UL认证对LED灯具散热基板要求甚高，成本制约安全该如何抉择

ledpan · 发表于 2019-5-16 18:00:46

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guo jia标准机构（American National Standard Institute，ANSI）与加拿大标准协会（Canadian Standard Association，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（** 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。　　
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（Acrylic）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。

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