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LED燈具用有機導熱塑料市場前景樂觀

發布日期：2013-07-09 來源：中國半導體照明網瀏覽次數：88

　　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系，散熱問題歷來是關注的焦點。無論LED芯片封裝還是燈具設計應用，往往需要通過導熱材料來釋放LED所產生的熱量，用于散熱的成本也占據了系統成本約20%～30%的比重，尋求高性價比的散熱解決方案也一直成為業者追求的目標。同時，隨著LED照明應用迅猛發展，并走向大眾消費者，燈具產品的自動化規模生產、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中，發展較成熟的主要為傳統金屬鋁材或陶瓷材料的散熱系統(散熱器)，這兩種材料初始導熱性能優良。但是，金屬鋁材成型工藝周期長、且材料本身導電等因素，不利于照明產品的多樣化設計，也增加了達到安全要求的設計成本。而陶瓷材料雖然絕緣，但比重大、成型難度高，以及批量化生產不易實現也提高了其使用成本，給廣泛應用帶來了限制。有機導熱塑料散熱方案因設計靈活、絕緣、輕量化的特點，為LED照明產品的生產提供了一種新的思路和解決方案，近期在燈具設計生產中逐步得到企業的重視，正獲得快速的發展。

　　一、導熱塑料散熱的機理

　　傳統的設計觀念認為，LED燈具要散熱好就必須采用高導熱率的金屬散熱器，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。金屬由于導熱系數大，自然而然成為散熱材料的重要考慮，塑料由于其導熱系數小，所以長時間以來未被看好。不過，隨著復合材料技術的發展，有機復合材料的導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，并體現出更好的經濟適用性。

圖1 散熱的基本原理

　　關于材料導熱系數與溫差的關系如圖2所示，在導熱系數小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數很小的變化都會造溫度差很大的變化。常規的塑料導熱系數都在1以下，所以如果用于散熱系統將導致結溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。然而，在導熱系數大于5時，甚至達到10以上時，散熱則轉變為由對流主導、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，導熱系數對溫度差的影響趨近于0，材料的導熱系數對芯片結溫的影響大幅減小。

圖2 散熱與材料導熱系數和材料厚度的關系

　　此外，散熱器的功能除了要能快速地把熱量從發熱源傳導出到散熱器的表面，最后還是要靠對流和輻射把熱量轉移到空氣中。雖然金屬本身的導熱能力比塑料好，但是燈具外殼散熱器的主要目的是把熱量散發到空氣中。導熱系數高，只解決了熱傳導的問題，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熱無關。所以有機塑料只要具備了一定大小的熱傳導能力，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熱系數大于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，使得實現金屬替代成為可能。

　　二、導熱塑料的優勢分析

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

　　1.輕量化

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

　　2.設計自由度高

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

　　3.規模批量化生產

　　塑料導熱材料可以一次成型，無需后加工，容易實現大規模批量化生產，實現規模效益。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小，壽命長，減少了加工周期和成本。

　　4.安全并簡化電源結構

　　鋁散熱器由于其高導電性，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勢，使得采用非隔離式電源生產燈具成為一種可能，不僅可以降低成本，使產品設計得更加小巧，更重要的是減少了用戶使用過程中金屬外殼導電可能產生的安全隱患。

　　此外，從全生命周期來看，有機復合材料更加環保，較金屬材料生產所消耗的能源更少，生產過程污染小，符合國家節能減排、能源節約的需求。

　　三、市場競爭分析

　　導熱塑料產品的生產技術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。一般塑料的熱導率只有0.2～0.3W/mK左右，通過在塑料中填充導熱填料及后續工藝處理，有機復合材料的熱導率可提升至1W/mK～20W/mK，達到傳統塑料熱導率的5～100倍。為了滿足不同的場合應用要求，通過采用不同的基材和填料，導熱塑料產品可以形成絕緣和非絕緣、阻燃和非阻燃、高韌性和高強度產品等多種類型。

　　近兩年受大功率LED照明技術的飛速發展及燈具散熱需求帶動，國內外許多塑料公司積極加強LED燈具用導熱塑料產品的開發，并且很多公司均作為重要戰略業務來積極推動。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。國內方面也有眾多公司積極介入，主要有深圳卓尤、上海合復、東莞兆科、佛山寶利瑪以及國邦睿源等公司。總體來說，國外公司研發歷史長，技術處于較為領先的水平，產品成型性能好、并且能夠提供較為完善的材料設計、原型設計、熱學模擬等全方位的服務，但材料價格相對昂貴。國內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，但是國內企業占據地緣優勢、服務響應優勢和價格優勢，未來發揮空間巨大。

　　1.荷蘭DSM

　　荷蘭DSM公司是第一次將有機導熱塑料用于LED燈具散熱外殼的公司，其聚酰胺復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品。自此之后，許多導熱塑料公司便將自身的導熱材料產品進行改良，并開始針對LED應用進行開發設計。目前DSM公司推出的導熱塑料產品規格已經較為齊全，導熱系數分不同等級，其中白色導熱塑料的導熱系數分別為2、4、6、8，而黑色的導熱塑料的導熱系數分別為10、15，最高可達18W/mK。

　　2.美國Cool Polymers

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

　　3.意大利Laticonter

　　LATI公司具有60多年的塑料行業經驗，在聚合物改性方面有非常獨到的技術，致力于生產高性能高技術含量的材料和金屬替代品。LATI提供熱傳導率達到10～15W/mK的導熱材料，這些材料的基材包括PP、PPS、PA等，其產品Laticonther52GR/70導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域的龍頭企業之一，其產品覆蓋人造纖維、泡沫材料、食品添加劑、有機發光以及LED專用散熱材料等，其開發的以PET為基材的HCP系列導熱塑料產品，品類齊全，有導電和不導電、阻燃和非阻燃等多個產品體系，加工性能良好，目前其產品已經在韓國、我國臺灣及大陸部分照明廠家中采用。

　　5.美國SABIC

　　SABIC(沙特基礎工業公司)公司的高端塑料業務包括導熱塑料源自于其收購的GE塑料公司(更名為SABIC創新塑料公司)，其Konduit品牌復合材料主要的應用目標市場為電機、發熱器和其它線圈纏繞系統等。公司一直在特殊化合物的穩定性上作出努力，并且還準備開發非結晶Konduit產品。

　　6.深圳卓尤

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

　　7.上海合復

　　上海合復新材料科技有限公司是國內致力于LED用導熱塑料開發生產創業型企業的代表，該公司定位于特殊用途復合高分子材料開發及應用。針對LED散熱，其研發并推出了導熱、絕緣、阻燃的Therpoxy材料，是基于環氧樹脂為基材改性的為數不多的企業，導熱系數達到3.6W/mK，并通過結合金屬內嵌進行結構設計，推出了導熱塑料散熱器Thertrans系列樣板產品，獲得了與壓鑄鋁散熱器相近的散熱能力。不過，環氧樹脂材料屬于熱固性材料，對成型設備要求較高。

　　四、市場前景分析

　　LED用導熱塑料市場的前景廣闊，這也是吸引眾多塑料化工企業進入的原因。以我國為例，我國是LED照明生產制造和應用大國，據中國照明電器協會統計，我國每年生產的照明產品數量近200億只。2012年，白熾燈產量約45億只。熒光燈數量約42億只，未列名產品數量90多億只(見表3)。

　　另據國家半導體照明工程研發及產業聯盟(CSA)旗下研究部門CSA Consulting調查統計，2012年我國通用照明產值約420億元，較2011年300億元增長40%，國內市場需求也出現較快速的提升。作為照明產品的全球制造基地，我國LED球泡燈、射燈、筒燈、直管燈、路燈等照明產品產量已經超過3億只，其中，球泡燈、射燈產量比重超過50%。

圖3 2012年我國LED照明產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能產品的政策推動，按目前的發展速度來看，未來3-5年預計30%的傳統照明產品有望被LED照明產品替代。2015年前后我國LED照明產品的生產規模有望超過30億只。即使僅在球泡燈、蠟燭燈和射燈生產中，散熱套件被有機導熱材料套件替代率提升至10%，即有望帶來每年至少3億元的導熱塑料市場需求。(按LED產品生產實際經驗，單個LED照明產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、發展趨勢和挑戰

　　CSA Consulting認為，目前LED燈具用導熱塑料市場的發展總體來說尚處于初步階段，導熱塑料用于LED照明產品依然存在很多的困難要逐步解決：

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

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

　　第三，導熱塑料推廣的商業模式有待完善。傳統的鋁材散熱和陶瓷散熱供應鏈成熟，產業分工明確，尤其是成型加工行業成熟。而導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照明產品設計技術，而照明產品的設計師對新型材料的理解和認識又尚不足，設計出來的產品效果優勢不明顯，影響了照明廠家的信心，制約了導熱塑料產品的運用和推廣。此外，在推廣早期，導熱塑料產品尚缺乏好的設計樣板，LED導熱塑料散熱器的的生產需另行開模，這就需要材料廠家、注塑廠家、照明廠家共同投入并完善設計，在商業模式上一起進行探索，搶占市場先機。

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