LED光源散熱基板的難題

隨著LED照明 產(chǎn)品暨相關(guān)組件第一版安全標(biāo)準(zhǔn)《ANSI/UL 8750》于2009年底正 式生效,并取得美國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(Americ an National Standard Institute,ANSI)與加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Can adian Standard Assoc iation,CSA)認(rèn)可,成為北美地區(qū)的通用標(biāo)準(zhǔn)后,更加速了這場變革。

　　安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的出爐,意味著業(yè)界有一個(gè)更明確的安全規(guī)范可依循,也促使LED燈具 企業(yè)終于可以放心地火力全開,大量開發(fā)LED照明產(chǎn)品。

　　LED 雖然具有節(jié)能的優(yōu)勢,卻也有眾所周知的散熱難題;相比傳統(tǒng)燈具,LED功率 低,其輸入的電能 會大量轉(zhuǎn)變成熱能,再加上為了獲得大功率,常需要多個(gè)并聯(lián)使用,故散熱基板必須提供足夠的散熱能力。

　　身負(fù)LED效能關(guān)鍵的散熱基板,其材料的選用,對于LED燈具的安全性具有極大的影響;如何做周延的考慮,以兼顧產(chǎn)品安全與散熱的效能,是業(yè)者的一項(xiàng)嚴(yán)格挑戰(zhàn)。

　　本文將透過對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解構(gòu),點(diǎn)出散熱基板必須注意的安全問題,以利LED廠商對散熱基板的安全設(shè)計(jì)及成本考慮有更深入的了解,并提前做好準(zhǔn)備。

　　散熱關(guān)鍵在于LED芯片 封裝與基板設(shè)計(jì)

　　除了高功率的LED外,大多數(shù)的LED燈具為了要達(dá)到與傳統(tǒng)燈具相當(dāng)?shù)恼彰髁炼?,必須將LED芯片封裝設(shè)計(jì)成不同形狀的數(shù)組;又為了要達(dá)到控制的要求,因此最好的方式就是將LED芯片封裝焊接到電路板上。由于LED照明功率與發(fā)熱功率比大約為1:4,隨著LED功率的差異,配合的電路板也必須有所不同。

　　舉例來說,用在一般手電筒或指示用的低功率LED,因電路簡單,間距較寬,所以一般的酚醛樹脂紙基板 (Paper Phenolic ∠XPC、FR-1) 或玻璃纖維含浸環(huán)氧樹脂基板 (Fiberglass reinforced epoxy ∠FR-4) 就足夠提供機(jī)械支撐,并透過空氣自然對流即可散熱,達(dá)到控制目的。若要達(dá)到大功率高照明度的要求,因發(fā)熱量的增加與電路排列密度的提高,將使上述基板無法提供足夠的散熱能力。

　　LED燈具對散熱有嚴(yán)苛要求,又要兼顧有限的散熱面積及電路間的絕緣,基板設(shè)計(jì)就顯得格外重要。陶瓷基板雖然可以同時(shí)滿足散熱與絕緣要求,然而陶瓷基板的制作難度非常高,本身的脆性也不利于大面積的數(shù)組,業(yè)者不得不采用將絕緣材料貼在鋁或鐵質(zhì)等散熱基板上的多層結(jié)構(gòu),利用接腳的焊接,將芯片封裝的熱直接傳導(dǎo)到散熱材料上,甚至還有將絕緣材料、或者是防焊油墨等涂布材料改為散熱材質(zhì)的構(gòu)想,以達(dá)到更佳的散熱表現(xiàn)。

　　嚴(yán)格的散熱要求 成本與安全成兩難

　　燈具的安規(guī)要求如同金字塔一樣,透過預(yù)選(Pre-selection)機(jī)制,選擇符合認(rèn)證的材料,將可減少最終產(chǎn)品所需通過的耐久性測試 項(xiàng)目。因此,LED模塊 內(nèi)的材料皆須通過對應(yīng)的認(rèn)證,以確保燈具產(chǎn)品能夠長久使用而不致發(fā)生危險(xiǎn)。

　　UL 8750即要求LED基板必須具備對應(yīng)的電路板使用溫度認(rèn)證與耐燃等級認(rèn)可(列于UL 796之中);而電路板所用的有機(jī)絕緣材料或涂布材料,也必須取得對應(yīng)的長時(shí)間使用溫度(或稱為相對熱指數(shù),Relative Thermal Index, RTI,列于UL 746E之中)與耐燃等級認(rèn)可。

　　這些要求均會受到LED燈具產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的內(nèi)部溫度影響：內(nèi)部溫度愈低,對散熱材料的溫度等級要求也就愈低。然而,散熱程度有賴于材料的改質(zhì),散熱表現(xiàn)愈好的材料價(jià)格相對昂貴,使企業(yè)面臨成本與安全要求兩難的局面。

　　取得市場認(rèn)證材料商 寥寥可數(shù)

　　散熱材料的配方多屬機(jī)密或?qū)＠Ｗo(hù),因此散熱基板的差異性很大,沒有辦法像FR-1、FR-4等業(yè)界長年使用的材料一樣,通用且特性廣為人知。此外,在取得相對溫度指數(shù)(Relative Temperature Index, RTI) 高于90℃以上的認(rèn)可時(shí),均必須進(jìn)行長達(dá)9到18個(gè)月以上的長時(shí)間測試,甚至可能出現(xiàn)無法一次就能取得有效結(jié)果的狀況;加上在取得材料認(rèn)可之后,又必須再進(jìn)行2到4個(gè)月的電路板制作能力認(rèn)可,種種原因使得長時(shí)間缺料的情況屢見不鮮。

　　目前全球取得散熱基板耐溫認(rèn)可的材料商寥寥可數(shù),且多非大型制造商。關(guān)于已取得認(rèn)可的廠商名單,可至UL的公開認(rèn)證數(shù)據(jù)庫查詢 (http://database.ul.com/cgi-bin/XYV/template/LISEXT/1FRAME/index.html )。

　　LED散熱 基板的認(rèn)證障礙與突破點(diǎn)

　　除了本身具有足夠散熱能力的絕緣基板材料,其它用于結(jié)合銅箔線路與散熱材料的中間絕緣材料層,皆須以結(jié)合后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐溫測試。

　　依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),擔(dān)負(fù)所有散熱能力的絕緣材料,在RTI評估時(shí),需要進(jìn)行介電強(qiáng)度(Dielectric)、抗拉強(qiáng)度(Tensile Strength)、分層(Delamination)與耐燃(Flammability)等長時(shí)間熱衰退分析。至于結(jié)合散熱材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),則必須進(jìn)行介電強(qiáng)度、定寬度導(dǎo)體抗撕強(qiáng)度(Bond Strength)與耐燃的熱衰退分析。

　　得到適當(dāng)?shù)腞TI之后,電路板制造商還必須制作適當(dāng)?shù)臉悠?再次進(jìn)行在固定溫度、不同寬度下的導(dǎo)體抗撕強(qiáng)度、分層結(jié)合性觀察與涂布防焊材料的耐燃測試,以判定電路板制造商的制作能力。在適當(dāng)?shù)木酆蠗l件環(huán)境下,散熱材料的耐燃能力通常是無庸置疑;至于在其它特性的表現(xiàn),對散熱材料而言就是相當(dāng)大的考驗(yàn)。

　　盡管是新用途要求,為了達(dá)到銅箔與散熱材料的結(jié)合性、尺寸安定性、耐溫與耐燃性的要求,環(huán)氧樹脂相較于壓克力樹脂(Ac rylic) 或是硅樹脂(Silicon),還是最方便的改質(zhì)基質(zhì)(Matrix)。

　　材料的散熱能力,大多是透過添加無機(jī)陶瓷粒子(不導(dǎo)電但導(dǎo)熱,金屬粒子則因會導(dǎo)電而無法采用)以達(dá)到散熱要求;而添加量與分散的狀況,皆會影響環(huán)氧樹脂的結(jié)合性。

　　一般情況而言,當(dāng)重量添加超過10%,不但硬化的特性不好掌握,與銅箔導(dǎo)體的結(jié)合能力很有可能降低到標(biāo)準(zhǔn)以下,甚至也會發(fā)生脆化或者直接發(fā)生烘烤后分層的情況;分散情況不佳或者粒子形狀不完美時(shí),也會發(fā)生介電強(qiáng)度不均勻(heterogeneous或是anisotropic) 的情況。雖然奈米等級的粒子分散已證實(shí)能夠減少添加量并維持散熱特性,同時(shí)減少其它環(huán)境特性,但奈米等級的粒子成本高,如何能夠?qū)⑵浯罅刻砑拥金こ淼沫h(huán)氧樹脂后,仍維持奈米等級的存在與分散,也是高難度與高成本的挑戰(zhàn)。

　　結(jié)論

　　LED散熱基板維系高效率LED照明的發(fā)展,但其技術(shù)難度與障礙并不亞于LED芯片封裝,該如何提前投入發(fā)展基板材料,如何克服LED散熱基板的安全問題,將是維持中國LED照明產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢刻不容緩的思考關(guān)鍵。