LED舞臺燈設計方案原理和散熱處理如何進行

　　LED舞臺燈特性以及設計原理淺析：

　　LED舞臺燈是舞臺燈具的一種，是把LED燈珠做為光源應用到舞臺燈光的一種新型燈具，按用途來有舞臺演出、舞臺照明、舞臺裝飾和效果等分類。

　　LED舞臺燈色彩豐富，紅，綠，藍三種顏色可以混合1670萬種不同的色彩。低功率，驅動電壓低，發光效率高，節省能源。安全無輻射，沒有紫外線。高壽命，理論的使用壽命可達10萬小時

　　LED舞臺燈最常見的換色和混色應用：LED帕燈，投光燈，洗墻燈，常用在大型舞臺演出，晚會，演唱會，戶外演出，城市亮化工程，樓宇裝飾等等。圖案燈的應用，花燈，魔幻燈，菊花燈，最常用于室內的演出，娛樂場所，如酒吧，迪廳，歌舞廳，KTV包房內等等。裝飾效果的應用，燈條，燈帶，竄燈，星空幕布等等，常用于節日裝飾，樓宇裝飾，舞臺演出裝飾等。

　　怎么樣辨別LED舞臺燈的好壞

　　一、嚴格檢測固晶站的LED原物料

　　1.芯片：主要表現為焊墊污染、芯片破損、芯片切割大小不一、芯片切割傾斜等。預防措施：嚴格控制進料檢驗，發現問題要求供應商改善。

　　2.支架：主要表現為Θ尺寸與C尺寸偏差過大，支架變色生銹，支架變形等。來料不良均屬供應商的問題，應知會供應商改善和嚴格控制進料。

　　3.銀膠：主要表現為銀膠粘度不良，使用期限超過，儲存條件和解凍條件與實際標準不符等。針對銀膠粘度，一般經工程評估后投產是不會有太多問題，但不是說該種銀膠就是最好的，如果發現有不良發生，可知會工程再作評估。而其他使用期限、儲存條件、解凍條件等均為人為控制，只要嚴格按SOP作業，一般不會有太多的問題。

　　二、減少不利的人為因素

　　1.操作人員違章作業：例如不戴手套，銀膠從冰箱取出以后未經解凍便直接上線，以及作業人員不按SOP作業，或者對機臺操作不熟練等均會影響固晶品質。預防措施：領班加強管理，作業員按SOP作業，品保人員加強稽核，對機臺不熟練的人員加強教育訓練，沒有上崗證不準正式上崗。

　　2.維護人員調機不當：對策是提升技朮水準。例如取晶高度，固晶高度，頂針高度，一些延遲時間的設定，馬達參數，工作臺參數的設定等，均需按標準去調校至最佳狀態。

　　三、保證不會出現機臺不良

　　機臺方面主要表現為機臺一些零配件或機械結構，認識系統等不良所造成的對固晶品質的影響。一定要確保機臺各項功能是正常的。

　　四、執行正確的調機方法

　　1.光點沒有對好：對策----重新校對光點，確保三點一線。

　　2.各項參數調校不當：例如picklevel、bondlevel、ejectorlevel延遲時間，馬達參數等，可解加多幾步和減多幾步照樣可以做，但結果完全不一樣。同樣是頂針高度，當吸不起芯片時，有人使勁參數，卻沒有去考慮頂針是否鈍掉或斷掉，結果造成芯片破損，Θ角偏移等。延遲時間和馬達參數的配合也是一樣，配合不好，焊臂動作會不一樣，同樣造成品質異常。

　　3.二值設定不當：對策----重新設定二值化。

　　4.機臺調機標準不一致：例如調點膠時，把點膠彈簧壓死，點膠頭一點彈性都沒有，結果怎樣調參數都沒用。又如勾爪的調校，勾爪上、下的勾進和彈出位移若不按標準去調，就很容易造成跑料和支架變形等。又如焊臂的壓力，如果不按標準去調，同樣會影響固晶品質，而且用參數去調怎麼也調不好。

　　五、掌握好制程

　　1.銀膠槽的清洗是否定時清洗。

　　2.銀膠的選擇是否合理。

　　3.作業人員是否佩帶手套、口罩作業。

　　4.已固晶材料的烘烤條件，時間、溫度。

　　LED模塊散熱功能詳解：

　　隨著LED照明產品暨相關元件第一版安全標準《ANSI/UL 8750》于2009年底正式生效，并取得美國國家標準機構（American NaTIonal Standar

　　隨著LED照明產品暨相關元件第一版安全標準《ANSI/UL 8750》于2009年底正式生效，并取得美國國家標準機構（American NaTIonal Standard InsTItute，ANSI）與加拿大標準協會（Canadian Standard AssociaTIon，CSA）認可，成為北美地區的通用標準后，更加速了這場變革。

　　安規標準的出爐，意味著業界有一個更明確的安全規范可依循，也促使LED燈具業者終于可以放心地火力全開，大量開發LED照明產品。

　　LED雖然具有節能的優勢，卻也有眾所周知的散熱難題；相較于傳統燈具，LED功率低，其輸入的電能會大量轉變成熱能，再加上為了獲得大功率，常需要多個并聯使用，故散熱基板必須提供足夠的散熱能力。

　　身負LED效能關鍵的散熱基板，其材料的選用，對于LED燈具的安全性具有極大的影響；如何做周延的考量，以兼顧產品安全與散熱的效能，是業者的一項嚴格挑戰。

　　本文將透過對相關標準的解構，點出散熱基板必須注意的安全問題，以利LED業者對散熱基板的安全設計及成本考量有更深入的瞭解，并提前做好準備。

　　散熱關鍵在于LED晶粒封裝與基板設計

　　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晶粒封裝設計成不同形狀的陣列；又為了要達到控制的要求，因此最好的方式就是將LED晶粒封裝焊接到電路板上。由于LED照明功率與發熱功率比大約為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） 或玻璃纖維含浸環氧樹脂基板 （Fiberglass reinforced epoxy ∠FR-4） 就足夠提供機械支撐，并透過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滿足散熱與絕緣要求，然而陶瓷基板的製作難度非常高，本身的脆性也不利于大面積的陣列，業者不得不採用將絕緣材料貼在鋁或鐵質等散熱基板上的多層結構，利用接腳的焊接，將晶粒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佈材料改為散熱材質的構想，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，透過預選（Pre-selection）機制，選擇符合認證的材料，將可減少最終產品所需通過的耐久性測試項目。因此，LED模組內的材料皆須通過對應的認證，以確保燈具產品能夠長久使用而不致發生危險。

　　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佈材料，也必須取得對應的長時間使用溫度（或稱為相對熱指數，Relative Thermal Index， RTI，列于UL 746E之中）與耐燃等級認可。

　　這些要求均會受到LED燈具產品實際使用時的內部溫度影響：內部溫度愈低，對散熱材料的溫度等級要求也就愈低。然而，散熱程度有賴于材料的改質，散熱表現愈好的材料價格相對昂貴，使業者面臨成本與安全要求兩難的局面。

　　取得市場認證材料商 寥寥可數

　　散熱材料的配方多屬機密或專利保護，因此散熱基板的差異性很大，沒有辦法像FR-1、FR-4等業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（Relative Temperature Index， RTI） 高于90℃以上的認可時，均必須進行長達9到18個月以上的長時間測試，甚至可能出現無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，又必須再進行2到4個月的電路板製作能力認可，種種原因使得長時間缺料的情況屢見不鮮。

　　目前全球取得散熱基板耐溫認可的材料商寥寥可數，且多非大型製造商。關于已取得認可的廠商名單，可至UL的公開認證資料庫查詢 （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

　　除了本身具有足夠散熱能力的絕緣基板材料，其他用于結合銅箔線路與散熱材料的中間絕緣材料層，皆須以結合后的結構進行耐溫測試。

　　依據標準，擔負所有散熱能力的絕緣材料，在RTI評估時，需要進行介電強度（Dielectric）、抗拉強度（Tensile Strength）、分層（Delamination）與耐燃（Flammability）等長時間熱衰退分析。至于結合散熱材料的複合結構，則必須進行介電強度、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，電路板製造商還必須製作適當的樣品，再次進行在固定溫度、不同寬度下的導體抗撕強度、分層結合性觀察與涂佈防焊材料的耐燃測試，以判定電路板製造商的製作能力。在適當的聚合條件環境下，散熱材料的耐燃能力通常是無庸置疑；至于在其他特性的表現，對散熱材料而言就是相當大的考驗。

　　儘管是新用途要求，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，環氧樹脂相較于壓克力樹脂（Acrylic） 或是硅樹脂（Silicon），還是最方便的改質基質（Matrix）。

　　材料的散熱能力，大多是透過添加無機陶瓷粒子（不導電但導熱，金屬粒子則因會導電而無法採用）以達到散熱要求；而添加量與分散的狀況，皆會影響環氧樹脂的結合性。

　　一般情況而言，當重量添加超過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，甚至也會發生脆化或者直接發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，也會發生介電強度不均勻（heterogeneous或是anisotropic） 的情況。雖然奈米等級的粒子分散已證實能夠減少添加量并維持散熱特性，同時減少其他環境特性，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。

　　結論

　　LED散熱基板維繫高效率LED照明的發展，但其技術難度與障礙并不亞于LED晶粒封裝，該如何提前投入發展基板材料，如何克服LED散熱基板的安全問題，將是維持臺灣LED照明產業競爭優勢刻不容緩的思考關鍵。