LED燈具用有機導(dǎo)熱塑料市場前景樂觀

LED作為一代新型的光源，其出光效率及壽命與芯片的工作溫度具有直接的關(guān)系，散熱問題歷來是關(guān)注的焦點。無論LED芯片封裝還是燈具設(shè)計應(yīng)用，往往需要通過導(dǎo)熱材料來釋放LED所產(chǎn)生的熱量，用于散熱的成本也占據(jù)了系統(tǒng)成本約20%～30%的比重，尋求高性價比的散熱解決方案也一直成為業(yè)者追求的目標。同時，隨著LED照明應(yīng)用迅猛發(fā)展，并走向大眾消費者，燈具產(chǎn)品的自動化規(guī)模生產(chǎn)、成本控制、安全性、輕量化等要求也日益提高。

目前在LED照明光源和燈具生產(chǎn)中，發(fā)展較成熟的主要為傳統(tǒng)金屬鋁材或陶瓷材料的散熱系統(tǒng)(散熱器)，這兩種材料初始導(dǎo)熱性能優(yōu)良。但是，金屬鋁材成型工藝周期長、且材料本身導(dǎo)電等因素，不利于照明產(chǎn)品的多樣化設(shè)計，也增加了達到安全要求的設(shè)計成本。而陶瓷材料雖然絕緣，但比重大、成型難度高，以及批量化生產(chǎn)不易實現(xiàn)也提高了其使用成本，給廣泛應(yīng)用帶來了限制。有機導(dǎo)熱塑料散熱方案因設(shè)計靈活、絕緣、輕量化的特點，為LED照明產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一種新的思路和解決方案，近期在燈具設(shè)計生產(chǎn)中逐步得到企業(yè)的重視，正獲得快速的發(fā)展。

一、導(dǎo)熱塑料散熱的機理

傳統(tǒng)的設(shè)計觀念認為，LED燈具要散熱好就必須采用高導(dǎo)熱率的金屬散熱器，但這個概念實際上并不完全正確。研究表明，物體散熱主要受到材料的熱傳導(dǎo)能力、輻射能力及空氣和散熱器界面的自然對流三個主要因素影響，如圖1所示。金屬由于導(dǎo)熱系數(shù)大，自然而然成為散熱材料的重要考慮，塑料由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，所以長時間以來未被看好。不過，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，有機復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能通過改性獲得大幅的提升，并且較金屬材料有著更優(yōu)良熱輻射能力，綜合的散熱效果也逐步能夠與金屬材料媲美，并體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟適用性。

圖1 散熱的基本原理

關(guān)于材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫差的關(guān)系如圖2所示，在導(dǎo)熱系數(shù)小于5時，屬于熱傳導(dǎo)受限的情況，這種情況下導(dǎo)熱系數(shù)很小的變化都會造溫度差很大的變化。常規(guī)的塑料導(dǎo)熱系數(shù)都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導(dǎo)致結(jié)溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。然而，在導(dǎo)熱系數(shù)大于5時，甚至達到10以上時，散熱則轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪α髦鲗?dǎo)、屬對流受限情況，尤其是當散熱材料厚度在5mm及以下的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)對溫度差的影響趨近于0，材料的導(dǎo)熱系數(shù)對芯片結(jié)溫的影響大幅減小。

圖2 散熱與材料導(dǎo)熱系數(shù)和材料厚度的關(guān)系

此外，散熱器的功能除了要能快速地把熱量從發(fā)熱源傳導(dǎo)出到散熱器的表面，最后還是要靠對流和輻射把熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。雖然金屬本身的導(dǎo)熱能力比塑料好，但是燈具外殼散熱器的主要目的是把熱量散發(fā)到空氣中。導(dǎo)熱系數(shù)高，只解決了熱傳導(dǎo)的問題，而散熱則主要由散熱面積、散熱界面形狀、自然對流和熱輻射的能力決定，這些幾乎和材料的導(dǎo)熱無關(guān)。所以有機塑料只要具備了一定大小的熱傳導(dǎo)能力，加上較好的熱輻射能力，同樣可以成為良好的散熱解決方案，見表1。也就是說，如果熱量從熱源到塑料散熱器表面的距離小于5mm，那么只要散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于5時，有機塑料在散熱能力方面較金屬材料的差別也就不再那么顯著，使得實現(xiàn)金屬替代成為可能。

二、導(dǎo)熱塑料的優(yōu)勢分析

目前市場上LED照明產(chǎn)品采用的散熱器幾乎全部為金屬材料或陶瓷材料，這類產(chǎn)品的散熱器比重大。并且，鋁材散熱器生產(chǎn)過程中成型工序多(如壓鑄鋁：需要經(jīng)澆鑄、壓鑄、打磨、拋光、鍍鎳、氮化的一系列工藝)、成型周期長、設(shè)備占據(jù)空間大。陶瓷材料則成型工藝更加復(fù)雜，外形單一且大規(guī)模自動化生產(chǎn)不易實現(xiàn)，成本也相對更高。與這常用的兩種材料相比，采用有機導(dǎo)熱塑料則體現(xiàn)出諸多的優(yōu)勢：

　　1.輕量化

純鋁的密度為2700kg/m3，鋁合金的密度則更大，而導(dǎo)熱塑料的密度一般在1500～2000kg/m3，采用導(dǎo)熱塑料散熱能夠大幅的降低照明產(chǎn)品的重量(約30%～50%)，使得照明產(chǎn)品輕量化，有效的減少安裝、運輸?shù)拈g接成本。

2.設(shè)計自由度高

設(shè)計的自由度是有機導(dǎo)熱塑料的突出優(yōu)點。鋁材散熱器的主要生產(chǎn)方法是壓鑄或拉伸成型，在生產(chǎn)過程中較難進行較復(fù)雜形狀的加工。而有機塑料良好的流動性，可以生產(chǎn)很薄的部件，以及設(shè)計更加復(fù)雜的形狀，還可以進一步實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。并且，注塑產(chǎn)品美觀，光潔度好，可以在不需要后續(xù)噴涂、上色等工序的情況下實現(xiàn)產(chǎn)品顏色的多樣化。

3.規(guī)模批量化生產(chǎn)

塑料導(dǎo)熱材料可以一次成型，無需后加工，容易實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)，實現(xiàn)規(guī)模效益。有效的減少了鋁材料在擠出成型后的去毛邊、鍍鎳等后道工序。同時，模具的耗損較鋁合金等材料生產(chǎn)小，壽命長，減少了加工周期和成本。

　　4.安全并簡化電源結(jié)構(gòu)

鋁散熱器由于其高導(dǎo)電性，若采用非隔離式電源則很難通過耐高壓方面的測試認證。塑料的絕緣特性，在耐高壓測試方面具有絕對的優(yōu)勢，使得采用非隔離式電源生產(chǎn)燈具成為一種可能，不僅可以降低成本，使產(chǎn)品設(shè)計得更加小巧，更重要的是減少了用戶使用過程中金屬外殼導(dǎo)電可能產(chǎn)生的安全隱患。

此外，從全生命周期來看，有機復(fù)合材料更加環(huán)保，較金屬材料生產(chǎn)所消耗的能源更少，生產(chǎn)過程污染小，符合國家節(jié)能減排、能源節(jié)約的需求。

三、市場競爭分析

導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)路線大多選用工程塑料和通用塑料為基材，如PPS、PET、ABS、PP、PA(Nylon)、EP等。一般塑料的熱導(dǎo)率只有0.2～0.3W/mK左右，通過在塑料中填充導(dǎo)熱填料及后續(xù)工藝處理，有機復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可提升至1W/mK～20W/mK，達到傳統(tǒng)塑料熱導(dǎo)率的5～100倍。為了滿足不同的場合應(yīng)用要求，通過采用不同的基材和填料，導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品可以形成絕緣和非絕緣、阻燃和非阻燃、高韌性和高強度產(chǎn)品等多種類型。[!--empirenews.page--]

近兩年受大功率LED照明技術(shù)的飛速發(fā)展及燈具散熱需求帶動，國內(nèi)外許多塑料公司積極加強LED燈具用導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品的開發(fā)，并且很多公司均作為重要戰(zhàn)略業(yè)務(wù)來積極推動。國外方面，主要的代表性公司有荷蘭DSM、美國Cool Polymers、意大利Laticonter、日本Kaneka、美國Sabic等。國內(nèi)方面也有眾多公司積極介入，主要有深圳卓尤、上海合復(fù)、東莞兆科、佛山寶利瑪以及國邦睿源等公司?？傮w來說，國外公司研發(fā)歷史長，技術(shù)處于較為領(lǐng)先的水平，產(chǎn)品成型性能好、并且能夠提供較為完善的材料設(shè)計、原型設(shè)計、熱學(xué)模擬等全方位的服務(wù)，但材料價格相對昂貴。國內(nèi)公司近兩三年才開始介入，在性能上與國外公司的尚有一定差距，但是國內(nèi)企業(yè)占據(jù)地緣優(yōu)勢、服務(wù)響應(yīng)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢，未來發(fā)揮空間巨大。

　　1.荷蘭DSM

荷蘭DSM公司是第一次將有機導(dǎo)熱塑料用于LED燈具散熱外殼的公司，其聚酰胺復(fù)合物被用來塑造飛利浦的LED燈具的散熱外殼。這是世界上第一款使用塑料代替鋁做外殼的產(chǎn)品。自此之后，許多導(dǎo)熱塑料公司便將自身的導(dǎo)熱材料產(chǎn)品進行改良，并開始針對LED應(yīng)用進行開發(fā)設(shè)計。目前DSM公司推出的導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品規(guī)格已經(jīng)較為齊全，導(dǎo)熱系數(shù)分不同等級，其中白色導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為2、4、6、8，而黑色的導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為10、15，最高可達18W/mK。

2.美國Cool Polymers

美國Cool Polymers公司是專注于導(dǎo)熱塑料和熱轉(zhuǎn)移方案的提供商，主要以樹脂為基材，旗下品牌Coolpoly系列產(chǎn)品提供從2W/mK到100W/mK范圍的導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品(測試標準ASTM E1461)，廣泛應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品的散熱。公司不僅提供導(dǎo)熱塑料的樹脂原料，也提供成型后的零部件，為客戶提供從設(shè)計、建模、測試、原型設(shè)計和應(yīng)用方面的全方位支持。

3.意大利Laticonter

LATI公司具有60多年的塑料行業(yè)經(jīng)驗，在聚合物改性方面有非常獨到的技術(shù)，致力于生產(chǎn)高性能高技術(shù)含量的材料和金屬替代品。LATI提供熱傳導(dǎo)率達到10～15W/mK的導(dǎo)熱材料，這些材料的基材包括PP、PPS、PA等，其產(chǎn)品Laticonther52GR/70導(dǎo)熱材料最近被用于意大利Fanton公司推出的可提供500lux光通的LED燈具上。

4.日本Kaneka

日本Kaneka公司是日本化工材料領(lǐng)域的龍頭企業(yè)之一，其產(chǎn)品覆蓋人造纖維、泡沫材料、食品添加劑、有機發(fā)光以及LED專用散熱材料等，其開發(fā)的以PET為基材的HCP系列導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品，品類齊全，有導(dǎo)電和不導(dǎo)電、阻燃和非阻燃等多個產(chǎn)品體系，加工性能良好，目前其產(chǎn)品已經(jīng)在韓國、我國臺灣及大陸部分照明廠家中采用。

5.美國SABIC

SABIC(沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司)公司的高端塑料業(yè)務(wù)包括導(dǎo)熱塑料源自于其收購的GE塑料公司(更名為SABIC創(chuàng)新塑料公司)，其Konduit品牌復(fù)合材料主要的應(yīng)用目標市場為電機、發(fā)熱器和其它線圈纏繞系統(tǒng)等。公司一直在特殊化合物的穩(wěn)定性上作出努力，并且還準備開發(fā)非結(jié)晶Konduit產(chǎn)品。

6.深圳卓尤

卓尤集團是一家創(chuàng)建于2006年的中美合資企業(yè)，旗下的上海卓尤化工及深圳市卓尤新材料公司主要負責(zé)銷售集團各類導(dǎo)熱材料并提供技術(shù)支持。PAKCOOL?TPP-8130 、TPP-7130其專門針對LED應(yīng)用開發(fā)的兩款高絕緣、高強度的導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品，導(dǎo)熱系數(shù)可達15W/mK(ASTM E1461測試標準)。TPP7130在PA66的基礎(chǔ)上改性，不但具有導(dǎo)熱絕緣阻燃的特性，并增強了柔韌性;TPP8130是在PP的基礎(chǔ)上進行改性，針對LED日光燈管的應(yīng)用，特別開發(fā)了可用于擠塑成型的絕緣導(dǎo)熱材料。

7.上海合復(fù)

上海合復(fù)新材料科技有限公司是國內(nèi)致力于LED用導(dǎo)熱塑料開發(fā)生產(chǎn)創(chuàng)業(yè)型企業(yè)的代表，該公司定位于特殊用途復(fù)合高分子材料開發(fā)及應(yīng)用。針對LED散熱，其研發(fā)并推出了導(dǎo)熱、絕緣、阻燃的Therpoxy材料，是基于環(huán)氧樹脂為基材改性的為數(shù)不多的企業(yè)，導(dǎo)熱系數(shù)達到3.6W/mK，并通過結(jié)合金屬內(nèi)嵌進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，推出了導(dǎo)熱塑料散熱器Thertrans系列樣板產(chǎn)品，獲得了與壓鑄鋁散熱器相近的散熱能力。不過，環(huán)氧樹脂材料屬于熱固性材料，對成型設(shè)備要求較高。

　　四、市場前景分析

LED用導(dǎo)熱塑料市場的前景廣闊，這也是吸引眾多塑料化工企業(yè)進入的原因。以我國為例，我國是LED照明生產(chǎn)制造和應(yīng)用大國，據(jù)中國照明電器協(xié)會統(tǒng)計，我國每年生產(chǎn)的照明產(chǎn)品數(shù)量近200億只。2012年，白熾燈產(chǎn)量約45億只。熒光燈數(shù)量約42億只，未列名產(chǎn)品數(shù)量90多億只(見表3)。

另據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)旗下研究部門CSA Consulting調(diào)查統(tǒng)計，2012年我國通用照明產(chǎn)值約420億元，較2011年300億元增長40%，國內(nèi)市場需求也出現(xiàn)較快速的提升。作為照明產(chǎn)品的全球制造基地，我國LED球泡燈、射燈、筒燈、直管燈、路燈等照明產(chǎn)品產(chǎn)量已經(jīng)超過3億只，其中，球泡燈、射燈產(chǎn)量比重超過50%。

圖3 2012年我國LED照明產(chǎn)品中各類燈具的占比

隨著世界各國白熾燈淘汰計劃及采用高效節(jié)能產(chǎn)品的政策推動，按目前的發(fā)展速度來看，未來3-5年預(yù)計30%的傳統(tǒng)照明產(chǎn)品有望被LED照明產(chǎn)品替代。2015年前后我國LED照明產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模有望超過30億只。即使僅在球泡燈、蠟燭燈和射燈生產(chǎn)中，散熱套件被有機導(dǎo)熱材料套件替代率提升至10%，即有望帶來每年至少3億元的導(dǎo)熱塑料市場需求。(按LED產(chǎn)品生產(chǎn)實際經(jīng)驗，單個LED照明產(chǎn)品散熱配件消耗的鋁型材重量約60～100g，而有機散熱材料約20～50g，導(dǎo)熱材料價格以市場普遍可接受價格7萬元每噸粗略核算。)

　　五、發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

CSA Consulting認為，目前LED燈具用導(dǎo)熱塑料市場的發(fā)展總體來說尚處于初步階段，導(dǎo)熱塑料用于LED照明產(chǎn)品依然存在很多的困難要逐步解決：[!--empirenews.page--]

首先，產(chǎn)品的價格依然是當前阻礙導(dǎo)熱塑料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國外知名品牌的導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品價格基本在100元/kg以上，甚至超過200元/kg;國內(nèi)產(chǎn)品的價格也在60～150元/kg之間，降低生產(chǎn)成本和價格是有機導(dǎo)熱材料廣泛應(yīng)用的必然途徑(鋁錠約為15元/kg)。

其次，國內(nèi)照明生產(chǎn)企業(yè)對導(dǎo)熱塑料性能的認識和運用能力也尚不足。塑料散熱燈具產(chǎn)品的設(shè)計能力亟需提升。目前，大多燈具設(shè)計工程師對散熱系統(tǒng)的設(shè)計理念還停留在金屬散熱設(shè)計的思維中，往往模仿金屬散熱器進行導(dǎo)熱塑料散熱器設(shè)計，但是導(dǎo)熱塑料散熱需要導(dǎo)熱距離短、輻射面積大，輕量化設(shè)計才能真正發(fā)揮出優(yōu)勢，很多時候甚至需要和金屬內(nèi)嵌件綜合發(fā)揮作用，這就亟需加強對導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品性能的理解和認識，提升復(fù)合散熱產(chǎn)品的設(shè)計能力。

第三，導(dǎo)熱塑料推廣的商業(yè)模式有待完善。傳統(tǒng)的鋁材散熱和陶瓷散熱供應(yīng)鏈成熟，產(chǎn)業(yè)分工明確，尤其是成型加工行業(yè)成熟。而導(dǎo)熱塑料剛剛進入市場，LED散熱注塑廠家尚不成熟，原材料提供廠家不懂LED照明產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，而照明產(chǎn)品的設(shè)計師對新型材料的理解和認識又尚不足，設(shè)計出來的產(chǎn)品效果優(yōu)勢不明顯，影響了照明廠家的信心，制約了導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品的運用和推廣。此外，在推廣早期，導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品尚缺乏好的設(shè)計樣板，LED導(dǎo)熱塑料散熱器的的生產(chǎn)需另行開模，這就需要材料廠家、注塑廠家、照明廠家共同投入并完善設(shè)計，在商業(yè)模式上一起進行探索，搶占市場先機。

不過，LED用導(dǎo)熱塑料市場未來的發(fā)展前景樂觀。LED照明產(chǎn)品散熱向塑料散熱方向發(fā)展是必然趨勢。目前國內(nèi)許多照明大廠均在試水塑料散熱產(chǎn)品，就單價來看，單位質(zhì)量或同種形狀的導(dǎo)熱塑料散熱器價格高于金屬材料產(chǎn)品，但采用導(dǎo)熱塑料進行LED燈具的生產(chǎn)，能夠有效降低全生產(chǎn)周期的系統(tǒng)成本，提升廠家的生產(chǎn)效率和競爭力。尤其是隨著LED照明應(yīng)用的逐步成熟和市場規(guī)模持續(xù)擴大，規(guī)模化競爭成必然趨勢，使用有機導(dǎo)熱塑料進行散熱器生產(chǎn)，規(guī)模效應(yīng)顯著，如圖4所示;

圖4 塑料散熱LED照明產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)成本優(yōu)勢測算圖

（說明：樹脂1，與鋁材散熱器同種外形；樹脂2，導(dǎo)熱塑料經(jīng)輕量化設(shè)計外形）

另外，隨著LED光效的提升及產(chǎn)生的熱量減少，LED散熱的要求將逐步降低，導(dǎo)熱塑料散熱器將能夠滿足大多常規(guī)LED燈具的散熱需求。預(yù)計不久將獲得較為快速的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈分工也會進一步清晰。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第40期）