保護材料跟LED生命關聯性
：2018-04-09
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酷的應用可能會使固態(tài)照明設備面臨風險。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(tài)照明行業(yè)的蓬勃發(fā)展，產品開發(fā)商正在將技術應用到嚴酷的環(huán)境中?，F在，我們來討論在惡劣環(huán)境中（如海洋應用）保護LED和電路組件的必要性。涂層和其他保護技術可以延長固態(tài)照明系統的使用壽命和性能。
隨著LED市場的快速發(fā)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(huán)境中使用LED，并介紹在這些環(huán)境下如何采取適當的保護。開發(fā)過程必須確?？煽啃?，同時確保固態(tài)照明系統良好的光學性能（圖1）。
圖1. 擴散（UR5635）和透明（UR5634）聚氨酯樹脂在固態(tài)照明系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設計人員面臨的挑戰(zhàn)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(huán)境的靜電吸引，化學或氣體污染以及許多其它可能性。因此，需要仔細考慮到最終用途環(huán)境，以確?？梢赃x擇正確的產品。
機遇與應用
LED照明的發(fā)展歸功于LED在適應性、壽命和效率方面燈優(yōu)勢優(yōu)于傳統的照明形式。因此，很容易理解為什么LED照明被廣泛應用于大量應用中，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計等。
將標準建筑照明應用中的環(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。在建筑照明應用中，由于照明單元的設計，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(huán)境中，保形涂層和封裝樹脂都可提供高水平的保護。
保護選項
保形涂層是我們討論的第一個保護措施。涂層通常是符合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，并且易通過噴涂或浸漬技術就可以輕松地使用。
為了在LED頂部進行保護，使用的涂層須具有良好的透明度，并且在所需環(huán)境中在產品的整個使用壽命內一直保持清晰。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性。圖2描繪了鹽霧試驗，其中丙烯酸涂層提供了優(yōu)異的保護。
圖2. 當暴露于鹽霧試驗時，基于不同化學基質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)性有機化合物（VOC）。由于這種溶劑在應用階段僅存在于LED上幾分鐘時間，所以對于大多數系統來說，這不是一個長期存在的問題。在某些情況下，LED制造商對含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于確認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LED的影響外，還需要了解涂層對色溫的影響。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，無論什么材料直接放置在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，丙烯酸保形涂層比其他化學材料和產品類型更有優(yōu)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. 色溫偏移取決于涂層厚度和固化時間。
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進行控制。
在理想的情況下，保形涂層可用于所有LED應用中，因為保形涂層應用簡便、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于所有應用程序。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等級，但是在經常浸入水中、化學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。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(huán)氧樹脂、聚氨酯和硅樹脂。通常，環(huán)氧樹脂在機械影響方面提供更堅固的保護，但是它們沒有其它化學品的柔性，這可能導致熱循環(huán)期間的問題。此外，標準環(huán)氧樹脂系統不能提供其他系統的清晰度和顏色穩(wěn)定性。
硅樹脂確實有極好的透明度，并且在極端溫度下表現良好，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。圖5顯示了三種樹脂化學類型在暴露在紫外線1000小時后，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(wěn)定性。在此圖中，硅樹脂和聚氨酯樹脂顯然優(yōu)于標準環(huán)氧樹脂體系。
圖5. 暴露在紫外線1000小時后，樹脂化學物質對色溫有不同的影響。
環(huán)境暴露
比較各種產品在惡劣環(huán)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(huán)境對丙烯酸保形涂層、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LED的光通量百分比降低。這些結果清楚地說明了為環(huán)境選擇正確產品的重要性。雖然保形涂層在腐蝕性氣體環(huán)境中表面絕緣電阻不會劣化，但是對于LED而言，它不能充分保護LED，因為它可以讓氣體通過薄涂層并穿透LED，從而隨時間推移，其性能降低。
圖6. 當暴露于腐蝕性氣體時，不同的涂層類型可能會導致光學效率的退化。
有機硅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并影響LED。當你比較有機硅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，因為有機硅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(huán)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(yōu)點，例如著色系統，用于覆蓋PCB但不超過LED的高度。這種樹脂用于PCB的保護，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，密封樹脂可以在一系列環(huán)境中提供高水平的保護，并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，在前面，我們討論了薄膜保形涂層對色溫影響很小。當比較保形涂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偏移的重復性。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系統保護時所需的各種考慮。評估環(huán)境對于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面。保形涂料不僅使用方便、能融入設計，而且在潮濕和鹽霧環(huán)境中具有優(yōu)異的防護等級。由于低厚度，它們也對色溫的影響很小。
當條件變得更具挑戰(zhàn)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(huán)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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