替代鋁的效果。

4.3 方案模型 C

4.3.1 方 案

電源電壓220 V，功率75 W，分別用金屬鋁板嵌入塑料外殼外表面、金屬鋁板嵌入塑料外殼內(nèi)表面和塑料外殼進行溫度試驗，如圖4～圖6所示。

圖3 4種外殼的溫度測試

圖4 金屬鋁板

圖5 塑料外殼

圖6 實物圖

4.3.2 溫度測試結果

溫度測試結果，如表5所示。采用金屬鋁板嵌入塑料外殼外表面的方案，電源散熱略有改善，不明顯，原因是中間有空氣層和塑料層阻隔，導致沒有更好地發(fā)揮鋁板的熱擴散和散熱能力。

表4 溫度測試結果（/℃）

表5 溫度測試結果（/℃）

采用金屬鋁板嵌入塑料外殼內(nèi)表面方案，電源散熱改善明顯，Tc溫度下降了5 ℃，內(nèi)部MOS管溫度也下降了5 ℃。

4.4 方案模型D

4.4.1 方 案

電源電壓220 V，功率55 W，分別用普通塑料PC2807和導熱塑料TC155進行溫度對比測試。測試設備為熱紅外成像儀FLIR Systems AB，見圖7。

4.4.2 溫度測試結果

溫度測試結果，如表6所示。采用導熱塑料TC點及內(nèi)部關鍵熱點溫度都有所降低；對于熱比較集中的電源，溫度降低更明顯；由于是導熱塑料，材料強度較差，很容易斷裂，不適用于較薄的產(chǎn)品。

表6 溫度測試結果 （/℃）

5 結 論

文中通過不同的方案模型進行實驗分析得出實驗數(shù)據(jù)：在小型燈具、電源上使用導熱塑料或塑包鋁，溫度有降低；在功率密度一樣的情況下，使用導熱塑料或塑包鋁產(chǎn)品體積可以做得更小。要注意的是，由于導熱塑料沖擊強度較弱，不適用于對力要求較高的結構。