保護(hù)材料跟LED生命關(guān)聯(lián)性
：2018-04-09
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酷的應(yīng)用可能會(huì)使固態(tài)照明設(shè)備面臨風(fēng)險(xiǎn)。本文將闡述了如何選擇正確的保護(hù)材料來提高LED的使用壽命和性能。
隨著LED和固態(tài)照明行業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)品開發(fā)商正在將技術(shù)應(yīng)用到嚴(yán)酷的環(huán)境中。現(xiàn)在，我們來討論在惡劣環(huán)境中（如海洋應(yīng)用）保護(hù)LED和電路組件的必要性。涂層和其他保護(hù)技術(shù)可以延長(zhǎng)固態(tài)照明系統(tǒng)的使用壽命和性能。
隨著LED市場(chǎng)的快速發(fā)展，正確的產(chǎn)品選擇是確保LED性能和使用壽命的關(guān)鍵。在本文中，我們將強(qiáng)調(diào)在各種環(huán)境中使用LED，并介紹在這些環(huán)境下如何采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。開發(fā)過程必須確?？煽啃?，同時(shí)確保固態(tài)照明系統(tǒng)良好的光學(xué)性能（圖1）。
圖1. 擴(kuò)散（UR5635）和透明（UR5634）聚氨酯樹脂在固態(tài)照明系統(tǒng)中提供的光學(xué)性能有很大的不同。
LED應(yīng)用越來越多樣化；設(shè)計(jì)要求、位置或產(chǎn)品的功能都能證明LED設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)在不斷變化。像大多數(shù)電子設(shè)備一樣，LED表現(xiàn)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(huán)境的靜電吸引，化學(xué)或氣體污染以及許多其它可能性。因此，需要仔細(xì)考慮到最終用途環(huán)境，以確保可以選擇正確的產(chǎn)品。
機(jī)遇與應(yīng)用
LED照明的發(fā)展歸功于LED在適應(yīng)性、壽命和效率方面燈優(yōu)勢(shì)優(yōu)于傳統(tǒng)的照明形式。因此，很容易理解為什么LED照明被廣泛應(yīng)用于大量應(yīng)用中，包括家用燈、工廠用工業(yè)照明，海洋環(huán)境照明以及建筑照明和設(shè)計(jì)等。
將標(biāo)準(zhǔn)建筑照明應(yīng)用中的環(huán)境條件與海洋環(huán)境相比較可以幫助我們了解LED惡化的潛在原因。在建筑照明應(yīng)用中，由于照明單元的設(shè)計(jì)，LED本身可能被覆蓋，或者LED的朝向使得它只可能暴露于環(huán)境溫度和濕度的一般變化中。在海洋環(huán)境中，LED燈可能會(huì)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(huán)境中工作。高鹽條件可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕印刷電路板（PCB），從而比一般濕度變化會(huì)更快地降低其性能。通常，在這些環(huán)境中，保形涂層和封裝樹脂都可提供高水平的保護(hù)。
保護(hù)選項(xiàng)
保形涂層是我們討論的第一個(gè)保護(hù)措施。涂層通常是符合PCB輪廓的薄漆，提供良好的保護(hù)的同時(shí)而不會(huì)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，并且易通過噴涂或浸漬技術(shù)就可以輕松地使用。
為了在LED頂部進(jìn)行保護(hù)，使用的涂層須具有良好的透明度，并且在所需環(huán)境中在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命內(nèi)一直保持清晰。如果用于室外，涂層可能就需要具有良好的UV穩(wěn)定性。因此，最佳類型的保形涂層都基于一種丙烯酸化學(xué)材料，提供清晰度和顏色穩(wěn)定性以及優(yōu)異的濕度和鹽霧保護(hù)性。圖2描繪了鹽霧試驗(yàn)，其中丙烯酸涂層提供了優(yōu)異的保護(hù)。
圖2. 當(dāng)暴露于鹽霧試驗(yàn)時(shí)，基于不同化學(xué)基質(zhì)的涂料可提供不同程度的性能。
通常，丙烯酸共形涂層是基于溶劑的產(chǎn)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(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。由于這種溶劑在應(yīng)用階段僅存在于LED上幾分鐘時(shí)間，所以對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，這不是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題。在某些情況下，LED制造商對(duì)含VOC的產(chǎn)品以及其他特定化學(xué)品的使用具有特定要求，這些在LED手冊(cè)上有列出。通常，化學(xué)相容性檢查有助于確認(rèn)溶劑型保形涂層是否適用于特定的LED。
色溫問題
除了要考慮涂層對(duì)LED的影響外，還需要了解涂層對(duì)色溫的影響。圖3描述了在LED照明中常見的相關(guān)色溫（CCT）帶。色溫隨時(shí)間的變化，也被稱為色彩維護(hù)，當(dāng)考慮保護(hù)介質(zhì)的類型時(shí)，這一直是一個(gè)問題。據(jù)了解，無論什么材料直接放置在LED晶體上，都會(huì)導(dǎo)致相互作用，從而導(dǎo)致色溫偏移。
圖3. LED處于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，并且在不同的LED類型和色溫帶之間變化。此外，它也會(huì)因應(yīng)用的保護(hù)材料而有所不同。這是另一個(gè)領(lǐng)域，丙烯酸保形涂層比其他化學(xué)材料和產(chǎn)品類型更有優(yōu)勢(shì)。
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(jīng)包括了不同的厚度和固化機(jī)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(dāng)購買LED時(shí)，其色溫就可能在這些線之間的任何地方。
圖4. 色溫偏移取決于涂層厚度和固化時(shí)間。
圖4中所指的薄涂層和厚涂層代表保形涂層的最小和最大厚度水平，即25和75微米。通過應(yīng)用這種薄膜，色溫偏移被最小化，并且可以在由LED制造商給出的邊界內(nèi)進(jìn)行控制。
在理想的情況下，保形涂層可用于所有LED應(yīng)用中，因?yàn)楸Ｐ瓮繉討?yīng)用簡(jiǎn)便、對(duì)照明單元的體積和重量影響小、使用的多功能性以及對(duì)色溫偏移的影響。但是，眾所周知，一個(gè)解決方案通常無法適用于所有應(yīng)用程序。如前所述，保形涂料在潮濕和鹽霧環(huán)境中提供了極好的防護(hù)等級(jí)，但是在經(jīng)常浸入水中、化學(xué)飛濺以及腐蝕性氣體的環(huán)境中，保形涂層不能提供最高水平的保護(hù)。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(hù)。
密封樹脂
密封樹脂也以許多不同的化學(xué)類型出現(xiàn)，包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯和硅樹脂。通常，環(huán)氧樹脂在機(jī)械影響方面提供更堅(jiān)固的保護(hù)，但是它們沒有其它化學(xué)品的柔性，這可能導(dǎo)致熱循環(huán)期間的問題。此外，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂系統(tǒng)不能提供其他系統(tǒng)的清晰度和顏色穩(wěn)定性。
硅樹脂確實(shí)有極好的透明度，并且在極端溫度下表現(xiàn)良好，而聚氨酯樹脂在惡劣環(huán)境中提供良好的柔韌性、透明度和高水平的保護(hù)。圖5顯示了三種樹脂化學(xué)類型在暴露在紫外線1000小時(shí)后，通過檢查樹脂的顏色差異，三種樹脂化學(xué)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(wěn)定性。在此圖中，硅樹脂和聚氨酯樹脂顯然優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂體系。
圖5. 暴露在紫外線1000小時(shí)后，樹脂化學(xué)物質(zhì)對(duì)色溫有不同的影響。
環(huán)境暴露
比較各種產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的性能，也可以讓用戶根據(jù)最終使用條件來進(jìn)行產(chǎn)品選擇。例如，圖6示出了腐蝕性氣體環(huán)境對(duì)丙烯酸保形涂層、聚氨酯樹脂和硅樹脂的影響。通過將三者暴露于混合氣體環(huán)境后，檢查L(zhǎng)ED的光通量百分比降低。這些結(jié)果清楚地說明了為環(huán)境選擇正確產(chǎn)品的重要性。雖然保形涂層在腐蝕性氣體環(huán)境中表面絕緣電阻不會(huì)劣化，但是對(duì)于LED而言，它不能充分保護(hù)LED，因?yàn)樗梢宰寶怏w通過薄涂層并穿透LED，從而隨時(shí)間推移，其性能降低。
圖6. 當(dāng)暴露于腐蝕性氣體時(shí)，不同的涂層類型可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)效率的退化。
有機(jī)硅樹脂也有類似的效果；然而，在此案中，盡管保護(hù)層相當(dāng)厚（2毫米對(duì)比50微米），但是氣體仍然能夠通過樹脂并影響LED。當(dāng)你比較有機(jī)硅樹脂與聚氨酯材料的結(jié)果時(shí)，顯然這兩種化學(xué)類型的性能有差異，因?yàn)橛袡C(jī)硅樹脂對(duì)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(xué)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(hù)材料。
聚氨酯樹脂都被認(rèn)作是在許多不同環(huán)境中保護(hù)LED的合適樹脂。此外，它們還可以改造，提供額外的優(yōu)點(diǎn)，例如著色系統(tǒng)，用于覆蓋PCB但不超過LED的高度。這種樹脂用于PCB的保護(hù)，不僅讓表面賞心悅目，而且通過將光從PCB反射出來并增加光輸出，從而提升照明燈具的性能。還有專門的樹脂用來擴(kuò)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(huán)境影響和實(shí)現(xiàn)光的擴(kuò)散，因此可能不需要購買散熱燈罩和燈帽。
保護(hù)材料配方
很明顯，密封樹脂可以在一系列環(huán)境中提供高水平的保護(hù)，并且可以通過選擇化學(xué)類型或通過特定樹脂的配方來適應(yīng)應(yīng)用要求。但是，在前面，我們討論了薄膜保形涂層對(duì)色溫影響很小。當(dāng)比較保形涂層與密封樹脂的厚度時(shí)，很明顯，樹脂帶來的保護(hù)水平提高部分是因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更多的涂層。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(duì)所觀察到的色溫水平產(chǎn)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(guān)，因此在選擇合適的保護(hù)材料時(shí)，這是另一個(gè)重要考慮。我們知道會(huì)出現(xiàn)色溫偏移，但要考慮到LED偏移的重復(fù)性。如果偏移持續(xù)，則可以通過重新考慮原始LED色溫。
圖7. 色溫根據(jù)涂層的厚度發(fā)生不同程度的變化。
本文討論了選擇LED系統(tǒng)保護(hù)時(shí)所需的各種考慮。評(píng)估環(huán)境對(duì)于成功選擇產(chǎn)品至關(guān)重要，無論是最終使用性能，還是生產(chǎn)工藝的適用性方面。保形涂料不僅使用方便、能融入設(shè)計(jì)，而且在潮濕和鹽霧環(huán)境中具有優(yōu)異的防護(hù)等級(jí)。由于低厚度，它們也對(duì)色溫的影響很小。
當(dāng)條件變得更具挑戰(zhàn)性時(shí)，建議轉(zhuǎn)換到密封樹脂。在這種情況下，化學(xué)類型之間的選擇將由最終使用條件和特定的環(huán)境影響決定。此外，應(yīng)考慮要添加的樹脂的厚度，以確保實(shí)現(xiàn)充分的保護(hù)，同時(shí)盡可能減少對(duì)色溫變化的影響。
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