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保護材料跟LED生命關聯性

:2018-04-09    :333

 酷的應用可能會使固態照明設備麵臨風險。本文將闡述了如何選擇正確的保護材料來提高LED的使用壽命和性能。

隨著LED和固態照明行業的蓬勃發展,產品開發商正在將技術應用到嚴酷的環境中。現在,我們來討論在惡劣環境中(如海洋應用)保護LED和電路組件的必要性。塗層和其他保護技術可以延長固態照明係統的使用壽命和性能。

隨著LED市場的快速發展,正確的產品選擇是確保LED性能和使用壽命的關鍵。在本文中,我們將強調在各種環境中使用LED,並介紹在這些環境下如何采取適當的保護。開發過程必須確保可靠性,同時確保固態照明係統良好的光學性能(圖1)。

圖1. 擴散(UR5635)和透明(UR5634)聚氨酯樹脂在固態照明係統中提供的光學性能有很大的不同。

LED應用越來越多樣化;設計要求、位置或產品的功能都能證明LED設計人員麵臨的挑戰在不斷變化。像大多數電子設備一樣,LED表現良好,直到外部影響開始降低其性能。這些影響可以包括灰塵、潮濕或腐蝕性環境的靜電吸引,化學或氣體汙染以及許多其它可能性。因此,需要仔細考慮到最終用途環境,以確保可以選擇正確的產品。

機遇與應用

LED照明的發展歸功於LED在適應性、壽命和效率方麵燈優勢優於傳統的照明形式。因此,很容易理解為什麽LED照明被廣泛應用於大量應用中,包括家用燈、工廠用工業照明,海洋環境照明以及建築照明和設計等。

將標準建築照明應用中的環境條件與海洋環境相比較可以幫助我們了解LED惡化的潛在原因。在建築照明應用中,由於照明單元的設計,LED本身可能被覆蓋,或者LED的朝向使得它隻可能暴露於環境溫度和濕度的一般變化中。在海洋環境中,LED燈可能會被鹽水濺到或者浸泡。此外,在所有的情況下,燈的大部分使用壽命是在鹽霧環境中工作。高鹽條件可能會導致腐蝕印刷電路板(PCB),從而比一般濕度變化會更快地降低其性能。通常,在這些環境中,保形塗層和封裝樹脂都可提供高水平的保護。

保護選項

保形塗層是我們討論的第一個保護措施。塗層通常是符合PCB輪廓的薄漆,提供良好的保護的同時而不會顯著增加電路板的重量或體積。它們的厚度通常為25-75微米,並且易通過噴塗或浸漬技術就可以輕鬆地使用。

為了在LED頂部進行保護,使用的塗層須具有良好的透明度,並且在所需環境中在產品的整個使用壽命內一直保持清晰。如果用於室外,塗層可能就需要具有良好的UV穩定性。因此,最佳類型的保形塗層都基於一種丙烯酸化學材料,提供清晰度和顏色穩定性以及優異的濕度和鹽霧保護性。圖2描繪了鹽霧試驗,其中丙烯酸塗層提供了優異的保護。

圖2. 當暴露於鹽霧試驗時,基於不同化學基質的塗料可提供不同程度的性能。

通常,丙烯酸共形塗層是基於溶劑的產品,其中使用的溶劑是一種液體載體,將樹脂薄膜沉積在基材上。使用的溶劑為揮發性有機化合物(VOC)。由於這種溶劑在應用階段僅存在於LED上幾分鍾時間,所以對於大多數係統來說,這不是一個長期存在的問題。在某些情況下,LED製造商對含VOC的產品以及其他特定化學品的使用具有特定要求,這些在LED手冊上有列出。通常,化學相容性檢查有助於確認溶劑型保形塗層是否適用於特定的LED。

色溫問題

除了要考慮塗層對LED的影響外,還需要了解塗層對色溫的影響。圖3描述了在LED照明中常見的相關色溫(CCT)帶。色溫隨時間的變化,也被稱為色彩維護,當考慮保護介質的類型時,這一直是一個問題。據了解,無論什麽材料直接放置在LED晶體上,都會導致相互作用,從而導致色溫偏移。

圖3. LED處於某些典型的色溫譜帶中。

CCT變化通常從溫暖的溫度到較冷的溫度,並且在不同的LED類型和色溫帶之間變化。此外,它也會因應用的保護材料而有所不同。這是另一個領域,丙烯酸保形塗層比其他化學材料和產品類型更有優勢。

圖4描繪了暖白色LED的典型色溫偏移。為了突出色溫可能的變化,它已經包括了不同的厚度和固化機理,以突顯色溫的可能變化。紅線表示所用LED特定類型的色溫邊界;就是說,當購買LED時,其色溫就可能在這些線之間的任何地方。

圖4. 色溫偏移取決於塗層厚度和固化時間。

圖4中所指的薄塗層和厚塗層代表保形塗層的最小和最大厚度水平,即25和75微米。通過應用這種薄膜,色溫偏移被最小化,並且可以在由LED製造商給出的邊界內進行控製。

在理想的情況下,保形塗層可用於所有LED應用中,因為保形塗層應用簡便、對照明單元的體積和重量影響小、使用的多功能性以及對色溫偏移的影響。但是,眾所周知,一個解決方案通常無法適用於所有應用程序。如前所述,保形塗料在潮濕和鹽霧環境中提供了極好的防護等級,但是在經常浸入水中、化學飛濺以及腐蝕性氣體的環境中,保形塗層不能提供最高水平的保護。在這種情況下,我們建議考慮密封樹脂以提供更高水平的保護。

密封樹脂

密封樹脂也以許多不同的化學類型出現,包括環氧樹脂、聚氨酯和矽樹脂。通常,環氧樹脂在機械影響方麵提供更堅固的保護,但是它們沒有其它化學品的柔性,這可能導致熱循環期間的問題。此外,標準環氧樹脂係統不能提供其他係統的清晰度和顏色穩定性。

矽樹脂確實有極好的透明度,並且在極端溫度下表現良好,而聚氨酯樹脂在惡劣環境中提供良好的柔韌性、透明度和高水平的保護。圖5顯示了三種樹脂化學類型在暴露在紫外線1000小時後,通過檢查樹脂的顏色差異,三種樹脂化學類型的透明度差異,從而突出了每種樹脂在室外條件下的穩定性。在此圖中,矽樹脂和聚氨酯樹脂顯然優於標準環氧樹脂體係。

圖5. 暴露在紫外線1000小時後,樹脂化學物質對色溫有不同的影響。

環境暴露

比較各種產品在惡劣環境下的性能,也可以讓用戶根據最終使用條件來進行產品選擇。例如,圖6示出了腐蝕性氣體環境對丙烯酸保形塗層、聚氨酯樹脂和矽樹脂的影響。通過將三者暴露於混合氣體環境後,檢查LED的光通量百分比降低。這些結果清楚地說明了為環境選擇正確產品的重要性。雖然保形塗層在腐蝕性氣體環境中表麵絕緣電阻不會劣化,但是對於LED而言,它不能充分保護LED,因為它可以讓氣體通過薄塗層並穿透LED,從而隨時間推移,其性能降低。

圖6. 當暴露於腐蝕性氣體時,不同的塗層類型可能會導致光學效率的退化。

有機矽樹脂也有類似的效果;然而,在此案中,盡管保護層相當厚(2毫米對比50微米),但是氣體仍然能夠通過樹脂並影響LED。當你比較有機矽樹脂與聚氨酯材料的結果時,顯然這兩種化學類型的性能有差異,因為有機矽樹脂對氣體是可滲透的,而相同厚度的聚氨酯樹脂則不。在這種情況下,光學透明的聚氨酯樹脂,如Electrolube UR5634,是防止腐蝕性氣體影響LED的最合適的保護材料。

聚氨酯樹脂都被認作是在許多不同環境中保護LED的合適樹脂。此外,它們還可以改造,提供額外的優點,例如著色係統,用於覆蓋PCB但不超過LED的高度。這種樹脂用於PCB的保護,不僅讓表麵賞心悅目,而且通過將光從PCB反射出來並增加光輸出,從而提升照明燈具的性能。還有專門的樹脂用來擴散LED的光。 比如Electrolube UR5635之類的樹脂可以提供兩種解決方案:免受周圍環境影響和實現光的擴散,因此可能不需要購買散熱燈罩和燈帽。

保護材料配方

很明顯,密封樹脂可以在一係列環境中提供高水平的保護,並且可以通過選擇化學類型或通過特定樹脂的配方來適應應用要求。但是,在前麵,我們討論了薄膜保形塗層對色溫影響很小。當比較保形塗層與密封樹脂的厚度時,很明顯,樹脂帶來的保護水平提高部分是因為它可以實現更多的塗層。樹脂可以以1-2毫米或更深的深度增加,但這種深度也將對所觀察到的色溫水平產生影響。

圖7顯示了用不同厚度聚氨酯樹脂的LED的典型色溫偏移。很明顯,厚度與色溫偏移程度直接相關,因此在選擇合適的保護材料時,這是另一個重要考慮。我們知道會出現色溫偏移,但要考慮到LED偏移的重複性。如果偏移持續,則可以通過重新考慮原始LED色溫。

圖7. 色溫根據塗層的厚度發生不同程度的變化。

本文討論了選擇LED係統保護時所需的各種考慮。評估環境對於成功選擇產品至關重要,無論是最終使用性能,還是生產工藝的適用性方麵。保形塗料不僅使用方便、能融入設計,而且在潮濕和鹽霧環境中具有優異的防護等級。由於低厚度,它們也對色溫的影響很小。

當條件變得更具挑戰性時,建議轉換到密封樹脂。在這種情況下,化學類型之間的選擇將由最終使用條件和特定的環境影響決定。此外,應考慮要添加的樹脂的厚度,以確保實現充分的保護,同時盡可能減少對色溫變化的影響。




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