LED光源散熱基板的難題
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安規標準的出爐,意味著(zhù)業(yè)界有一個(gè)更明確的安全規范可依循,也促使LED燈具 企業(yè)終于可以放心地火力全開(kāi),大量開(kāi)發(fā)LED照明產(chǎn)品。
LED 雖然具有節能的優(yōu)勢,卻也有眾所周知的散熱難題;相比傳統燈具,LED功率 低,其輸入的電能 會(huì )大量轉變成熱能,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)者的一項嚴格挑戰。
本文將透過(guò)對相關(guān)標準的解構,點(diǎn)出散熱基板必須注意的安全問(wèn)題,以利LED廠(chǎng)商對散熱基板的安全設計及成本考慮有更深入的了解,并提前做好準備。
散熱關(guān)鍵在于LED芯片 封裝與基板設計
除了高功率的LED外,大多數的LED燈具為了要達到與傳統燈具相當的照明亮度 ,必須將LED芯片封裝設計成不同形狀的數組;又為了要達到控制的要求,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(zhù)LED功率的差異,配合的電路板也必須有所不同。
舉例來(lái)說(shuō),用在一般手電筒或指示用的低功率LED,因電路簡(jiǎn)單,間距較寬,所以一般的酚醛樹(shù)脂紙基板 (Paper Phenolic ∠XPC、FR-1) 或玻璃纖維含浸環(huán)氧樹(shù)脂基板 (Fiberglass reinforced epoxy ∠FR-4) 就足夠提供機械支撐,并透過(guò)空氣自然對流即可散熱,達到控制目的。若要達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(wú)法提供足夠的散熱能力。
LED燈具對散熱有嚴苛要求,又要兼顧有限的散熱面積及電路間的絕緣,基板設計就顯得格外重要。陶瓷基板雖然可以同時(shí)滿(mǎn)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構,利用接腳的焊接,將芯片封裝的熱直接傳導到散熱材料上,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)的構想,以達到更佳的散熱表現。
嚴格的散熱要求 成本與安全成兩難
燈具的安規要求如同金字塔一樣,透過(guò)預選(Pre-selection)機制,選擇符合認證的材料,將可減少最終產(chǎn)品所需通過(guò)的耐久性測試 項目。因此,LED模塊 內的材料皆須通過(guò)對應的認證,以確保燈具產(chǎn)品能夠長(cháng)久使用而不致發(fā)生危險。
UL 8750即要求LED基板必須具備對應的電路板使用溫度認證與耐燃等級認可(列于UL 796之中);而電路板所用的有機絕緣材料或涂布材料,也必須取得對應的長(cháng)時(shí)間使用溫度(或稱(chēng)為相對熱指數,Relative Thermal Index, RTI,列于UL 746E之中)與耐燃等級認可。
這些要求均會(huì )受到LED燈具產(chǎn)品實(shí)際使用時(shí)的內部溫度影響：內部溫度愈低,對散熱材料的溫度等級要求也就愈低。然而,散熱程度有賴(lài)于材料的改質(zhì),散熱表現愈好的材料價(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(chǎng)認證材料商 寥寥可數
散熱材料的配方多屬機密或專(zhuān)利保護,因此散熱基板的差異性很大,沒(méi)有辦法像FR-1、FR-4等業(yè)界長(cháng)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(Relative Temperature Index, RTI) 高于90℃以上的認可時(shí),均必須進(jìn)行長(cháng)達9到18個(gè)月以上的長(cháng)時(shí)間測試,甚至可能出現無(wú)法一次就能取得有效結果的狀況;加上在取得材料認可之后,又必須再進(jìn)行2到4個(gè)月的電路板制作能力認可,種種原因使得長(cháng)時(shí)間缺料的情況屢見(jiàn)不鮮。
目前全球取得散熱基板耐溫認可的材料商寥寥可數,且多非大型制造商。關(guān)于已取得認可的廠(chǎng)商名單,可至UL的公開(kāi)認證數據庫查詢(xún) (http://database.ul.com/cgi-bin/XYV/template/LISEXT/1FRAME/index.html )。
LED散熱 基板的認證障礙與突破點(diǎn)
除了本身具有足夠散熱能力的絕緣基板材料,其它用于結合銅箔線(xiàn)路與散熱材料的中間絕緣材料層,皆須以結合后的結構進(jìn)行耐溫測試。
依據標準,擔負所有散熱能力的絕緣材料,在RTI評估時(shí),需要進(jìn)行介電強度(Dielectric)、抗拉強度(Tensile Strength)、分層(Delamination)與耐燃(Flammability)等長(cháng)時(shí)間熱衰退分析。至于結合散熱材料的復合結構,則必須進(jìn)行介電強度、定寬度導體抗撕強度(Bond Strength)與耐燃的熱衰退分析。
得到適當的RTI之后,電路板制造商還必須制作適當的樣品,再次進(jìn)行在固定溫度、不同寬度下的導體抗撕強度、分層結合性觀(guān)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。在適當的聚合條件環(huán)境下,散熱材料的耐燃能力通常是無(wú)庸置疑;至于在其它特性的表現,對散熱材料而言就是相當大的考驗。
盡管是新用途要求,為了達到銅箔與散熱材料的結合性、尺寸安定性、耐溫與耐燃性的要求,環(huán)氧樹(shù)脂相較于壓克力樹(shù)脂(Ac rylic) 或是硅樹(shù)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(guò)添加無(wú)機陶瓷粒子(不導電但導熱,金屬粒子則因會(huì )導電而無(wú)法采用)以達到散熱要求;而添加量與分散的狀況,皆會(huì )影響環(huán)氧樹(shù)脂的結合性。
一般情況而言,當重量添加超過(guò)10%,不但硬化的特性不好掌握,與銅箔導體的結合能力很有可能降低到標準以下,甚至也會(huì )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(huì )發(fā)生介電強度不均勻(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,如何能夠將其大量添加到黏稠的環(huán)氧樹(shù)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。
結論
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(wèn)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。
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