電子產品防火策略：PIS、材料科學 (UL 94) 與防火外殼設計

在所有產品安全事故中，火災無疑是後果最嚴重、最受公眾關注的危害之一；因此，防火工程（Fire Protection Engineering）是安規設計中至關重要的一環，然而，防火策略並非僅僅是選用 UL 94 V-0 等級的塑膠材料那麼簡單。

一個真正穩健的防火設計，是一套從源頭預防、過程抑制到後果圍堵的完整系統工程，它涉及對能量源的精確控制、對材料燃燒行為的深刻理解，以及對外殼結構失效模式的嚴謹分析。

本文探討電子產品的防火策略，解析潛在引燃源（PIS）的控制邏輯、防火材料的真實意義，以及防火外殼的設計原則與挑戰。

防火的核心哲學：抑制引燃與防止蔓延

現代安全標準（特別是 IEC 62368-1）中的防火策略，建立在兩個核心目標之上，這兩個目標構成了防護的層層遞進：

1. 抑制引燃 (Ignition)： 透過工程設計，最大限度地降低產品內部元件（特別是電路）引燃鄰近材料的可能性。

2. 防止蔓延 (Flame Spread)： 假定引燃在最壞情況下依然發生，必須透過材料選擇和結構設計，將火焰限制在產品內部，防止其蔓延到外部環境，造成更大的傷害或財產損失。

所有的防火要求，無論是材料等級還是結構開孔限制，都是為了服務這兩個核心目標之一或全部。

從源頭管理：潛在引燃源 (PIS) 的識別與控制

最有效的防火策略始於源頭——防止火苗的產生。這就引入了潛在引燃源（PIS, Potential Ignition Source）的概念。

PIS 的定義與工程邏輯

PIS 並非指火源本身，而是指一個在正常或異常工作條件下，具有足夠能量（通常是熱能）來引燃特定材料（如塑膠、PCB 基板）的零部件或電路區域。

在 IEC 62368-1 的框架下，PIS 的概念與功率源（Power Source, PS）分類緊密相關：

• PS1（Class 1 Power Source）： 功率輸出極低，在任何條件下（包括短路）都不足以引燃材料。因此，PS1 電路不被視為 PIS。

• PS2（Class 2 Power Source）： 功率輸出受限。在正常操作下通常是安全的，但在可預見的異常（如元件故障）下，其釋放的功率可能足以引燃易燃材料（如 HB 級），但不足以引燃具有一定阻燃性的材料（如 V-1 級）。PS2 因此是一個有條件的 PIS。

• PS3（Class 3 Power Source）： 功率輸出強大。在正常或異常條件下，都有足夠能量引燃包括 V-0 在內的絕大多數阻燃材料。PS3 被視為恆定的 PIS。

PIS 的控制實踐

識別 PIS 的目的在於「管理」它，工程師有兩種主要的管理路徑：

1. 消除 PIS： 透過電路設計，將 PS2 或 PS3 電路「降級」為 PS1，例如，使用精確且可靠的過流保護（如保險絲、PTC）或過溫保護，確保在任何故障下，電路釋放的能量都低於引燃閾值。這是最優先、最根本的解決方案。

2. 隔離 PIS： 如果 PIS 無法被消除（例如，PS3 的主電源電路），則必須將其與可燃材料隔離。這包括：

   • 將 PIS 安裝在具有足夠耐燃等級的基板上（例如，FR-4 材料）。

   • 確保 PIS 與其他可燃部件（如塑膠外殼）之間有足夠的空間距離。

   • 使用金屬屏障或高耐燃等級的絕緣片將其隔開。

材料科學的防線：阻燃等級的真實意義

當引燃無法在源頭被 100% 抑制時，第二道防線——材料的阻燃性——便開始發揮作用。

超越 V-0, V-1：燃燒行為的解讀

工程師最常接觸的是 UL 94 標準中的垂直燃燒等級：HB, V-2, V-1, V-0, 5VA/5VB，許多設計者僅僅將其視為一個「合格標記」，但理解這些等級背後的燃燒行為至關重要：

• HB (Horizontal Burn)： 水平燃燒，材料會持續燃燒，但燃燒速率較慢，這基本是「可燃」的代名詞。

• V-2 (Vertical Burn - Class 2)： 垂直燃燒時會自熄，但允許產生燃燒的熔滴（Flaming Drips），這是一個巨大的隱患，因為熔滴會將火種傳播到設備內部的其他區域或外部。

• V-1 (Vertical Burn - Class 1)： 垂直燃燒時會自熄，且不允許產生燃燒的熔滴，自熄時間要求比 V-2 嚴格，但比 V-0 寬鬆。

• V-0 (Vertical Burn - Class 0)： 最嚴格的垂直燃燒等級之一，要求快速自熄，不允許熔滴，且餘焰（Afterglow）時間短，這通常是防火外殼的最低要求。

• 5VA / 5VB (5V Burn)： 這是比 V-0 更嚴苛的測試，它模擬一個強大的、持續的火源（能量遠高於 V-0 測試）直接衝擊材料，5VA 意味著材料（作為外殼）在測試後沒有被燒穿（沒有開孔），而 5VB 則允許被燒穿，5VA 是最高等級的防火外殼材料。

阻燃劑的物理與化學機制

材料的阻燃性並非憑空而來，而是透過在聚合物基材中添加阻燃劑（Flame Retardants）實現的，這些添加劑的機制（均為文字描述，無化學式）大致分為幾類：

1. 氣相抑制（Vapor Phase Inhibition）：

   • 這是「鹵素阻燃劑」（如含溴阻燃劑）的主要機制，當材料受熱時，阻燃劑釋放出鹵素自由基（Radicals）。

   • 這些鹵素自由基會進入氣相（即火焰中），主動捕捉並中和維持燃燒連鎖反應所必需的高活性自由基（如氫自由基和氧自由基）。

   • 其效果如同化學滅火器，在氣體層面「掐斷」了火焰的燃料鏈。

2. 固相成炭（Solid Phase Charring）：

   • 這是「磷系阻燃劑」和「氮系阻燃劑」的常見機制。

   • 受熱時，阻燃劑會促進聚合物脫水並「碳化」（Charring），在材料表面形成一層緻密的、多孔的碳層。

   • 這層碳層起到了雙重作用：

     • 隔熱： 阻止外部熱量繼續傳遞到內部的未燃材料。

     • 隔絕氧氣： 阻止氧氣接觸到材料表面，使燃燒窒息。

3. 吸熱冷卻（Endothermic Cooling）：

   • 這是「無機氫氧化物阻燃劑」（如氫氧化鋁、氫氧化鎂）的機制。

   • 當材料受熱達到一定溫度時，這些氫氧化物會發生化學分解，這個過程需要吸收大量的熱（吸熱反應）。

   • 同時，它們會釋放出水蒸氣。

   • 這個機制如同在材料內部植入了微小的「滅火器」，既能冷卻材料表面，釋放的水蒸氣又能稀釋火焰中的可燃氣體和氧氣。

防火外殼 (Fire Enclosure) 的設計原則：圍堵與遏制

當 PIS 引燃了材料，而材料本身（即使是 V-0）也無法完全阻止火勢時，防火外殼（Fire Enclosure）就成為了防止災難升級的最後一道，也是最重要的一道防線。

防火外殼的「性能」要求

防火外殼的核心使命是：在內部發生火災時，必須有足夠的結構完整性，將火焰、高溫氣體和燃燒的熔滴限制在外殼內部，防止其蔓延至外部。

這表示外殼材料的選擇（通常至少為 V-1 或 V-0）只是第一步，更關鍵的是結構設計。

結構設計的失效模式：開孔 (Openings)

通風孔或散熱開孔是防火外殼最大的敵人，火焰和高溫氣體會本能地尋找這些出口。

• 直線路徑的危險： 如果一個開孔允許從內部的 PIS 到外部環境存在一條「直線可視路徑」，那麼火焰和熔滴就可能直接噴射出去。

• 設計對策：

  • 限制尺寸與位置： 標準嚴格限制開孔的尺寸和相對於 PIS 的位置。

  • 迷宮式設計 (Labyrinth/Dog-Leg)： 設計交錯的、非直線的通風路徑。這迫使高溫氣體在逸出前必須經過曲折的路徑，使其降溫、減速，並使燃燒的顆粒沉降在內部，從而防止明火逸出。

結構設計的失效模式：接縫 (Seams) 與屏障 (Baffles)

• 接縫（Seams）： 塑膠外殼上下蓋之間的接合處，是結構的薄弱點。

  • 失效模式： 內部的熱量和壓力可能使接縫變形、翹曲，產生縫隙，導致火焰洩漏。

  • 設計對策： 使用「企口」（Tongue and Groove）或「交錯式」（Overlap）的接縫設計，這種設計即使在受熱輕微變形時，也能保持路徑的曲折性，阻止火焰直接穿透。

• 內部屏障（Baffles）：

  • 在大型設備或高風險區域（如電池倉）附近，會使用內部屏障（金屬或高耐燃等級材料）。

  • 其作用是在火源和外殼開孔之間建立一個「防火牆」，引導火焰走向，防止其直接衝擊外殼的薄弱點或開孔。

現代挑戰：鋰電池熱失控的防護策略

鋰離子電池的防火是當今安規工程面臨的最大挑戰之一，因為它引入了傳統電子產品所沒有的失效模式。

熱失控 (Thermal Runaway) 的連鎖反應

熱失控（Thermal Runaway）是一種能量釋放的連鎖反應。當單個電池芯因內部短路、過充或外部高溫而失效時，它會釋放大量的熱和易燃的電解液氣體。

• 高速噴射： 這種釋放通常是爆炸性的、定向噴射的。

• 連鎖引燃： 這個高溫噴射物會立即引燃鄰近的電池芯，導致整個電池組發生多米諾骨牌式的連鎖失效。

• 能量的本質： 這不僅僅是「燃燒」（需要外部氧氣），更是一種劇烈的「化學分解」，它自帶氧化劑，極難被傳統方式撲滅。

超越傳統防火：屏障 (Barriers) 的應用

對於熱失控，僅靠 V-0 的外殼是遠遠不夠的。防火策略必須升級：

• 單芯隔離： 在電池組設計中，使用耐高溫的絕緣材料（如雲母片、陶瓷纖維）將每個電池芯相互隔離。

• 定向洩壓： 設計堅固的電池倉，並預留一個安全的「洩壓通道」。目的是控制熱失控的噴射方向，將其引導至產品外部一個相對安全、不會引燃其他部件的路徑。

• 防火屏障（Fire Barriers）： 在電池組和使用者可觸及的外殼之間，必須設置一個能夠承受熱失控噴射物（可能超過 800°C）的屏障，通常是金屬或複合防火材料，以防止外殼被瞬間燒穿。

防火是一門系統工程

防火安全設計絕非單點的合規性檢查。它是一門跨越電氣、材料和機械結構的系統工程，它要求工程師從 PIS 的源頭控制開始，到阻燃材料的科學選用，再到防火外殼的結構完整性設計，最後到應對熱失控等極端失效模式，層層設防；只有深刻理解每一道防線背後的失效機制，才能在成本、性能和安全之間，做出真正專業的工程決策。