邁向固態照明的「TSMC」-發現失落的地平線「熱應變」

 

刊登日期:2020/9/30
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張獻仁
 
能夠幫客戶超越競爭對手的就有機會做產業的TSMC。固態照明產業的主要利基在於幫助客戶創造更多商品利潤。在共通性大的產業環境下,唯有能幫客戶做大的獨特性,客戶對於供應商的依賴才會強大。產業最大的失敗是「照這樣做」與「以前沒問題」的企業文化與Know How,這很容易讓自己和客戶沉醉在理想中而省略掉驗證。使環境與理想條件間的微小變異將因巨量的次數而放大,能迫降到失落的地平線仍有挽救的機會。運氣好的,發現了香格里拉(關鍵影響因素),運氣不好的,則面對未知依然無知。須知光源的任何一個環節都與「熱效應」有關,其中又以熱衝擊(Thermal Impact)產生的「熱應變」為材料脆弱的關鍵影響因素。「改善熱應變」,一切將變得更好。
 
產業現況
台灣固態照明業者難以成為產業的TSMC,主要是產品同質性高,因此買賣價格決定權掌握在客户手上。供應商多半淪為被客戶比價、削價的籌碼。採購政策一向以「最低價決標」的割喉式議價,供應商為了生存與逐利,無不卯足全力如法炮製壓榨供應商Cost Down。如此惡性循環,培養出供應商「偷」的藝術,偷在「沒看到」 (說、寫、做不一致),偷在「看不到」(潛在不良)。這在大企業單位間立場分明,不管供應商全方位的性能(P)、品質(Q)、成本(C)、交期(D)、服務(S)的綜合適用性,只顧瞎子摸象,各持己見,互不相讓,往往讓「潛在不良」悄悄的侵蝕了品牌形象。產業的生存,一是轉型擁抱下一世代的理想光源的香格里拉。如轉型到Mini LED、Micro LED;二是發現失落的地平線,改善產品構成的體質,進軍穩定供應與獲利的車用LED市場;三是走無限壽命的照明管理系統,把LED光-電-熱-機最佳化。
 
固態照明業者以塑造更高的光通量或光強度作為行銷的賣點。統一在理想狀態(Standard Condition @25℃)的規格下都有最優異的表現。但做成商品有太多不利光電效能的限制條件,如商品微型化、LED密集化、功能強效化,密集的光電半導體運作產生的熱效應,機體高溫化是必然的趨勢。高溫是光電元件的致命傷,但供應商大多不願碰觸,因為Cost Down掛帥,高溫測試數據難看不利行銷。要改善就要Cost Up。正因如此,有遠見的業者紛紛朝Mini LED、Micro LED均化混光與熱分散,提升光源的質與量。或朝車用LED降低熱阻提升光效與耐環境性。至於走消費性3C或AM/ DIY的業者,也有可觀的使用者,適者生存,本文不多著墨。
 
失落的地平線—潛在的熱應變
高規產品有著驚鴻一瞥的展示,也有曇花一現的窘境,使用不當的元件,用在不適合的地方,都會使產品評價大打折扣。即使知名品牌的光源,短時間也可能失敗。其實製造商都心知肚明,3C產品消費者在意的程度從180天後就逐漸不care產品,360天後就逐漸感受不到產品壽命或不良的衝擊,甚至對新產品高C/P值或價格的新鮮感已超越舊品的不好印象。所以價格戰永遠是固態照明產業脫離不了的枷鎖。只有玩得起價格戰或持久戰的能勝出,即使最後勝出,新一代的光源又取而代之,所以固態照明產業沒有永遠的贏家,只有跑在前面的領導者務實在經營產品尖端技術。
 
固態照明產業越上游是越資本密集的產業,越下游是導引需求與需求導向勝出的產業,求快求變搶市場先機。如果不想長期這麼戰戰兢兢的經營產業,車用市場與照明應用管理市場是個雖非海量但利潤豐厚而且可以維持長久的產業,這類產業存在的關鍵只是「可靠(Reliability)」,能安全可靠的應用在各種環境,耐久不壞。要達到此水準必須要很懂照明光源特性的設計者,及長期經營最惡環境驗證的應用者較能做到。解方一語道破是改善因材料間熱膨脹差異產生的相對位移,即熱應變。營造越低的點燈熄燈溫差,熱應變就越小。說來簡單,至於怎麼改善就要看各人的實戰功力與驗證結果反饋的Know Why。
 
如同市場的LED燈泡,知名品牌不一定比貼牌的點得更亮更久。當燈泡密閉,內部只有小面積的MCPCB,沒有良好的導熱效果,點燈飆到90℃以上是必然的,而且功率越大溫度越高,晶體越接近崩潰條件,而光電元件大量使用環氧樹脂封裝與低價的電木基板應用,這些脆性、含水率高的材料,以及不恰當製程,使高溫水氣旺盛與材料熱膨脹差異產生的應變裂隙促使應力集中,造成晶粒、金線、基底、焊點發生內裂與剝離的主因。其次是大陸型乾燥氣候的靜電破壞。
 
筆者多年前在LED燈泡剛出來時,選用國際知名品牌,但使用1~2年就陸續失效,點燈也不到2,000小時,與LED標榜的數萬小時壽命有天壤之別!這不是LED供應商欺騙,而是設計者沒有詳細研究LED的高溫表現和LED的特性,只看額定規格就設計。須知LED Data Sheet多是呈現在25℃的表現。而裝入燈泡、燈具就是另一個高溫環境。所以不當的設計是失效的致命傷,不當的製程產生的潛在不良是墜機必然要因,燈具惡劣的散熱環境如同沿著參天的喜瑪拉雅峰間飛行,高溫與點燈熄燈的高溫差,是提早失效的引爆點。說明如下:
1. MCPCB製程不良
無鉛焊錫要瞬間加熱到217℃~260℃,一般回焊爐(IR Reflow)設備是為SMT PCB製程設計的。MCPCB散熱快,紅外線再怎麼加熱也不敵MCPCB的散熱,很難使焊點達到熔錫的高溫,必須加裝基板預熱裝置預熱到150~200℃---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
熱應變的負面影響
1. 發生在P/N Junction
Ⅲ族金屬與Ⅴ族非金屬的熱膨脹係數不同,常溫啟動到點燈高溫熱平衡的長度差稱熱應變,同時生成拉扯的內應力,在脆性的非金屬材料容易產生應力集中的裂痕。低溫有較佳的---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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