LED光源散热基板的难题

   随着LED照明 产品暨相关组件第一版安全标准《ANSI/UL 8750》于2009年底正 式生效,并取得美国国家标准机构(Americ an National Standard Institute,ANSI)与加拿大标准协会(Can adian Standard Assoc iation,CSA)认可,成为北美地区的通用标准后,更加速了这场变革。

　　安规标准的出炉,意味着业界有一个更明确的安全规范可依循,也促使LED灯具 企业终于可以放心地火力全开,大量开发LED照明产品。

　　LED 虽然具有节能的优势,却也有众所周知的散热难题;相比传统灯具,LED功率 低,其输入的电能 会大量转变成热能,再加上为了获得大功率,常需要多个并联使用,故散热基板必须提供足够的散热能力。

　　身负LED效能关键的散热基板,其材料的选用,对于LED灯具的安全性具有极大的影响;如何做周延的考虑,以兼顾产品安全与散热的效能,是业者的一项严格挑战。

　　本文将透过对相关标准的解构,点出散热基板必须注意的安全问题,以利LED厂商对散热基板的安全设计及成本考虑有更深入的了解,并提前做好准备。

　　散热关键在于LED芯片 封装与基板设计

　　除了高功率的LED外,大多数的LED灯具为了要达到与传统灯具相当的照明亮度 ,必须将LED芯片封装设计成不同形状的数组;又为了要达到控制的要求,因此最好的方式就是将LED芯片封装焊接到电路板上。由于LED照明功率与发热功率比大约为1:4,随着LED功率的差异,配合的电路板也必须有所不同。

　　举例来说,用在一般手电筒或指示用的低功率LED,因电路简单,间距较宽,所以一般的酚醛树脂纸基板 (Paper Phenolic ∠XPC、FR-1) 或玻璃纤维含浸环氧树脂基板 (Fiberglass reinforced epoxy ∠FR-4) 就足够提供机械支撑,并透过空气自然对流即可散热,达到控制目的。若要达到大功率高照明度的要求,因发热量的增加与电路排列密度的提高,将使上述基板无法提供足够的散热能力。

　　LED灯具对散热有严苛要求,又要兼顾有限的散热面积及电路间的绝缘,基板设计就显得格外重要。陶瓷基板虽然可以同时满足散热与绝缘要求,然而陶瓷基板的制作难度非常高,本身的脆性也不利于大面积的数组,业者不得不采用将绝缘材料贴在铝或铁质等散热基板上的多层结构,利用接脚的焊接,将芯片封装的热直接传导到散热材料上,甚至还有将绝缘材料、或者是防焊油墨等涂布材料改为散热材质的构想,以达到更佳的散热表现。

　　严格的散热要求 成本与安全成两难

　　灯具的安规要求如同金字塔一样,透过预选(Pre-selection)机制,选择符合认证的材料,将可减少最终产品所需通过的耐久性测试 项目。因此,LED模块 内的材料皆须通过对应的认证,以确保灯具产品能够长久使用而不致发生危险。

　　UL 8750即要求LED基板必须具备对应的电路板使用温度认证与耐燃等级认可(列于UL 796之中);而电路板所用的有机绝缘材料或涂布材料,也必须取得对应的长时间使用温度(或称为相对热指数,Relative Thermal Index, RTI,列于UL 746E之中)与耐燃等级认可。

　　这些要求均会受到LED灯具产品实际使用时的内部温度影响：内部温度愈低,对散热材料的温度等级要求也就愈低。然而,散热程度有赖于材料的改质,散热表现愈好的材料价格相对昂贵,使企业面临成本与安全要求两难的局面。

　　取得市场认证材料商 寥寥可数

　　散热材料的配方多属机密或专利保护,因此散热基板的差异性很大,没有办法像FR-1、FR-4等业界长年使用的材料一样,通用且特性广为人知。此外,在取得相对温度指数(Relative Temperature Index, RTI) 高于90℃以上的认可时,均必须进行长达9到18个月以上的长时间测试,甚至可能出现无法一次就能取得有效结果的状况;加上在取得材料认可之后,又必须再进行2到4个月的电路板制作能力认可,种种原因使得长时间缺料的情况屡见不鲜。

　　目前全球取得散热基板耐温认可的材料商寥寥可数,且多非大型制造商。关于已取得认可的厂商名单,可至UL的公开认证数据库查询 (http://database.ul.com/cgi-bin/XYV/template/LISEXT/1FRAME/index.html )。

　　LED散热 基板的认证障碍与突破点

　　除了本身具有足够散热能力的绝缘基板材料,其它用于结合铜箔线路与散热材料的中间绝缘材料层,皆须以结合后的结构进行耐温测试。

　　依据标准,担负所有散热能力的绝缘材料,在RTI评估时,需要进行介电强度(Dielectric)、抗拉强度(Tensile Strength)、分层(Delamination)与耐燃(Flammability)等长时间热衰退分析。至于结合散热材料的复合结构,则必须进行介电强度、定宽度导体抗撕强度(Bond Strength)与耐燃的热衰退分析。

　　得到适当的RTI之后,电路板制造商还必须制作适当的样品,再次进行在固定温度、不同宽度下的导体抗撕强度、分层结合性观察与涂布防焊材料的耐燃测试,以判定电路板制造商的制作能力。在适当的聚合条件环境下,散热材料的耐燃能力通常是无庸置疑;至于在其它特性的表现,对散热材料而言就是相当大的考验。

　　尽管是新用途要求,为了达到铜箔与散热材料的结合性、尺寸安定性、耐温与耐燃性的要求,环氧树脂相较于压克力树脂(Ac rylic) 或是硅树脂(Silicon),还是最方便的改质基质(Matrix)。

　　材料的散热能力,大多是透过添加无机陶瓷粒子(不导电但导热,金属粒子则因会导电而无法采用)以达到散热要求;而添加量与分散的状况,皆会影响环氧树脂的结合性。

　　一般情况而言,当重量添加超过10%,不但硬化的特性不好掌握,与铜箔导体的结合能力很有可能降低到标准以下,甚至也会发生脆化或者直接发生烘烤后分层的情况;分散情况不佳或者粒子形状不完美时,也会发生介电强度不均匀(heterogeneous或是anisotropic) 的情况。虽然奈米等级的粒子分散已证实能够减少添加量并维持散热特性,同时减少其它环境特性,但奈米等级的粒子成本高,如何能够将其大量添加到黏稠的环氧树脂后,仍维持奈米等级的存在与分散,也是高难度与高成本的挑战。

　　结论

　　LED散热基板维系高效率LED照明的发展,但其技术难度与障碍并不亚于LED芯片封装,该如何提前投入发展基板材料,如何克服LED散热基板的安全问题,将是维持中国LED照明产业竞争优势刻不容缓的思考关键。