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LED光彩背后的无名英雄—散热基板的难题
  发布日期：2010-08-30
随着LED照明产品暨相关元件第一版安全标准《ANSI/UL 8750》于2009年底正式生效，并取得美国国家标准机构（American National Standar
随着LED照明产品暨相关元件第一版安全标准《ANSI/UL 8750》于2009年底正式生效，并取得美国国家标准机构（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灯具业者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；相较于传统灯具，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；如何做周延的考量，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业者对散热基板的安全设计及成本考量有更深入的瞭解，并提前做好准备。
散热关键在于LED晶粒封装与基板设计
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晶粒封装设计成不同形状的阵列；又为了要达到控制的要求，因此最好的方式就是将LED晶粒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 （Paper 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，然而陶瓷基板的製作难度非常高，本身的脆性也不利于大面积的阵列，业者不得不採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，将晶粒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佈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模组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佈材料，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，使业者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个月的电路板製作能力认可，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，且多非大型製造商。关于已取得认可的厂商名单，可至UL的公开认证资料库查询 (http://database.ul.com/cgi-bin/XYV/template/LISEXT/1FRAME/index.html）。
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，其他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複合结构，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，电路板製造商还必须製作适当的样品，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佈防焊材料的耐燃测试，以判定电路板製造商的製作能力。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；至于在其他特性的表现，对散热材料而言就是相当大的考验。
儘管是新用途要求，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採用）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，同时减少其他环境特性，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散热基板维繫高效率LED照明的发展，但其技术难度与障碍并不亚于LED晶粒封装，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，将是维持台湾LED照明产业竞争优势刻不容缓的思考关键。