Надежность светодиодов в соляном тумане — защитные покрытия для увеличения срока службы

Светодиодные системы подвергаются самым различным внешним воздействиям. Неблагоприятные условия эксплуатации, такие как соляной туман или брызги химических веществ, оказывают негативное влияние на светоотдачу, производительность и срок службы светодиодов. Этого можно избежать путем нанесения подходящих защитных лаков. Компания Electrolube, производитель электрохимических продуктов для электроники, обладает необходимым ноу-хау в области создания материалов и поддерживает разработчиков светодиодов для оптимизации дизайна в конкретных применениях.

Сегодня область применения светодиодов постоянно расширяется. В условиях быстрого роста этого рынка правильный выбор продукции является ключевым шагом в обеспечении производительности и срока службы светодиодов. Задача, с которой разработчики светодиодов сталкиваются каждый день, — регулярное изменение требований к дизайну, расположению и функциям продукта. Как и большинство электронных устройств, светодиоды функционируют без проблем только до тех пор, пока внешние воздействия не оказывают негативного влияния на характеристики светодиода. К таким воздействиям относится электростатическое притяжение пыли, влажная или вызывающая коррозию окружающая среда, а также химическое или газовое загрязнение. При выборе продукта для принятия правильного решения следует учитывать воздействие внешней среды при эксплуатации светодиода.

По данным журнала Forbes, ожидается, что в 2020 году рынок светодиодов вырастет до $70 млрд, что соответствует росту рынка на 70% менее чем за 5 лет. Этот рост основан на преимуществах светодиодов по сравнению с традиционными технологиями освещения с точки зрения адаптируемости, срока службы и эффективности. Светодиодные источники света подходят для домашнего и промышленного освещения, освещения в морской среде, архитектурного и дизайнерского освещения — и это лишь некоторые из возможных областей применения.

Условия окружающей среды при использовании обычного архитектурного освещения значительно отличаются от условий на побережье или в море — это определяет вероятные причины потери мощности в светодиодах. В подсветке зданий светодиоды могут быть интегрированы в элементы дизайна таким образом, что будут подвержены лишь незначительным изменениям температуры и влажности. Однако в морской среде светодиодные элементы освещения часто контактируют с соляным туманом или полностью погружены в морскую воду. В любом случае они будут подвергаться воздействию соляного тумана на протяжении большей части своего срока службы. Хорошо известно, что сильное воздействие соли приводит к коррозии печатной платы, резко снижая ее производительность. В условиях соленой воды это происходит намного быстрее, чем в обычных условиях окружающей среды с изменяющейся влажностью (рис. 1). Для обеспечения высокого уровня защиты в таких средах, как правило, используются защитные лаки и заливки.

Рис. 1. Сравнение защитных покрытий: испытание в соляном тумане показывает, как сопротивление изоляции (ось Y) и, следовательно, характеристики светодиода изменяются во время циклических испытаний

Акриловые защитные лаки

Защитные лаки — это лаки, наносимые тонким слоем, которые адаптируются к контурам печатной платы для обеспечения хорошей защиты и не делают печатную плату тяжелее или толще. Обычно они наносятся слоем 25–75 мкм методом распыления или погружения. Для защиты поверхности светодиодов важно, чтобы используемый защитный лак имел высокую степень чистоты и оставался прозрачным в эксплуатируемой среде в течение всего срока службы. Это означает, что, если продукт используется на открытом воздухе, лак должен обладать хорошей стойкостью к ультрафиолетовому излучению. Поэтому лучшие защитные покрытия основаны на химическом акриловом составе, который, будучи устойчивым к влаге и солевым брызгам, обеспечивает как прозрачность, так и стабильность цвета.

Акриловые защитные покрытия обычно имеют в своей основе растворители, действующие как жидкость-носитель, с помощью которой тонкий слой синтетической смолы может быть нанесен на печатную плату. Используемые растворители обозначаются как ЛОС (летучие органические соединения). Поскольку во время нанесения растворитель находится на светодиоде только в течение нескольких минут, в большинстве систем это не считается проблемой. Производители светодиодов редко предъявляют особые требования в отношении продуктов, содержащих летучие органические соединения или другие химические вещества. Обычно эти требования указаны в технической документации к светодиодам. Кроме того, можно использовать тест на химическую совместимость, чтобы проверить, подходит ли защитный лак на основе растворителя для соответствующего применения. Компания Electrolube, как производитель защитных лаков, оказывает поддержку при проведении подобных тестов.

Защитный лак меняет цветовую температуру

При разработке светодиодов необходимо учитывать влияние защитного покрытия на цветовую температуру, к изменению которой приводит нанесение каждого материала непосредственно на светодиод. Это изменение обычно происходит от более теплой к более холодной цветовой температуре и варьируется между разными типами светодиодов и температурными диапазонами. Изменение температуры зависит от соответствующего защитного материала. Акриловые защитные покрытия, такие как AFA компании Electrolube, в этом отношении превосходят другие химические составы и продукты, уверены производители. На рис. 2 показаны результаты изменения цветовой температуры теплого светодиода. Были использованы различные толщины покрытия и механизмы отверждения, чтобы показать возможные изменения цветовой температуры.

Рис. 2. Различная толщина и механизмы отверждения приводят к изменению цветовой температуры. Красные линии отмечают пределы, указанные производителями светодиодов. Нанесение тонкого покрытия сводит к минимуму изменение цветовой температуры

Акриловые лаки легко наносятся, минимально влияют на объем и вес электронного модуля, универсальны и мало влияют на цветовую температуру. Но, к сожалению, акриловые защитные лаки не являются универсальным решением для всех применений, хотя действительно обеспечивают очень хорошую защиту от влаги и соляного тумана. Однако если они часто контактируют с водой, брызгами химических веществ или средой с вредными газами, то не создают максимально возможной защиты. В таких случаях рекомендуется использовать заливочную массу.

Заливка защищает от брызг химических веществ

Заливочные массы также доступны в широком спектре химических модификаций, к ним относятся эпоксидная смола, полиуретан и силикон. Обычно эпоксидные смолы обеспечивают более надежную защиту от механических воздействий, однако не обладают такой же гибкостью, как другие заливочные материалы, что может привести к проблемам, например при термомеханической нагрузке. Кроме того, обычные эпоксидные системы не отличаются такой же прозрачностью и  cтабильностью цвета, как другие системы. Силиконовые покрытия обеспечивают оптимальную прозрачность и хорошие характеристики при экстремальных температурах, в то время как полиуретаны предлагают сочетание высокой гибкости, прозрачности и высокой защиты в неблагоприятных условиях окружающей среды. На рис. 3 показаны различия в прозрачности этих трех вариантов покрытий. Цветовые различия смол были исследованы после 1000 ч УФ-облучения. Тестирование показывает стабильность смолы в условиях окружающей среды на открытом воздухе. Силиконовые и полиуретановые смолы обладают лучшей стойкостью к ультрафиолету, чем стандартная эпоксидная система.

Рис. 3. Сравнение обычных типов смол: если состав заливки подвергается воздействию УФ-излучения, цвет меняется через 1000 ч. Абсолютное изменение цвета можно увидеть на оси Y

Сравнение характеристик различных продуктов при повышенных нагрузках может дать ответ на вопрос, какие продукты подходят для условий окружающей среды в конечном применении. Например, компания Electrolube исследовала влияние коррозионных газовых сред на акриловый защитный лак, полиуретан и силиконовую смолу. В этом тесте было исследовано процентное снижение светового потока светодиода после воздействия коррозионной газовой смеси.

Результаты показывают, насколько важно выбрать правильный продукт для соответствующих условий эксплуатации. Хотя поверхностное сопротивление защитного лака не снижается после воздействия коррозийных газов, покрытие не обеспечивает необходимого уровня защиты светодиодов, поскольку газ проникает в светодиод через тонкий слой лака и, таким образом, со временем ухудшает его характеристики. Аналогичный эффект наблюдался с силиконовым покрытием. В этом случае защитный слой значительно толще (2 мм вместо 50 мкм), но газ по-прежнему проникает сквозь слой и влияет на характеристики светодиода. Сравнение силиконового и полиуретанового покрытий показывает существенное различие в характеристиках: силиконовое покрытие газопроницаемо, а покрытие из полиуретана той же толщины — нет. Оптически прозрачное полиуретановое покрытие оптимально для защиты светодиодов от повреждений, вызванных коррозионными газами (рис. 4).

Рис. 4. Изменение светового потока под воздействием смеси загрязняющих газов. Полиуретановая заливка обеспечивает гораздо более надежную защиту

Возможности использования полиуретановых покрытий

Компаунды для заливки могут выполнять дополнительные функции, например служить пигментированной системой для покрытия печатной платы вплоть до светодиода, но не покрывая сам светодиод. Такие покрытия используются для защиты печатной платы и носят дополнительный эстетический характер. Однако в то же время они оказывают влияние на функцию светодиода, отражая свет от печатной платы и, соответственно, увеличивая светоотдачу. Доступны и специальные заливочные компаунды, которые помогают рассеивать свет от светодиода. Подобные покрытия, как UR5635 от компании Electrolube, надежно защищают от воздействия окружающей среды и обеспечивают рассеивание света (рис. 5). Таким образом, дополнительные диффузионные покрытия и конструкции здесь излишни.

Рис. 5. Компаунды для заливки влияют на диффузионное поведение светодиода. Полиуретановая смола UR5635 (слева) обладает сильным эффектом рассеивания, а прозрачная масса UR5634 позволяет свету беспрепятственно проходить через нее

Материалы для заливки обеспечивают высокий уровень защиты во многих средах и могут быть адаптированы к соответствующим требованиям конкретного применения — либо путем выбора химического состава, либо благодаря модификации рецептуры конкретного компаунда для заливки. Их нанесение может при этом оказывать влияние на цветовую температуру. Более высокая степень защиты с помощью компаундов для заливки по сравнению с защитными лаками отчасти объясняется более толстым покрытием. Их можно наносить слоями 1–2 мм и более.

Рис. 6. Цветовая температура регулируется толщиной заливочной массы

Исследование изменения цветовой температуры светодиодов с покрытиями разной толщины показывает влияние толщины слоя (рис. 6). Слой полиуретана толщиной 8 мм изменяет цветовую температуру примерно на 1000 К. В зависимости от изменения цветовой температуры необходимо учитывать еще один аспект — насколько воспроизводимо это изменение для используемого светодиода (рис. 7). Если изменение постоянно, это может быть учтено, например, при выборе исходного диапазона цветовой температуры светодиода.

Рис. 7. Типичный диапазон цветовой температуры для светодиодов составляет от 3500 K теплого белого до 7500 K холодного белого

Таким образом, можно сказать, что оценка условий окружающей среды важна для выбора материала с точки зрения как характеристик конечного продукта, так и его пригодности для производственного процесса. Несомненно, защитные покрытия обеспечивают оптимальную защиту во влажной среде и в соляном тумане. Они также оказывают наименьшее влияние на цветовую температуру благодаря более тонкому слою.

Однако при более высоких требованиях следует наносить компаунд для заливки. При химическом составе материала заливки необходимо учитывать условия эксплуатации и специфические воздействия окружающей среды.

Оригинал статьи опубликован в журнале Productronic 2019, No 11, Германия