Schutzmaterialien zur Verbesserung der Lebensdauer und Leistung von LED-Geräten

Teil 1

Verbesserung der Effizienz und Lebensdauer von LEDs durch effektives Wärmemanagement

Die LED-Industrie ist einer der am schnellsten wachsenden Märkte. Obwohl LEDs bereits seit einigen Jahren in vielen elektronischen Geräten Verwendung finden, haben neuere Entwicklungen in dieser Branche zu einer noch breiteren Palette von Anwendungen in allen Arten von Beleuchtungs-, Beschilderungs- und Haushaltsgeräteprodukten geführt, um nur einige zu nennen. LEDs sind inzwischen eine echte Alternative zu Halogen-, Glüh- und Leuchtstofflampen für Innen- und Außenanwendungen und es wird erwartet, dass die Zunahme an LED-Leuchtmitteln ihren Marktanteil bis 2020 auf 70 Milliarden US-Dollar wachsen läßt, ein Wachstum von 18% auf 70% am Gesamtmarkt in etwas mehr als 5 Jahren. (Forbes) Letztlich ist dieses Wachstum auf die Vorteile zurückzuführen, die LEDs gegenüber herkömmlichen Beleuchtungsformen in Bezug auf Anpassungsfähigkeit, Lebensdauer und Effizienz bieten. Sie ermöglichen mehr Gestaltungsfreiheit, bieten eine außergewöhnlich lange Lebensdauer und sind zudem wesentlich effizienter. Sie wandeln den größten Teil der Energie in Licht um und minimieren so die abgegebene Verlustwärme.

Obwohl LEDs wesentlich effizienter sind als herkömmliche Leuchtmittel, erzeugen sie dennoch etwas Wärme. Diese Wärme kann sich nachteilig auf die LED auswirken und muss daher so gehandhabt werden, dass die tatsächlichen Vorteile dieser Technologie realisiert werden können. LEDs sind in der Regel nach ihrer Farbtemperatur kategorisiert und in einer Vielzahl von Farbvarianten erhältlich. Bei einer Änderung der Betriebstemperatur der LED tritt auch eine Änderung der Farbtemperatur auf. Bei weißem Licht kann beispielsweise ein Temperaturanstieg dazu führen, dass die LED Licht mit einer „wärmeren“ Farbtemperatur abgibt. Wenn außerdem eine Abweichung der Farbtemperaturen zwischen den LEDs z.B. auf einer Leiterplatte vorliegt, kann Licht sichtlich unterschiedlicher Farbtemperatur von diesen einzelnen LEDs abgegeben werden, wodurch die Qualität und das kosmetische Erscheinungsbild der Baugruppe (Lampe) beeinträchtigt werden.

Wie in der obigen Tabelle gezeigt, kann das Aufrechterhalten der korrekten Temperatur der LED nicht nur deren Lebensdauer verlängern, sondern auch dazu führen, dass eine höhere Lichtausbeute erzielt wird, und daher möglicherweise weniger LEDs erforderlich sind, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die Erhöhung der Temperatur wärend des Betriebs kann einen Effekt auf die Eigenschaften der LED haben, der sich nach dem Abkühlen wieder verliert. Wenn jedoch der Chip einer übermäßigen Ttemperatur ausgesetzt wird, insbesondere über der maximalen Betriebstemperatur der LED (~120-150°C), führt dies zu bleibenden Auswirkungen bis hin zu einem vollständigen Ausfall. Die Betriebstemperatur steht in direktem Zusammenhang mit der Lebensdauer der LED. Je höher die Temperatur, desto kürzer die LED-Lebensdauer, wie hier im Cree XLamp-Lebensdauerdiagramm dargestellt. Dies gilt auch für die LED-Treiber, bei denen die Lebensdauer des Treibers aus der Lebensdauer des Elektrolytkondensators abgeleitet werden kann. Kalkulieren Sie damit, dass sich die Lebensdauer des Kondensators für jede Verringerung der Betriebstemperatur um 10°C verdoppelt (Philips). Die Sicherstellung eines effizienten Wärmemanagements sorgt daher für eine gleichbleibende Qualität, ein gleichmäßiges Erscheinungsbild und eine längere Lebensdauer der LED-Arrays und eröffnet wiederum die Möglichkeit für weitere Anwendungen für diese sich ständig weiterentwickelnde Branche.

Es gibt viele Möglichkeiten, das Wärmemanagement von LED-Produkten zu verbessern. Daher muss der richtige Typ des wärmeleitenden Materials ausgewählt werden, um das gewünschten Ergebniss der Wärmeableitung zu erzielen. Die Produktpalette reicht von wärmeleitenden Vergussmassen, die sowohl Wärmeableitung als auch Schutz vor Umwelteinflüssen bieten, bis hin zu Wärmeleitmaterialien, die zur Verbesserung der Effizienz der Wärmeableitung zwischen LED und Kühlkörper/Gehäuse verwendet werden. Solche Verbindungen sollen die Lücke zwischen der Komponente und dem Kühlkörper füllen und somit den thermischen Widerstand zwischen beiden verringern. Dies führt zu einer schnelleren Wärmeableitung und einer niedrigeren Betriebstemperatur der Komponente. Aushärtende Materialien können auch als Kleber verwendet werden; Beispiele hierfür sind Silikon-RTVs oder Epoxidverbindungen – die Wahl hängt häufig von der erforderlichen Haftung oder dem Betriebstemperaturbereich ab.

Eine weitere Möglichkeit zur Entwärmung von elektronischen Geräten ist die Verwendung einer wärmeleitenden Vergussmasse. Diese Materialien sollen das Gerät vor Umwelteinflüssen schützen und gleichzeitig die im Gerät erzeugte Wärme an die Umgebung abgeben. In diesem Fall wird das Gießharz zum Kühlkörper und leitet Wärmeenergie vom Bauteil weg. Solche Produkte können verwendet werden, um die Leiterplatte und das Gehäuse hinter der LED mit zu vergießen und zu verkleben. Eine weiße Vergussmasse kann z.B. die Reflexion von Licht aus dem Gerät unterstützen. In Vergussmassen werden auch wärmeleitende Füllstoffe verwendet. Wie auch immer, das verwendete Basisharz, der Härter und andere Additive können jeweils geändert werden, um eine breite Palette von Optionen bereitzustellen, einschließlich Epoxid-, Polyurethan- und Silikonchemien.

Die verschiedenen chemischen Optionen bieten eine Reihe von Eigenschaften, die man von den an das finale Produkt gestellten Anforderungen her betrachten sollte. Beispielsweise besitzt ein Polyurethanmaterial eine ausgezeichnete Flexibilität, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Ein großer Vorteil gegenüber einem Epoxidsystem. Ein Silikonharz kann diese Flexibilität auch bei niedrigen Temperaturen erreichen und ist bei hohen Temperaturen den anderen Materialien weit überlegen. Die Silikonprodukte sind typischerweise teurer. Epoxidsysteme sind sehr fest und robust. Sie bieten einen hervorragenden Schutz unter den rauesten Umgebungsbedingungen. Es handelt sich um starre Materialien mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei in einigen Fällen ein gewisses Maß an Flexibilität in das Produkt eingebracht werden kann. Die Formulierung von Vergussmassen kann zu einer Vielzahl von Produkten mit maßgeschneiderten Eigenschaften für einzelne Anwendungen führen. Daher wird empfohlen, die Anwendungen mit dem jeweiligen Materiallieferanten ausführlich zu besprechen.

Unabhängig von der Art des gewählten Wärmemanagementprodukts müssen auch eine Reihe von Schlüsseleigenschaften berücksichtigt werden. Dies können recht einfache Parameter sein, wie z.B. der Betriebstemperaturbereich des Geräts, die elektrischen Anforderungen oder Verarbeitungsbeschränkungen – Viskosität, Aushärtezeit usw. Andere Parameter sind für das Gerät kritischer und ein Wert allein reicht möglicherweise nicht aus, um das richtige Produkt zu spezifizieren. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Hauptbeispiel dafür. Gemessen in W/m K repräsentiert die Wärmeleitfähigkeit die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Die in den meisten Produktdatenblättern angegebenen Wärmeleitfähigkeitswerte geben einen guten Hinweis auf den erwartbaren Grad der Wärmeübertragung und ermöglichen einen Vergleich zwischen verschiedenen Materialien. Die alleinige Verwendung von Wärmeleitfähigkeitswerten führt jedoch nicht unbedingt zu der effizientesten Wärmeübertragung.

Unabhängig von der Art des gewählten Wärmemanagementprodukts müssen auch eine Reihe von Schlüsseleigenschaften berücksichtigt werden. Dies können recht einfache Parameter sein, wie z.B. der Betriebstemperaturbereich des Geräts, die elektrischen Anforderungen oder Verarbeitungsbeschränkungen – Viskosität, Aushärtezeit usw. Andere Parameter sind für das Gerät kritischer und ein Wert allein reicht möglicherweise nicht aus, um das richtige Produkt zu spezifizieren. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Hauptbeispiel dafür. Gemessen in W/m K repräsentiert die Wärmeleitfähigkeit die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Die in den meisten Produktdatenblättern angegebenen Wärmeleitfähigkeitswerte geben einen guten Hinweis auf den erwartbaren Grad der Wärmeübertragung und ermöglichen einen Vergleich zwischen verschiedenen Materialien. Die alleinige Verwendung von Wärmeleitfähigkeitswerten führt jedoch nicht unbedingt zu der effizientesten Wärmeübertragung.

Es gibt jedoch Bedenken, nur die Wärmeleitfähigkeitswerte zu verwenden oder die in den Produktdatenblättern angegebenen Wärmewiderstandswerte zu vergleichen. Signifikante Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit und des thermischen Widerstands für dasselbe Produkt können sich aus der Verwendung verschiedener Testmethoden oder -parameter ergeben. Dies kann dazu führen, dass man einerseits die sehr hoch erscheinende spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials hat, sich im Gebrauch aber eine dramatisch verringerte Effizienz der Wärmeableitung zeigt. Einige Messgeräte messen nur die Summe aus dem Wärmewiderstand des Materials und dem Kontaktwiderstand zwischen Material und seiner Kontaktfläche zum Messgerät. Electrolube verwendet eine Version der Heat-Flow Methode, bei der beide Werte getrennt gemessen werden, um so eine wesentlich genauere Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitmaterials zu ermöglichen. Die Messung des thermischen Widerstands sollte idealerweise am tatsächlichen Gerät mit dem wie üblich aufgetragenen Wärmeleitmaterial, sowie den spezifizierten Parametern für Abstand (Aufbau) und Gewicht/Druck, oder alternativ unter Verwendung einer vergleichbaren Methode durchgeführt werden, bei der der Druck definiert ist. Wie auch immer diese Tests durchgeführt werden mögen, es ist wichtig, dass Produkte an Hand derselben Methode verglichen werden (Seite an Seite), um Werte für die Leitfähigkeit und den Wärmewiderstand zu erhalten. In jedem Fall sollten die Produkte in der endgültigen Anwendung auf eine echte Betrachtung der effektiven Wärmeableitung hin getestet werden.

Dies führt uns zu einem weiteren wichtigen Faktor bei der Produktauswahl, der Anwendung von Wärmemanagementmaterialien. Unabhängig davon, ob es sich um eine Vergussmasse oder ein Wärmeleitmaterial handelt, führen Lücken im wärmeleitenden Medium zu einer Verringerung der Wärmeableitungsrate. Bei wärmeleitenden Gießharzen besteht der Schlüssel zum Erfolg darin, sicherzustellen, dass das Harz rund um die Baugruppe fließen kann, auch in kleine Lücken. Dies hilft, Luftspalte zu vermeiden und sicherzustellen, dass im gesamten Gerät keine heißen Bereiche entstehen. Um dies zu erreichen, muss das Harz die richtige Kombination aus Wärmeleitfähigkeit und Viskosität aufweisen. Typischerweise nimmt mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit auch die Viskosität zu. Electrolube bietet einfach verarbeitbare Spezialharze mittlerer Viskosität mit gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit an. So kann eine effiziente Wärmeableitung realisiert werden.

Bei thermischen Interfacematerialien hat die Viskosität eines Produkts oder die für die Anwendung mögliche minimale Schichtdicke einen großen Einfluss auf den thermischen Widerstand. Daher kann ein Aufbau, der eine hoch wärmeleitende hochviskose Verbindung, die nicht gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt werden kann, verwendet, im Vergleich zu einem Produkt mit niedrigerer Viskosität und einem niedrigeren Wärmeleitfähigkeitswert, einen höheren thermischen Widerstand und eine geringere Effizienz der Wärmeableitung aufweisen. Es ist wichtig, dass Benutzer die Wärmeleitfähigkeitswerte, den Kontaktwiderstand, die Auftragsdicken und die Prozesse berücksichtigen, um ein Optimum in der Wärmeübertragung zu erreichen.

Ein praktisches Beispiel, das die Notwendigkeit solcher Überlegungen hervorhebt, ist in der folgenden Tabelle aufgeführt. Es zeigt die potentiellen Unterschiede in der Wärmeableitung durch Messung der Temperatur des wärend des Betriebs Verlustwärme erzeugenden Bauteils. Diese Ergebnisse basieren auf Untersuchungen eines Endkunden, bei denen alle thermischen Interfacematerialien nach derselben Methode und in derselben Dicke aufgetragen wurden.

Es ist klar ersichtlich, dass ein höherer Wärmeleitfähigkeitswert, in diesem Fall 12,5 W/m K, nicht notwendigerweise zu einer effektiveren Wärmeableitung führt, verglichen mit Produkten mit niedrigeren Werten, wie den oben genannten bei 1,4 W/m K. Grund dafür könnte sein, dass das Auftragungsverfahren für das Produkt nicht geeignet ist, dass das Produkt nicht einfach zu verarbeiten ist oder dass das Produkt möglicherweise nicht für diese spezielle Anwendung entwickelt wurde und der mit ihm realisierte Wärmeübergang daher im Vergleich zu den anderen einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Was auch immer der Grund sein mag, es unterstreicht die Bedeutung der Verarbeitbarkeit sowie der Produktauswahl. Erst durch das Finden des richtigen Gleichgewichts dieser beiden Parameter kann die maximale Effizienz der Wärmeübertragung erreicht werden.

Wenn man auf die Originaldaten für die LED-Leistung im Verhältnis zur Lebensdauer zurückblickt und die obigen Ergebnisse als Beispiel verwendet, kann eine Schlussfolgerung zur Wichtigkeit der Verwendung und zur richtigen Auswahl von Wärmemanagementmaterialien gezogen werden. Nehmen Sie Produkt Nr. 2, dies reduziert die Betriebstemperatur in dieser Anwendung um 20%. Wenn eine ähnliche prozentuale Verringerung für die oben diskutierten LEDs erreicht würde, würde dies zu einer erhöhten Wirksamkeit durch die Verringerung der Betriebstemperatur von 85 ° C auf 68 ° C und in ähnlicher Weise zu einer erhöhten Lebensdauer von 95.000 Stunden auf 120.000 Stunden führen; eine große Verbesserung. Wenn Sie dies jedoch mit Produkt Nr. 4 vergleichen, wird eine stärkere Verringerung der Betriebstemperatur erreicht, was zu einer Steigerung der Wirksamkeit> 3% und einer Verlängerung der Lebensdauer von 95.000 Stunden auf 140.000 Stunden führt. Daher kann durch Auswahl des richtigen Produkts und Verwendung der besten Prozesslebensdauer die Verwendung von Produkt Nr. 4 anstelle von Produkt Nr. 2 um weitere 15 bis 20% verbessert werden.

Angesichts der rasanten Fortschritte in der Elektronikindustrie und insbesondere bei LED-Anwendungen ist es unerlässlich, dass die Werkstofftechnologie auch auf die immer anspruchsvolleren Anforderungen an die Wärmeableitung ausgerichtet ist. Electrolube hat spezielle Technologien für einfach und effektiv arbeitende Wärmleitmaterialien entwickelt. Dies hat zu Materialien mit verringerter Viskosität bei höherer Wärmeleitfähigkeit geführt. In der Kombination dieser beiden Eigenschaften stehen diese Produkte für eine maximale Effizienz der Wärmeableitung durch Minimierung des thermischen Widerstands. Dieser technologische Ansatz wurde nun auch auf Vergussmassen übertragen, wodurch Produkte mit höheren Füllstoffbeladungen und damit verbesserter Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig verbesserter Fließfähigkeit entstanden sind. Zusätzlich und in Teil 2 dieses Dokuments erörtert, stellt Electrolube neben den thermischen Managementmaterialien auch eine Reihe weiterer Produkte her. Zu diesen Produkten gehören Schutzlacke und Vergussmassen in optisch klarer Form für Anwendungen, bei denen der Schutz der gesamten LED erforderlich ist, was erneut die Bedeutung der kontinuierlichen Entwicklung formulierter chemischer Produkte zur Erfüllung der wachsenden anspruchsvollen Anforderungen dieser beliebten Technologie bestätigt.

Teil 2
Schutzmaterialien zur Verbesserung der Lebensdauer und Leistung von LED-Geräten

Mit dem schnellen Wachstum des LED-Markts ist eine korrekte Produktauswahl der wichtigste Punkt zur Sicherstellung von LED-Leistung und -Lebensdauer. Jade Bridges, Global Technical Support Manager bei Electrolube, wird hier die Verwendung von LEDs in verschiedenen Umgebungen beschreiben und den jeweils angemessenen Schutz unter solchen Bedingungen vorschlagen.
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.
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.
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.

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 LED Spezifikationen 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.

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 Grafik 2 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 (siehe oben). 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. In Grafik 3 sind Unterschiede in der Klarheit dieser drei Harzzusammensetzungen dargestellt. Hier wurden die Farbunterschiede der Harze nach 1000 Stunden UV-Exposition, und damit die Stabilität jedes Harzes unter Umgebungsbedingungen im Außenbereich, untersucht. Es wird deutlich, dass Silikon- und Polyurethanharze in diesem Fall eine bessere Leistung aufweisen, als ein Standard-Epoxidsystem.

Ein Leistungsvergleich verschiedener Produkte in rauen Umgebungen kann Hinweise auf zu bevorzugende Produkte für die Umweltbedingungen in der Endanwendung geben. Beispielsweise ist in Grafik 4 die Auswirkung von Schadgasumgebungen auf einen Acryl Schutzlack, ein Polyurethan- und ein Silikonharz dargestellt. In diesem Test 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 von Electrolube 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.

In Grafik 5 wird eine typische Farbtemperaturänderung von LEDs dargestellt, die unterschiedlich dick mit Polyurethan beschichtet wurden. Es 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 LED Systeme 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.