UL對LED燈具散熱基板要求嚴格 成本與安全成兩難

隨著LED照明產品暨相關組件第一版安全標準《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燈具企業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；相比傳統燈具，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；如何做周延的考慮，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廠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，然而陶瓷基板的制作難度非常高，本身的脆性也不利于大面積的數組，業者不得不采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模塊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布材料，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，使企業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個月的電路板制作能力認可，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，且多非大型制造商。關于已取得認可的廠商名單，可至UL的公開認證數據庫查詢 (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，其它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復合結構，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，電路板制造商還必須制作適當的樣品，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，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采用）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，同時減少其它環境特性，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散熱基板維系高效率LED照明的發展，但其技術難度與障礙并不亞于LED芯片封裝，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，將是維持中國LED照明產業競爭優勢刻不容緩的思考關鍵。