LED作为一代新型的光源，其出光效率及寿命与芯片的工作温度具有直接的关系，散热问题历来是关注的焦点。无论LED芯片封装还是灯具设计应用，往往需要通过导热材料来释放LED所产生的热量，用于散热的成本也占据了系统成本约20%～30%的比重，寻求高性价比的散热解决方案也一直成为业者追求的目标。同时，随着LED照明应用迅猛发展，并走向大众消费者，灯具产品的自动化规模生产、成本控制、安全性、轻量化等要求也日益提高。
目前在LED照明光源和灯具生产中，发展较成熟的主要为传统金属铝材或陶瓷材料的散热系统(散热器)，这两种材料初始导热性能优良。但是，金属铝材成型工艺周期长、且材料本身导电等因素，不利于照明产品的多样化设计，也增加了达到安全要求的设计成本。而陶瓷材料虽然绝缘，但比重大、成型难度高，以及批量化生产不易实现也提高了其使用成本，给广泛应用带来了限制。有机导热塑料散热方案因设计灵活、绝缘、轻量化的特点，为LED照明产品的生产提供了一种新的思路和解决方案，近期在灯具设计生产中逐步得到企业的重视，正获得快速的发展。
一、导热塑料散热的机理
传统的设计观念认为，LED灯具要散热好就必须采用高导热率的金属散热器，但这个概念实际上并不完全正确。研究表明，物体散热主要受到材料的热传导能力、辐射能力及空气和散热器界面的自然对流三个主要因素影响，如图1所示。金属由于导热系数大，自然而然成为散热材料的重要考虑，塑料由于其导热系数小，所以长时间以来未被看好。不过，随着复合材料技术的发展，有机复合材料的导热性能通过改性获得大幅的提升，并且较金属材料有着更优良热辐射能力，综合的散热效果也逐步能够与金属材料媲美，并体现出更好的经济适用性。
图1 散热的基本原理
关于材料导热系数与温差的关系如图2所示，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。常规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。然而，在导热系数大于5时，甚至达到10以上时，散热则转变为由对流主导、属对流受限情况，尤其是当散热材料厚度在5mm及以下的情况下，导热系数对温度差的影响趋近于0，材料的导热系数对芯片结温的影响大幅减小。
图2 散热与材料导热系数和材料厚度的关系
此外，散热器的功能除了要能快速地把热量从发热源传导出到散热器的表面，最后还是要靠对流和辐射把热量转移到空气中。虽然金属本身的导热能力比塑料好，但是灯具外壳散热器的主要目的是把热量散发到空气中。导热系数高，只解决了热传导的问题，而散热则主要由散热面积、散热界面形状、自然对流和热辐射的能力决定，这些几乎和材料的导热无关。所以有机塑料只要具备了一定大小的热传导能力，加上较好的热辐射能力，同样可以成为良好的散热解决方案，见表1。也就是说，如果热量从热源到塑料散热器表面的距离小于5mm，那么只要散热器材料的导热系数大于5时，有机塑料在散热能力方面较金属材料的差别也就不再那么显著，使得实现金属替代成为可能。
二、导热塑料的优势分析
目前市场上LED照明产品采用的散热器几乎全部为金属材料或陶瓷材料，这类产品的散热器比重大。并且，铝材散热器生产过程中成型工序多(如压铸铝：需要经浇铸、压铸、打磨、抛光、镀镍、氮化的一系列工艺)、成型周期长、设备占据空间大。陶瓷材料则成型工艺更加复杂，外形单一且大规模自动化生产不易实现，成本也相对更高。与这常用的两种材料相比，采用有机导热塑料则体现出诸多的优势：
1.轻量化
纯铝的密度为2700kg/m3，铝合金的密度则更大，而导热塑料的密度一般在1500～2000kg/m3，采用导热塑料散热能够大幅的降低照明产品的重量(约30%～50%)，使得照明产品轻量化，有效的减少安装、运输的间接成本。
2.设计自由度高
设计的自由度是有机导热塑料的突出优点。铝材散热器的主要生产方法是压铸或拉伸成型，在生产过程中较难进行较复杂形状的加工。而有机塑料良好的流动性，可以生产很薄的部件，以及设计更加复杂的形状，还可以进一步实现产品轻量化。并且，注塑产品美观，光洁度好，可以在不需要后续喷涂、上色等工序的情况下实现产品颜色的多样化。
3.规模批量化生产
塑料导热材料可以一次成型，无需后加工，容易实现大规模批量化生产，实现规模效益。有效的减少了铝材料在挤出成型后的去毛边、镀镍等后道工序。同时，模具的耗损较铝合金等材料生产小，寿命长，减少了加工周期和成本。
4.安全并简化电源结构
铝散热器由于其高导电性，若采用非隔离式电源则很难通过耐高压方面的测试认证。塑料的绝缘特性，在耐高压测试方面具有绝对的优势，使得采用非隔离式电源生产灯具成为一种可能，不仅可以降低成本，使产品设计得更加小巧，更重要的是减少了用户使用过程中金属外壳导电可能产生的安全隐患。
此外，从全生命周期来看，有机复合材料更加环保，较金属材料生产所消耗的能源更少，生产过程污染小，符合国家节能减排、能源节约的需求。
三、市场竞争分析
导热塑料产品的生产技术路线大多选用工程塑料和通用塑料为基材，如PPS、PET、ABS、PP、PA(Nylon)、EP等。一般塑料的热导率只有0.2～0.3W/mK左右，通过在塑料中填充导热填料及后续工艺处理，有机复合材料的热导率可提升至1W/mK～20W/mK，达到传统塑料热导率的5～100倍。为了满足不同的场合应用要求，通过采用不同的基材和填料，导热塑料产品可以形成绝缘和非绝缘、阻燃和非阻燃、高韧性和高强度产品等多种类型。
近两年受大功率LED照明技术的飞速发展及灯具散热需求带动，国内外许多塑料公司积极加强LED灯具用导热塑料产品的开发，并且很多公司均作为重要战略业务来积极推动。国外方面，主要的代表性公司有荷兰DSM、美国Cool Polymers、意大利Laticonter、日本Kaneka、美国Sabic等。国内方面也有众多公司积极介入，主要有深圳卓尤、上海合复、东莞兆科、佛山宝利玛以及国邦睿源等公司。总体来说，国外公司研发历史长，技术处于较为领先的水平，产品成型性能好、并且能够提供较为完善的材料设计、原型设计、热学模拟等全方位的服务，但材料价格相对昂贵。国内公司近两三年才开始介入，在性能上与国外公司的尚有一定差距，但是国内企业占据地缘优势、服务响应优势和价格优势，未来发挥空间巨大。
1.荷兰DSM
荷兰DSM公司是第一次将有机导热塑料用于LED灯具散热外壳的公司，其聚酰胺复合物被用来塑造飞利浦的LED灯具的散热外壳。这是世界上第一款使用塑料代替铝做外壳的产品。自此之后，许多导热塑料公司便将自身的导热材料产品进行改良，并开始针对LED应用进行开发设计。目前DSM公司推出的导热塑料产品规格已经较为齐全，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。
2.美国Cool Polymers
美国Cool Polymers公司是专注于导热塑料和热转移方案的提供商，主要以树脂为基材，旗下品牌Coolpoly系列产品提供从2W/mK到100W/mK范围的导热塑料产品(测试标准ASTM E1461)，广泛应用于电子电器产品的散热。公司不仅提供导热塑料的树脂原料，也提供成型后的零部件，为客户提供从设计、建模、测试、原型设计和应用方面的全方位支持。
3.意大利Laticonter
LATI公司具有60多年的塑料行业经验，在聚合物改性方面有非常独到的技术，致力于生产高性能高技术含量的材料和金属替代品。LATI提供热传导率达到10～15W/mK的导热材料，这些材料的基材包括PP、PPS、PA等，其产品Laticonther52GR/70导热材料最近被用于意大利Fanton公司推出的可提供500lux光通的LED灯具上。
4.日本Kaneka
日本Kaneka公司是日本化工材料领域的龙头企业之一，其产品覆盖人造纤维、泡沫材料、食品添加剂、有机发光以及LED专用散热材料等，其开发的以PET为基材的HCP系列导热塑料产品，品类齐全，有导电和不导电、阻燃和非阻燃等多个产品体系，加工性能良好，目前其产品已经在韩国、我国台湾及大陆部分照明厂家中采用。
5.美国SABIC
SABIC(沙特基础工业公司)公司的高端塑料业务包括导热塑料源自于其收购的GE塑料公司(更名为SABIC创新塑料公司)，其Konduit品牌复合材料主要的应用目标市场为电机、发热器和其它线圈缠绕系统等。公司一直在特殊化合物的稳定性上作出努力，并且还准备开发非结晶Konduit产品。
6.深圳卓尤
卓尤集团是一家创建于2006年的中美合资企业，旗下的上海卓尤化工及深圳市卓尤新材料公司主要负责销售集团各类导热材料并提供技术支持。PAKCOOL®TPP-8130 、TPP-7130其专门针对LED应用开发的两款高绝缘、高强度的导热塑料产品，导热系数可达15W/mK(ASTM E1461测试标准)。TPP7130在PA66的基础上改性，不但具有导热绝缘阻燃的特性，并增强了柔韧性;TPP8130是在PP的基础上进行改性，针对LED日光灯管的应用，特别开发了可用于挤塑成型的绝缘导热材料。
7.上海合复
上海合复新材料科技有限公司是国内致力于LED用导热塑料开发生产创业型企业的代表，该公司定位于特殊用途复合高分子材料开发及应用。针对LED散热，其研发并推出了导热、绝缘、阻燃的Therpoxy材料，是基于环氧树脂为基材改性的为数不多的企业，导热系数达到3.6W/mK，并通过结合金属内嵌进行结构设计，推出了导热塑料散热器Thertrans系列样板产品，获得了与压铸铝散热器相近的散热能力。不过，环氧树脂材料属于热固性材料，对成型设备要求较高。
四、市场前景分析
LED用导热塑料市场的前景广阔，这也是吸引众多塑料化工企业进入的原因。以我国为例，我国是LED照明生产制造和应用大国，据中国照明电器协会统计，我国每年生产的照明产品数量近200亿只。2012年，白炽灯产量约45亿只。荧光灯数量约42亿只，未列名产品数量90多亿只(见表3)。
另据国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)旗下研究部门CSA Consulting调查统计，2012年我国通用照明产值约420亿元，较2011年300亿元增长40%，国内市场需求也出现较快速的提升。作为照明产品的全球制造基地，我国LED球泡灯、射灯、筒灯、直管灯、路灯等照明产品产量已经超过3亿只，其中，球泡灯、射灯产量比重超过50%。
图3 2012年我国LED照明产品中各类灯具的占比
随着世界各国白炽灯淘汰计划及采用高效节能产品的政策推动，按目前的发展速度来看，未来3-5年预计30%的传统照明产品有望被LED照明产品替代。2015年前后我国LED照明产品的生产规模有望超过30亿只。即使仅在球泡灯、蜡烛灯和射灯生产中，散热套件被有机导热材料套件替代率提升至10%，即有望带来每年至少3亿元的导热塑料市场需求。(按LED产品生产实际经验，单个LED照明产品散热配件消耗的铝型材重量约60～100g，而有机散热材料约20～50g，导热材料价格以市场普遍可接受价格7万元每吨粗略核算。)
五、发展趋势和挑战
CSA Consulting认为，目前LED灯具用导热塑料市场的发展总体来说尚处于初步阶段，导热塑料用于LED照明产品依然存在很多的困难要逐步解决：
首先，产品的价格依然是当前阻碍导热塑料广泛应用的关键因素。国外知名品牌的导热塑料产品价格基本在100元/kg以上，甚至超过200元/kg;国内产品的价格也在60～150元/kg之间，降低生产成本和价格是有机导热材料广泛应用的必然途径(铝锭约为15元/kg)。
其次，国内照明生产企业对导热塑料性能的认识和运用能力也尚不足。塑料散热灯具产品的设计能力亟需提升。目前，大多灯具设计工程师对散热系统的设计理念还停留在金属散热设计的思维中，往往模仿金属散热器进行导热塑料散热器设计，但是导热塑料散热需要导热距离短、辐射面积大，轻量化设计才能真正发挥出优势，很多时候甚至需要和金属内嵌件综合发挥作用，这就亟需加强对导热塑料产品性能的理解和认识，提升复合散热产品的设计能力。
第三，导热塑料推广的商业模式有待完善。传统的铝材散热和陶瓷散热供应链成熟，产业分工明确，尤其是成型加工行业成熟。而导热塑料刚刚进入市场，LED散热注塑厂家尚不成熟，原材料提供厂家不懂LED照明产品设计技术，而照明产品的设计师对新型材料的理解和认识又尚不足，设计出来的产品效果优势不明显，影响了照明厂家的信心，制约了导热塑料产品的运用和推广。此外，在推广早期，导热塑料产品尚缺乏好的设计样板，LED导热塑料散热器的的生产需另行开模，这就需要材料厂家、注塑厂家、照明厂家共同投入并完善设计，在商业模式上一起进行探索，抢占市场先机。
不过，LED用导热塑料市场未来的发展前景乐观。LED照明产品散热向塑料散热方向发展是必然趋势。目前国内许多照明大厂均在试水塑料散热产品，就单价来看，单位质量或同种形状的导热塑料散热器价格高于金属材料产品，但采用导热塑料进行LED灯具的生产，能够有效降低全生产周期的系统成本，提升厂家的生产效率和竞争力。尤其是随着LED照明应用的逐步成熟和市场规模持续扩大，规模化竞争成必然趋势，使用有机导热塑料进行散热器生产，规模效应显著，如图4所示;
图4 塑料散热LED照明产品规模化生产成本优势测算图
（说明：树脂1，与铝材散热器同种外形；树脂2，导热塑料经轻量化设计外形）
另外，随着LED光效的提升及产生的热量减少，LED散热的要求将逐步降低，导热塑料散热器将能够满足大多常规LED灯具的散热需求。预计不久将获得较为快速的发展，产业链分工也会进一步清晰。（本文选自《半导体照明》杂志第40期）
