【揭秘】保护材料跟LED生命关联性

LED本质上是很可靠的,但严酷的应用可能会使固态照明设备面临风险。本文将阐述了如何选择正确的保护材料来提高LED的使用寿命和性能。

随着LED和固态照明行业的蓬勃发展,产品开发商正在将技术应用到严酷的环境中。现在,我们来讨论在恶劣环境中(如海洋应用)保护LED和电路组件的必要性。涂层和其他保护技术可以延长固态照明系统的使用寿命和性能。

随着LED市场的快速发展,正确的产品选择是确保LED性能和使用寿命的关键。在本文中,我们将强调在各种环境中使用LED,并介绍在这些环境下如何采取适当的保护。开发过程必须确保可靠性,同时确保固态照明系统良好的光学性能(图1)。

图1. 扩散(UR5635)和透明(UR5634)聚氨酯树脂在固态照明系统中提供的光学性能有很大的不同。

LED应用越来越多样化;设计要求、位置或产品的功能都能证明LED设计人员面临的挑战在不断变化。像大多数电子设备一样,LED表现良好,直到外部影响开始降低其性能。这些影响可以包括灰尘、潮湿或腐蚀性环境的静电吸引,化学或气体污染以及许多其它可能性。因此,需要仔细考虑到最终用途环境,以确保可以选择正确的产品。

机遇与应用

LED照明的发展归功于LED在适应性、寿命和效率方面灯优势优于传统的照明形式。因此,很容易理解为什么LED照明被广泛应用于大量应用中,包括家用灯、工厂用工业照明,海洋环境照明以及建筑照明和设计等。

将标准建筑照明应用中的环境条件与海洋环境相比较可以帮助我们了解LED恶化的潜在原因。在建筑照明应用中,由于照明单元的设计,LED本身可能被覆盖,或者LED的朝向使得它只可能暴露于环境温度和湿度的一般变化中。在海洋环境中,LED灯可能会被盐水溅到或者浸泡。此外,在所有的情况下,灯的大部分使用寿命是在盐雾环境中工作。高盐条件可能会导致腐蚀印刷电路板(PCB),从而比一般湿度变化会更快地降低其性能。通常,在这些环境中,保形涂层和封装树脂都可提供高水平的保护。

保护选项

保形涂层是我们讨论的第一个保护措施。涂层通常是符合PCB轮廓的薄漆,提供良好的保护的同时而不会显著增加电路板的重量或体积。它们的厚度通常为25-75微米,并且易通过喷涂或浸渍技术就可以轻松地使用。

为了在LED顶部进行保护,使用的涂层须具有良好的透明度,并且在所需环境中在产品的整个使用寿命内一直保持清晰。如果用于室外,涂层可能就需要具有良好的UV稳定性。因此,最佳类型的保形涂层都基于一种丙烯酸化学材料,提供清晰度和颜色稳定性以及优异的湿度和盐雾保护性。图2描绘了盐雾试验,其中丙烯酸涂层提供了优异的保护。

图2. 当暴露于盐雾试验时,基于不同化学基质的涂料可提供不同程度的性能。

通常,丙烯酸共形涂层是基于溶剂的产品,其中使用的溶剂是一种液体载体,将树脂薄膜沉积在基材上。使用的溶剂为挥发性有机化合物(VOC)。由于这种溶剂在应用阶段仅存在于LED上几分钟时间,所以对于大多数系统来说,这不是一个长期存在的问题。在某些情况下,LED制造商对含VOC的产品以及其他特定化学品的使用具有特定要求,这些在LED手册上有列出。通常,化学相容性检查有助于确认溶剂型保形涂层是否适用于特定的LED。

色温问题

除了要考虑涂层对LED的影响外,还需要了解涂层对色温的影响。图3描述了在LED照明中常见的相关色温(CCT)带。色温随时间的变化,也被称为色彩维护,当考虑保护介质的类型时,这一直是一个问题。据了解,无论什么材料直接放置在LED晶体上,都会导致相互作用,从而导致色温偏移。

图3. LED处于某些典型的色温谱带中。

CCT变化通常从温暖的温度到较冷的温度,并且在不同的LED类型和色温带之间变化。此外,它也会因应用的保护材料而有所不同。这是另一个领域,丙烯酸保形涂层比其他化学材料和产品类型更有优势。

图4描绘了暖白色LED的典型色温偏移。为了突出色温可能的变化,它已经包括了不同的厚度和固化机理,以突显色温的可能变化。红线表示所用LED特定类型的色温边界;就是说,当购买LED时,其色温就可能在这些线之间的任何地方。

图4. 色温偏移取决于涂层厚度和固化时间。

图4中所指的薄涂层和厚涂层代表保形涂层的最小和最大厚度水平,即25和75微米。通过应用这种薄膜,色温偏移被最小化,并且可以在由LED制造商给出的边界内进行控制。

在理想的情况下,保形涂层可用于所有LED应用中,因为保形涂层应用简便、对照明单元的体积和重量影响小、使用的多功能性以及对色温偏移的影响。但是,众所周知,一个解决方案通常无法适用于所有应用程序。如前所述,保形涂料在潮湿和盐雾环境中提供了极好的防护等级,但是在经常浸入水中、化学飞溅以及腐蚀性气体的环境中,保形涂层不能提供最高水平的保护。在这种情况下,我们建议考虑密封树脂以提供更高水平的保护。

密封树脂

密封树脂也以许多不同的化学类型出现,包括环氧树脂、聚氨酯和硅树脂。通常,环氧树脂在机械影响方面提供更坚固的保护,但是它们没有其它化学品的柔性,这可能导致热循环期间的问题。此外,标准环氧树脂系统不能提供其他系统的清晰度和颜色稳定性。

硅树脂确实有极好的透明度,并且在极端温度下表现良好,而聚氨酯树脂在恶劣环境中提供良好的柔韧性、透明度和高水平的保护。图5显示了三种树脂化学类型在暴露在紫外线1000小时后,通过检查树脂的颜色差异,三种树脂化学类型的透明度差异,从而突出了每种树脂在室外条件下的稳定性。在此图中,硅树脂和聚氨酯树脂显然优于标准环氧树脂体系。

图5. 暴露在紫外线1000小时后,树脂化学物质对色温有不同的影响。

环境暴露

比较各种产品在恶劣环境下的性能,也可以让用户根据最终使用条件来进行产品选择。例如,图6示出了腐蚀性气体环境对丙烯酸保形涂层、聚氨酯树脂和硅树脂的影响。通过将三者暴露于混合气体环境后,检查LED的光通量百分比降低。这些结果清楚地说明了为环境选择正确产品的重要性。虽然保形涂层在腐蚀性气体环境中表面绝缘电阻不会劣化,但是对于LED而言,它不能充分保护LED,因为它可以让气体通过薄涂层并穿透LED,从而随时间推移,其性能降低。

图6. 当暴露于腐蚀性气体时,不同的涂层类型可能会导致光学效率的退化。

有机硅树脂也有类似的效果;然而,在此案中,尽管保护层相当厚(2毫米对比50微米),但是气体仍然能够通过树脂并影响LED。当你比较有机硅树脂与聚氨酯材料的结果时,显然这两种化学类型的性能有差异,因为有机硅树脂对气体是可渗透的,而相同厚度的聚氨酯树脂则不。在这种情况下,光学透明的聚氨酯树脂,如Electrolube UR5634,是防止腐蚀性气体影响LED的最合适的保护材料。

聚氨酯树脂都被认作是在许多不同环境中保护LED的合适树脂。此外,它们还可以改造,提供额外的优点,例如着色系统,用于覆盖PCB但不超过LED的高度。这种树脂用于PCB的保护,不仅让表面赏心悦目,而且通过将光从PCB反射出来并增加光输出,从而提升照明灯具的性能。还有专门的树脂用来扩散LED的光。 比如Electrolube UR5635之类的树脂可以提供两种解决方案:免受周围环境影响和实现光的扩散,因此可能不需要购买散热灯罩和灯帽。

保护材料配方

很明显,密封树脂可以在一系列环境中提供高水平的保护,并且可以通过选择化学类型或通过特定树脂的配方来适应应用要求。但是,在前面,我们讨论了薄膜保形涂层对色温影响很小。当比较保形涂层与密封树脂的厚度时,很明显,树脂带来的保护水平提高部分是因为它可以实现更多的涂层。树脂可以以1-2毫米或更深的深度增加,但这种深度也将对所观察到的色温水平产生影响。

图7显示了用不同厚度聚氨酯树脂的LED的典型色温偏移。很明显,厚度与色温偏移程度直接相关,因此在选择合适的保护材料时,这是另一个重要考虑。我们知道会出现色温偏移,但要考虑到LED偏移的重复性。如果偏移持续,则可以通过重新考虑原始LED色温。

图7. 色温根据涂层的厚度发生不同程度的变化。

本文讨论了选择LED系统保护时所需的各种考虑。评估环境对于成功选择产品至关重要,无论是最终使用性能,还是生产工艺的适用性方面。保形涂料不仅使用方便、能融入设计,而且在潮湿和盐雾环境中具有优异的防护等级。由于低厚度,它们也对色温的影响很小。

当条件变得更具挑战性时,建议转换到密封树脂。在这种情况下,化学类型之间的选择将由最终使用条件和特定的环境影响决定。此外,应考虑要添加的树脂的厚度,以确保实现充分的保护,同时尽可能减少对色温变化的影响。(编译:LEDinside James)

 

 

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