SC3001 is a new optically clear silicone potting compound.

(Bild: Electrolube)

| von Alistair Little

Im Verlauf der letzten 10 Jahre hat die Verwendung von LEDs im privaten Bereich und für kommerzielle Beleuchtung exponentiell zugenommen. Die Verbesserungen in der Effizienz von LEDs in den vergangenen Jahren führten zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten, die nun wesentlich höher ist als bei bei den traditionellen Beleuchtungstechnologien, Glühlampen und Leichtstoffröhren. Dies bedeutet, dass in einer Reihe von Anwendungen LED-Leuchtmittel nun als wartungsarm oder sogar als wartungsfrei anzusehen sind und somit in großem Umfang zur Straßen-, Verkehrs- und Fahrzeugbeleuchtung eingesetzt werden.

UR5634 AND UR5635 copy

LEDs sind empfindliche elektronische Komponenten und benötigen häufig zusätzlichen Schutz gegen mechanische Beschädigung, Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse. Electrolube

Neue Herausforderungen in Sachen Schutzmaterialien

Die wachsende Vielseitigkeit und Komplexität der Anwendungen schafft neue Herausforderungen in Sachen Schutzmaterialien, zudem fordern die Anwender das größtmögliche Leistungslevel. Kurz gesagt, Schutzmaterialien müssen sicherstellen, dass die LED unter allen Umgebungsbedingungen einsatzfähig ist, ganz gleich, ob es sich um eine Anwendung im Innenraum, eine Straßenbeleuchtung im Freien oder eine Unterwasserbeleuchtung handelt. LEDs sind empfindliche elektronische Komponenten und benötigen häufig zusätzlichen Schutz gegen mechanische Beschädigung, Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse.

Der Einsatz von Gießharzen zum Schutz von LEDs hat sich in den letzten Jahren immer mehr etabliert. Die Wahl des Harzes hängt von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren ab; der Viskosität des gemischten Systems, der Topf- und Gelierzeit, der Eigenschaften im flüssigen Zustand sowie dem Härtegrad, der Dichte, Farbe und Betriebstemperatur des ausgehärteten Harzes. Beim unmittelbaren Schutz einer LED gibt es eine Reihe von grundlegenden Faktoren; der Hauptfaktor unter ihnen ist die Transparenz des eingesetzten Materials, um die maximale Nutzbarkeit des Lichtertrags der LED sicherzustellen. Zusätzlich muss jede potenzielle Veränderung, die im Laufe der Lebensdauer der LED auftreten kann, berücksichtigt werden.

Fließeigenschaften wie flüssiges Harz

Electrolube hat eine Reihe von Polyurethan-Gießharzen entwickelt, die einen großen Bereich verschiedener geforderter Eigenschaften abdecken und die im Verlauf ihrer Entwicklung für den Bereich des LED-Verguss immer weiter optimiert worden sind. Zweikomponentige (2K)-Harz-Systeme wurden entworfen, um die Einfachheit im Umgang und die Fließeigenschaften zu bieten, die dem flüssigen Harz ermöglichen, in das Gehäuse und um die LEDs herumzufließen, und doch durch chemische Reaktionen ein vernetztes Polymer zu bilden, das widerstandsfähig ist und gegen die Umwelt schützt.

Vergussmasse

Polyurethan-Gießharze von Electrolube sind Spezialsysteme für das Vergießen und Verkapseln von gedruckten Leiterplatten (Platinen) sowie elektronischen Bauteilen und Geräten. Polyurethan-Gießharz- Systeme wurden zur Isolierung des Geräts als Schutz vor rauen Umweltbedingungen entwickelt und dienen als Barriere gegen Verunreinigungen wie Feuchtigkeit und Chemikalien oder gegen mechanische Erschütterungen und Vibrationen.

Polyurethan-Harze sind in vielen verschiedenen Gebindeformen und -größen erhältlich, die entworfen worden sind, um sowohl manuelles als auch maschinelles Mischen und Verarbeiten zu erlauben. Bei der Verarbeitung geringer Mengen oder der Herstellung von Prototypen ist eine Verarbeitung von Hand oft die beste Option. Für Produktionsserien ist die maschinelle Verarbeitung bei weitem das bevorzugte Verfahren, da sie das Herstellen eines konsistent gemischten Harzes erlaubt, unabhängig vom Bediener der Anlage und der je Baugruppe verwendeten Menge an Gießharz. Mit Sicherheit ist der Einsatz einer Misch- und Dosieranlage die letztlich kostengünstigste Methode der Verarbeitung von Vergussmassen. So gibt es eine Reihe von Hersteller, die entsprechende Anlagen anbieten, abhängig von der Art der Vergussmasse und den zu verarbeitenden Mengen.

Beim Verguss von LEDs gibt es einige wichtige Aspekte zu bedenken. Zum Beispiel ist es wichtig, die Geometrie des Gehäuses und jedweder anderer Komponenten, wie beispielsweise Linsen, zu berücksichtigen. Das angemischte Harz wurde entwickelt, um jedes Hindernis in seinem Weg zu umfließen, gibt es jedoch Hinterschneidungen oder Überhänge, können diese potenziell Luft einschließen, was zu schlechter Haftung und Blasenbildung während der Aushärtung führen kann. Wenn eine große Menge Harz in eine einzige Baugruppe eingegossen werden soll, lohnt es sich zu erwägen, die erforderliche Menge in zwei oder drei Schüben oder Vergussschritten einzubringen. So kann jede Harzschrumpfung berücksichtigt und der Lufteinschluss minimiert werden. Ferner erlaubt das stufenweise Vergießen den Gebrauch eines zweiten Harzes, das eine opake oder farbige Schicht bilden kann, um der Einheit die gewünschten optischen Effekte zu geben.

Die optischen Eigenschaften des ausgehärteten Harzes wurden sorgfältig bewertet, um sicherzustellen, dass die Harze die Farbeigenschaften der LED so weit wie möglich bewahren. Beim Messen der berechneten Farbtemperatur der LED wurde festgestellt, dass es eine Verschiebung in der Temperatur gibt, die proportional zu der Tiefe der Harzschicht ist, die über die LED gegossen wurde. Es ist jedoch möglich, diese Farbverschiebung durch sorgfältiges Auswählen der Art des Harzes und der Schichtdicke, bis zu der vergossen wird, zu steuern.

Für den Kunden ist die LED die sichtbarste Komponente der Beleuchtungseinheit. Doch es gibt auch noch eine Reihe von weiteren vorhandenen Komponenten, die ebenfalls von einem Einschluss in Harz profitieren würden, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Dazu zählen Transformatoren, Sensoren, Kondensatoren und Widerstände. Für diese Komponenten gibt es eine Vielzahl von Gießharzen und Wärmeleitmaterialien, die speziell zur Lebensdauererhöhung der gesamten Einheit entwickelt wurden. Für einige Anwendungen, wie Notfall-, Fluchtweg- und Tunnelbeleuchtung oder Beleuchtung in explosiven Atmosphären ist es möglich, flammhemmende Harze zum Verguss der Baugruppen zu verwenden, um den Atex-Anforderungen zu entsprechen.

Electrolube Resin in use

Es gibt beim Verguss von LEDs einige wichtige Aspekte zu bedenken, wie zum Beispiel die Geometrie des Gehäuses. Electrolube

Basis auf Polyurethan-Harze

Der gesamte Bereich der optisch klaren Harze, die für LED-Anwendungen entwickelt wurden, besteht aus polyurethan-basierten Harzen. Polyurethan-Harze sind Harze, die sich optimal für den Schutz von LEDs in einer Reihe von verschiedenen Umgebungen eignen, zusätzlich können sie auch angepasst werden, um weitere Vorzüge zu bieten, wie beispielsweise weiß pigmentierte Vergussmassen zum Abdecken der Leiterplatte bis hin zur LED, aber nicht über sie hinaus. Solche Harze werden zum Schutz der Leiterplatte eingesetzt, des Weiteren bieten sie ein ästhetisch ansprechendes Äußeres und tragen zur selben Zeit zu einer höheren Lichtausbeute der Leuchte bei, indem sie das Licht von der Leiterplatte weg reflektieren. Die Menge an Lichtenergie, die eine einzelne LED produzieren kann, ist relativ gering, darum besteht die Notwendigkeit, eine Reihe von ihnen zu gruppieren, um die gewünschte Menge an Licht zu produzieren. Es gibt eine Reihe von Verfahren, um die gewünschte Farbe zu erhalten, entweder mit weißen LEDs, welche Licht in einem breiten Wellenlängenspektrum produzieren, oder durch die Verwendung von LEDs, die Licht in einem eher diskreten Wellenlängenbereich produzieren. Durch das Kombinieren einer Anzahl von verschiedenen Farb-LEDs ist es möglich, eine umfangreiche Farbpalette zu produzieren.

Polyurethanharze für eine warme Lichtstreuung

Zusätzlich zu den transparenten Produkten mit hoher Lichtdurchlässigkeit wurden mittelharte Polyurethanharze UR5635 und UR5634 speziell für Hersteller von LEDs entwickelt, um ein hohes Maß an Schutz gegen Umwelteinflüsse für ihre Produkte und weitere Vorteile zu bieten. UR5635 zum Beispiel hat ein wolkig/trübes Erscheinungsbild, das potenziell die Notwendigkeit von Diffusorabdeckungen und -kappen eliminiert. Sein trübes Erscheinungsbild bietet einen warmen Lichtstreueffekt, wodurch dieses Harz schon erfolgreich als LED-Harz sowohl für dekorative als auch für Schutzanwendungen eingesetzt wurde. UR5634 erreicht eine optisch klare Transparenz für LED-Verguss-Anwendungen und ist besonders UV-resistent, was es insbesondere nützlich als Einkapselungsmaterial für LEDs in Freien macht und für Anwendungen, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind.

Um potenzielles Vergilben durch UV-Exposition zu minimieren, verwenden alle Polyurethan-Harze ein aliphatisches Isocyanat, das sorgfältig ausgewählt wurde, um optimale Langzeitstabilität und eine der niedrigsten Risikoeinstufungen zu bieten. Da die Harze polyurethan-basiert sind, beträgt die maximale Betriebstemperatur 130 °C. Für höhere Temperaturen bietet sich ein optisch klares Silikonharz an, das Temperaturen von bis zu 200 °C standhalten kann.

UV-Stabilität von Bedeutung

UV-Stabilität ist von zentraler Bedeutung, wenn Polyurethan-Schutzsysteme für LEDs erwogen werden. Um diese zu verifizieren, hat Electrolube einen Bewitterungstest mit einer Reihe von Vergussmassen durchgeführt. Die Tests wurden gemäß ISO 4892 Teil 3 Zyklus 1 Kunststoffe – Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten und in einem QUV/se-Tester für beschleunigte Bewitterung ausgeführt. Nach 1.000 Stunden Exposition zeigt das Ergebnis, dass die optisch klaren Polyurethan- und Silikonharze, UR5634 und SC3001 eine sehr hohe UV-Beständigkeit aufweisen und ihre Transparenz über den Expositionstest hinweg bewahrt haben. Expositionsintensitäten variieren in Abhängigkeit von der geografischen Lage und darum ist es wichtig, die korrekte beschleunigte Bewitterungexpositionszeit für die entsprechende Region zu wählen. Dieser Test zum Beispiel ist etwa das Äquivalent von 4 Jahren Witterungsbeständigkeit in einem typischen nordeuropäischen Klima.

Um den Grad an Schutz zu bestimmen, den unsere Einkapselungsharze bieten, führt Electrolube strenge Wetter- und Immersionstest durch. Unter diesem Testplan haben Polyurethanharze eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegen Immersion im Wasser, vor allem in Salzwasser, gezeigt. Die hohen Widerstandslevel ermöglichen ein breites Spektrum von Unterwasseranwendungen, einschließlich dem Verguss von Unterwasser-Kabelmuffen, dem Schutz von Unterwasser-LED-Beleuchtung sowohl in Süß- als auch in Salzwasserpools, der Beleuchtung von Schiffsdecks und dem Schutz verschiedenster Sensoren. In all diesen Fällen können transparente oder farbige Harze erforderlich sein und müssen hohe Haftung und eine geringe Dielektrizitätskonstante über die gesamte Lebensdauer des Gerätes, das unter diesen schwierigen Bedingungen betrieben wird, sicherstellen. Die folgende Fallstudie demonstriert deutlich die Effektivität von Polyurethan-Gießharzen unter anspruchsvollen, ja extremen Umweltbedingungen.

Unterwasser-Beleuchtungsanwendung in Australien

Ein Kunde aus Australien wandte sich mit einer Reihe von Problemen an Electrolube, die durch den Verguss einer LED-Beleuchtungseinheit gelöst werden sollten, welche zur Beleuchtung eines Swimmingpools entworfen worden war. Die Beleuchtungseinheit musste gegen Süßwasser und Salzwasser versiegelt werden. Salzwasserbeständigkeit war darum bei der Auswahl eines geeigneten Harzes für diese Anwendung unumgänglich. Die Vergussmasse musste außerdem einen Arbeitstemperaturbereich von 5 bis 40 °C abdecken, flammhemmend sein und eine spezifische Färbung aufweisen; ein heller Blauton wurde aus ästhetischen Gründen bevorzugt. Der Kunde hatte vorher für diese Anwendung ein Epoxidharz von einem anderen Hersteller eingesetzt, doch wegen der hoch-exothermen Reaktion im Zusammenhang mit dem verwendeten Epoxid kam es zu einer leichten Verformung der Basiseinheit – das Ergebnis der hohen Temperaturen, die beim Aushärten dieses Harz erzeugt wurden – was als vollkommen inakzeptabel eingestuft wurde. Letztendlich beschränkte sich die Wahl auf Polyurethan – doch welches Produkt wäre das beste?

Pool Light Night Scene

LED-Beleuchtungseinheiten für die Beleuchtung eines Swimmingpool sollten sowohl gegen Süßwasser als auch gegen Salzwasser versiegelt werden. Electrolube

Electrolube hat zahlreiche wasserbeständige Polyurethan-Optionen bewertet und entschied sich, dem Kunden die Einkapselungs- und Vergussmasse UR5097 anzubieten. Das ausgehärtete Polyurethan hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit – eine wichtige Eigenschaft bei LED-Beleuchtungseinheiten – und deckt zudem einen breiten Temperaturbereich ab. Zudem ist es flammhemmend und nach UL94 V-0 zertifiziert, was eine weitere Hauptanforderung war. Wie auch bei allen anderen in Erwägung gezogenen Polyurethanharzen, wurde die geringe Wasseraufnahme von Polyurethan als die entscheidendste Eigenschaft dieser Anwendung eingeschätzt.

UR5097 erfüllte alle Anforderungen dieses Projekts mit Ausnahme der Farbe, also wurde mit einiger Arbeit an der Formulierung, um die Anforderungen des Kunden nach einem hellen Blau zu erfüllen, die Farbe entsprechend angepasst. Das in UR5097 verwendete Polymer ist ebenfalls höchst beständig gegenüber dem Eindringen von Wasser, selbst bei verschiedenen Druckunterschieden, die durch die Tiefe des Wassers verursacht werden. Die thixotrope Natur des Harzes wurde im Labor ebenfalls leicht modifiziert, um eventuelles Einbluten von Harz durch den Spalt zwischen dem Harz und der LED Einheit zu vermeiden und auch, um die Sedimentierungsrate auf ein annehmbares Niveau zu senken, ohne das Mischen und Gießen des Harzes zu erschweren.

electronica 2018: Halle A2, Stand 437 / Halle B4, Stand 315

Alistair Little

(Bild: Electrolube)
Technischer Direktor des Geschäftsbereichs Gießharze bei Electrolube

(hw)

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