Schutzmaterialien zur Verbesserung der Lebensdauer und Leistung von LED-Geräten

Verwendung von LEDs in verschiedenen Umgebungen

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Mit dem schnellen Wachstum des LED-Markts ist eine korrekte Produktauswahl der wichtigste Punkt zur Sicherstellung von LED-Leistung und -Lebensdauer. LEDs werden in immer unterschiedlicheren Anwendungen eingesetzt. Die Design-Anforderungen, Platzierung und Funktion des Produkts sind Elemente, die zu den sich ständig ändernden Herausforderungen, denen LED-Designer gegenüberstehen, zählen. Wie die meisten elektronischen Geräte, funktionieren auch LEDs solange sehr gut, bis die Leistung durch äußere Einflüsse beeinträchtigt wird und abnimmt. Zu solchen Einflüssen gehören die elektrostatische Anziehung von Staub, feuchte oder korrosive Umgebungen, chemische oder gasförmige Verunreinigung und viele mehr. Deshalb ist es äußerst wichtig, dass schon bei der Auswahl des Produkts die Umgebung bekannt ist, in welcher es letztendlich genutzt wird.

Jade Bridges, Global Technical Support Manager, Electrolube

Der LED-Markt soll sich bis 2020 zu einem 70-Milliarden-Dollar-Industriezweig auswachsen, was einem Marktanteil von 70 % in nur knapp 5 Jahren entspricht (Forbes). Dieses Wachstum beruht auf den Vorteilen, die LEDs in Bezug auf Anpassbarkeit, Lebenszeit und Effizienz gegenüber herkömmlichen Beleuchtungsformen bieten. Deshalb ist es einfach zu verstehen, warum LED-Leuchtmittel in so vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, begonnen bei Haushaltsbeleuchtung, über Industriebeleuchtung, Beleuchtung im maritimen Bereich bis hin zu architektonischer Beleuchtung und Designs – nur um ein paar zu nennen.

Funktionsprüfung von LEDs

Bei einem Vergleich der Umgebungsbedingungen einer herkömmlichen architektonischen Beleuchtungsanwendung mit denen an der Küste oder auf See werden die möglichen Ursachen des Leistungsverlusts von LEDs deutlich. Bei einer architektonischen Beleuchtungsanwendung kann die LED so in das Design integriert werden, dass sie abgedeckt oder so ausgerichtet ist, dass sie nur geringen Temperaturänderungen und Feuchtigkeitsschwankungen ausgesetzt wird. In maritimer Umgebung kann eine LED-Leuchte Salzspritzwasser ausgesetzt oder ganz in Meerwasser eingetaucht werden. In jedem Fall wird sie den Großteil der Lebenszeit einer Salznebelumgebung ausgesetzt. Eine starke Salzeinwirkung kann zu Korrosion auf Leiterplatten führen und somit die Leistung drastisch senken. Dies ist in Salzwasserumgebungen wesentlich schneller zu beobachten als in allgemeinen Umgebungsbedingungen mit wechselnder Luftfeuchtigkeit. Normalerweise werden Schutzlacke und Gießharze verwendet, um in solchen Umgebungen ein hohes Maß an Schutz zu gewährleisten.

Schutzlacke sind dünn aufgetragene Lacke, die sich an die Konturen einer Leiterplatte anpassen und einen guten Schutz ermöglichen, während sie die Leiterplatte nur unwesentlich schwerer bzw. dicker machen. Sie werden normalerweise in einer Schichtstärke von 25–75 µm per Sprüh- oder Tauchverfahren aufgetragen. Zum Schutz der Oberfläche von LEDs ist es äußerst wichtig, dass der verwendete Lack einen hohen Reinheitsgrad aufweist und auch im Laufe der Betriebszeit in der gewünschten Umgebung klar bleibt, d. h. der Lack muss u.a. eine gute UV-Beständigkeit aufweisen, wenn das Produkt im Außenbereich eingesetzt wird. Deshalb basieren die besten Schutzlacke auf einer chemischen Acryl-Zusammensetzung, die sowohl Durchsichtigkeit als auch Farbstabilität bietet und gleichzeitig beständig gegen Feuchtigkeit und Salzsprühnebel ist.

Normalerweise sind Acryl-Schutzlacke lösungsmittelbasiert, wobei das verwendete Lösungsmittel eine Trägerflüssigkeit ist, durch die eine dünne Schicht Kunstharz auf das Substrat aufgetragen werden kann. Die verwendeten Lösungsmittel werden als VOCs (Volatile Organic Compounds – flüchtige organische Verbindungen) eingestuft. Da sich dieses Lösungsmittel nur für ein paar Minuten während der Auftragung auf der LED befindet, wird es in den meisten Systemen nicht als Problem angesehen. In manchen Fällen haben LED-Hersteller spezifische Anforderungen in Bezug auf die Verwendung von VOC-haltigen Produkten bzw. anderen enthaltenen Chemikalien, diese sind jeweils in den LEDSpezifikationen angegeben. Allgemein kann mit einer chemischen Kompatibilitätsprüfung geprüft werden, ob ein lösungsmittelbasierter Schutzlack für die Verwendung mit der gewünschten LED geeignet ist; Schutzlackhersteller wie Electrolube können bei einer solchen Prüfung behilflich sein.

Farbmanagement unter Kontrolle

Es müssen nicht nur die Auswirkungen des auf die LED aufgetragenen Schutzlacks berücksichtigt werden, sondern auch die Auswirkungen auf die Farbtemperatur. Eine Änderung der Farbtemperatur ist bei der Auswahl eines Schutzmaterials ein wichtiges Thema. Hierbei ist zu beachten, dass jedes direkt auf die LED aufgebrachtes Material zu einer Änderung der Farbtemperatur führt. Dieser Wechsel findet normalerweise von einer wärmeren Farbtemperatur zu
einer kühleren Farbtemperatur statt und variiert zwischen verschiedenen LED-Typen und Farbtemperaturbereichen. Darüber hinaus hängt er auch vom aufgetragenen Schutzmaterial ab. Dies ist ein weiterer Bereich, in welchem Acryl-Schutzlacke, wie z. B. Electrolubes AFA, Vorteile gegenüber anderen chemischen Zusammensetzungen und Produktarten aufweisen. In der Grafik sind die Ergebnisse eines Farbtemperaturwechsels eines „warmen“ LED-Lichts aufgeführt. Unterschiedliche Dicken und Aushärtemechanismen wurden verwendet, um die möglichen Änderungen in der Farbtemperatur hervorzuheben. Die roten Linien stehen für die Grenzen der entsprechenden verwendeten LED; d. h. die Farbtemperatur könnte bei Kauf der LED irgendwo innerhalb dieser Linien liegen.

Die oben als „dünn“ und „dick“ bezeichneten Beschichtungen stehen für typische Mindest- und Höchstwerte, in welchen Schutzlacke aufgetragen werden, d. h. 25 und 75 µm. Durch Auftrag einer so dünnen Beschichtung wird die Änderung der Farbtemperatur minimiert und bleibt in den von LED-Herstellern angegeben Grenzbereichen (durch die roten Linien in der Grafik dargestellt). In einer perfekten Welt würden alle LED-Anwendungen mit Schutzlacken versehen, da sie einfach aufzutragen sind, minimale Auswirkungen auf Volumen und Gewicht der Einheit haben, vielseitig einsetzbar sind und eine nur geringe Auswirkung auf die Farbtemperatur haben. Wie wir jedoch alle wissen, gibt es leider nicht die eine Lösung für alle Anwendungen. Schutzlacke bieten einen hervorragenden Schutz in feuchten und Salznebelumgebungen. Bei häufigem Eintauchen in Wasser, Chemikalienspritzern oder Umgebungen mit Schadgasen bieten sie jedoch nicht den höchstmöglichen Schutz. In solchen Fällen empfehlen wir den Einsatz einer Vergussmasse, die einen besseren Schutz bieten kann.

Diese gibt es ebenfalls in verschiedensten chemischen Ausführungen, wie z. B. Epoxid, Polyurethan und Silikon. Normalerweise bieten Epoxidharze einen stärkeren Schutz gegen mechanische Einflüsse, sie haben jedoch nicht die gleiche Flexibilität wie andere chemische Zusammensetzungen, was beispielsweise bei thermischer Belastung zu Problemen führen kann. Zusätzlich bieten herkömmliche Epoxidsysteme nicht die Klarheit und Farbstabilität anderer Systeme. Silikonharze bieten hervorragende Klarheit und gute Leistung bei Extremtemperaturen, während Polyurethane eine Kombination aus hoher Flexibilität, Klarheit und hohem Schutz unter widrigen Umweltbedingungen bieten. Nach Untersuchung der Farbunterschiede der Harze nach 1.000 Stunden UV-Exposition und damit die Stabilität jedes Harzes unter Umgebungsbedingungen im Außenbereich wird deutlich, dass Silikon- und Polyurethanharze in diesem Fall eine bessere Leistung aufweisen, als ein Standard-Epoxidsystem.

Sicherer Schutz durch geeignetes Material

Ein Leistungsvergleich verschiedener Produkte in rauen Umgebungen kann Hinweise auf zu bevorzugende Produkte für die Umweltbedingungen in der Endanwendung geben. Mittels Test der Auswirkung von Schadgasumgebungen auf einen AcrylSchutzlack, ein Polyurethan- und ein Silikonharz wurde die Verringerung des Lichtstroms der LED in Prozent nach der Exposition gegenüber einem Schadgasgemisch untersucht. Diese Ergebnisse zeigen sehr deutlich, wie wichtig es ist, das richtige Produkt für die jeweilige Umgebung zu wählen. Obwohl sich der Oberflächendurchgangswiderstand des Schutzlack bei Schadbegasung nicht verringert, bietet der Lack dennoch keinen angemessenen Schutz der LEDs, da das Gas durch die dünne Lackschicht hindurch in die LED eindringt und so ihre Leistung im Laufe der Zeit verringert. Eine ähnliche Auswirkung wird bei Silikonharz ersichtlich. In diesem Fall ist die Schutzschicht zwar erheblich dicker (2 mm anstatt 50 µm), das Gas dringt jedoch trotzdem durch das Harz und beeinträchtigt die Leistung der LED. Wenn Sie das Ergebnis des Silikonharzes mit dem des Polyurethanharzes vergleichen, wird ersichtlich, dass diese beiden chemischen Zusammensetzungen einen wesentlichen Leistungsunterschied aufweisen: das Silikonharz ist gasdurchlässig und das Polyurethanharz in derselben Dicke nicht. In solchen Fällen ist ein optisch klares Polyurethanharz, wie z. B. UR5634 von Electrolube, das am besten geeignete Material, um LEDs vor der Beeinträchtigung durch Schadgase zu schützen.

Polyurethanharze haben sich als geeignete Vergussmasse für den Schutz von LEDs in verschiedensten Umgebungen erwiesen. Darüber hinaus können Vergussmassen auch weitere Vorteile bieten indem sie beispielsweise als pigmentierte Systeme zum Abdecken der Leiterplatte bis hin zur LED dienen, die LED selbst aber nicht abdecken. Solche Harze werden zum Schutz der Leiterplatte eingesetzt, da sie ein ästhetisch ansprechendes Äußeres bieten, während sie gleichzeitig zur Leistung der LED beitragen, indem sie das Licht von der Leiterplatte weg reflektieren und so den Lichtertrag erhöhen. Des Weiteren sind auch spezielle Vergussmassen erhältlich, die zur Diffusion des Lichts der LED verwendet werden können. Harze, wie UR5635 des Unternehmens bieten zwei Lösungen in einer; Schutz vor der Umgebung und Streuung des Lichts, wodurch Diffusionsabdeckungen und -kappen überflüssig werden.

Gießharze bieten offensichtlich ein hohes Maß an Schutz in vielen unterschiedlichen Umgebungen und können kundenspezifisch auf die entsprechenden Anwendungsanforderungen angepasst werden – entweder durch Auswahl der chemischen Zusammensetzung oder durch Anpassung der Rezeptur eines bestimmten Gießharzes. An dieser Stelle müssen wir jedoch zum Thema der Farbtemperaturänderung zurückkehren. Weiter oben wurden die geringen Auswirkungen einer dünnen Schutzlackschicht auf die Farbtemperatur dargestellt. Wenn die Auftragungsdicken von Schutzlacken mit denen von Gießharzen verglichen werden, wird ersichtlich, dass der höhere Schutz der Gießharze teilweise an der dickeren Auftragsschicht liegt. Harze können in Schichten von 1–2 mm und mehr aufgetragen werden, dies hat jedoch auch eine Auswirkung auf die beobachtete Änderung der Farbtemperatur.

Durch eine unterschiedlich dicke Beschichtung mit Polyurethan wird eine typische Farbtemperaturänderung von LEDs dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Schichtdicke direkt mit der Stärke der Farbtemperaturänderung in Zusammenhang steht, wodurch ein weiterer, sehr wichtiger Punkt bei der Auswahl eines geeigneten Schutzmaterials hervorgehoben wird. Wir wissen, dass eine Änderung der Farbtemperatur auftreten wird, die viel wichtigere Überlegung ist jedoch, wie wiederholbar dieser Wechsel für die verwendete LED ist. Ist die Veränderung gleichbleibend, kann dies zum Beispiel schon bei der Auswahl des originalen LED-Farbtemperaturbereichs berücksichtigt werden.

In diesem Beitrag wurden verschiedene Punkte zur Auswahl des Schutzmaterials für LEDSysteme betrachtet. Eine Bewertung der Umgebungsbedingungen ist für die Auswahl eines Materials unumgänglich, sowohl in Bezug auf die Leistung des Endprodukts als auch auf die Eignung für den Produktionsprozess. Schutzlacke bieten die beste Kombination aus einfachem Auftrag und Integration in das Design, mit hervorragendem Schutz in feuchten- und Salznebelumgebungen. Sie bieten außerdem die niedrigsten Auswirkungen auf die Farbtemperatur aufgrund ihrer geringen Schichtdicke. Bei höheren Anforderungen wird der Einsatz einer Vergussmasse empfohlen. In diesem Fall wird die Wahl der chemischen Zusammensetzung durch die Einsatzbedingungen und spezifischen Umwelteinflüsse vorgegeben. Darüber hinaus sollte die Dicke des aufgetragenen Harzes berücksichtigt werden, um ein ausreichend hohes Schutzniveau zu bieten und gleichzeitig die Auswirkung auf den Farbtemperaturunterschied so gering wie möglich zu halten. Durch Gewährleistung ausreichender Wärmeableitung und Schutz vor äußeren Einflüssen können Effizienz und Lebensdauer von LED-Systemen gesteigert werden. LED-Systeme können in einer immer breiteren Palette von Umgebungen eingesetzt werden. Durch das Unterstützen von LED-Designern durch gezielte Materialentwicklung bietet Electrolube kontinuierlichen Support für diese sich ständig weiterentwickelnde Branche.

www.electrolube.com

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