Schutzlacke verlängern die Lebensdauer von LEDs

LEDs werden in immer unterschiedlicheren Anwendungen eingesetzt. Mit dem schnellen Wachstum des LED-Markts ist eine korrekte Produktauswahl ein wichtiger Schritt zur Sicherstellung von LED-Leistung und -Lebensdauer. Die Design-Anforderungen, Platzierung und Funktion des Produkts ändern sich ständig. Eine Herausforderung, deren Bewältigung LED-Designer täglich gegenüberstehen. Wie die meisten elektronischen Geräte funktionieren auch LEDs nur solange sehr gut, bis äußere Einflüsse die Leistung der LED beeinträchtigt. Zu solchen Einflüssen gehören die elektrostatische Anziehung von Staub, feuchte oder korrosive Umgebungen, chemische oder gasförmige Verunreinigung. Schon bei der Auswahl des Produkts sollte die zukünftige Umgebung der LED als Entscheidungskriterium einbezogen werden.

Schutzlacke im Vergleich: Der Salzsprühnebeltest zeigt, wie sich der Isolationswiderstand (y-Achse) und somit die LED-Leistung im Laufe der Prüfzyklen verändert. Electrolube

Der LED-Markt soll sich laut Wirtschaftsmagazin Forbes bis 2020 zu einem 70-Milliarden-Dollar-Markt auswachsen, was einem Marktanteil von 70 % in nur knapp 5 Jahren entspricht. Dieses Wachstum gründet sich auf den Stärken der LEDs, die diese gegenüber herkömmlichen Beleuchtungsformen in Bezug auf Anpassbarkeit, Lebenszeit und Effizienz haben. LED-Leuchtmittel werden für Haushaltsbeleuchtung, Industriebeleuchtung, Beleuchtung im maritimen Bereich bis hin zu architektonischer Beleuchtung und Designs genutzt – nur um einige zu nennen.

Die Umgebungsbedingungen einer herkömmlichen architektonischen Beleuchtungsanwendung unterscheiden sich stark von der an der Küste oder auf See – das macht die möglichen Ursachen des Leistungsverlusts von LEDs deutlich. Bei einer architektonischen Beleuchtungsanwendung kann die LED so in das Design integriert werden, dass sie abgedeckt ist. Sie kann so ausgerichtet werden, dass sie nur geringen Temperaturänderungen und Feuchtigkeitsschwankungen unterliegt. In maritimer Umgebung jedoch kommt die LED-Leuchte häufig in Berührung mit Salzspritzwasser oder wird komplett  in Meerwasser eingetaucht. In jedem Fall wird sie den Großteil ihrer Lebenszeit einer Salznebelumgebung ausgesetzt. Eine starke Salzeinwirkung führt bekanntermaßen zu Korrosion auf der Leiterplatte – das senkt deren Leistung drastisch. In Salzwasserumgebungen geschieht das wesentlich schneller als in allgemeinen Umgebungsbedingungen mit wechselnder Luftfeuchtigkeit. Normalerweise werden Schutzlacke und Gießharze verwendet, um in solchen Umgebungen ein hohes Maß an Schutz zu gewährleisten.

Acryl-Zusammensetzungen bewährt

Schutzlacke sind dünn aufgetragene Lacke, die sich an die Konturen einer Leiterplatte anpassen, um einen guten Schutz zu gewährleisten, 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 wichtig, dass der verwendete Lack einen hohen Reinheitsgrad aufweist und auch im Laufe der Betriebszeit in der gewünschten Umgebung klar bleibt. Das bedeutet, wenn das Produkt im Außenbereich eingesetzt wird, muss der Lack eine gute UV-Beständigkeit aufweisen. 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.

Unterschiedliche Dicken und Aushärtemechanismen führen zu einer Änderung in der Farbtemperatur. Die roten Linien zeigen den von LED-Herstellern angegeben Grenzbereich. Der Auftrag einer dünnen Beschichtung minimiert die Änderung der Farbtemperatur. Electrolube

Normalerweise sind Acryl-Schutzlacke lösungsmittelbasiert. Das verwendete Lösungsmittel fungiert als Trägerflüssigkeit, durch die eine dünne Schicht Kunstharz auf das Substrat aufgetragen werden kann. Die verwendeten Lösungsmittel werden als VOCs (Volatile Organic Compounds – flüchtige organische Verbindungen) bezeichnet. Da sich das Lösungsmittel während der Auftragung nur für ein paar Minuten auf der LED befindet, wird es in den meisten Systemen nicht als Problem angesehen. Selten haben LED-Hersteller spezifische Anforderungen in Bezug auf die Verwendung von VOC-haltigen Produkten bzw. anderen enthaltenen Chemikalien. Zu finden sind diese üblicherweise in den LED‑Spezifikationen. Außerdem kann mit einer chemischen Kompatibilitätsprüfung überprüft werden, ob die Verwendung eines lösungsmittelbasierter Schutzlacks im jeweiligen Anwendungsfall geeignet ist; Schutzlackhersteller wie Electrolube sind bei einer solchen Prüfung behilflich.

Lack verändert Farbtemperatur

Beim LED-Design müssen die Auswirkungen des Schutzlacks auf die Farbtemperatur betrachtet werden. Jedes direkt auf die LED aufgebrachte Material führt zu einer Änderung der Farbtemperatur. Dieser Wechsel findet zumeist von einer wärmeren zu einer kühleren Farbtemperatur statt und variiert zwischen verschiedenen LED-Typen und Farbtemperaturbereichen. Der Temperaturwechsel hängt vom jeweiligen Schutzmaterial ab. Acryl-Schutzlacke, wie z. B. Electrolubes AFA, sind in dieser Hinsicht anderen chemischen Zusammensetzungen und Produkten überlegen, betont Electrolube. In Bild 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.

Herkömmliche Harztypen im Vergleich: Wird Vergussmasse einer UV-Strahlung ausgesetzt, verändert sich nach 1000 Stunden die Farbe. Auf der y-Achse ist die absolute Farbänderung zu sehen. Electrolube

Acryllacke sind einfach aufzutragen, haben minimale Auswirkungen auf Volumen und Gewicht der Einheit, sind vielseitig einsetzbar und haben nur geringe Auswirkung auf die Farbtemperatur. Warum also nicht alle LEDs mit Schutzlack versehen? Doch leider gibt es nicht die eine Lösung für alle Anwendungen. Schutzlacke bieten zwar 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 empfehlt sich der Einsatz einer Vergussmasse.

Vergussmasse schützt vor Chemikalienspritzern

Diese gibt es ebenfalls in verschiedensten chemischen Ausführungen, wie etwa Epoxid, Polyurethan und Silikon. Normalerweise bieten Epoxidharze einen stärkeren Schutz gegenüber mechanischen Einflüssen. 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. Bild 3 ist eine Darstellung der Unterschiede in der Klarheit dieser drei Harzzusammensetzungen. Untersucht wurden die Farbunterschiede der Harze nach 1000 Stunden UV-Exposition. Damit wird die Stabilität des Harzes unter Umgebungsbedingungen im Außenbereich gemessen. Silikon- und Polyurethanharze weisen eine bessere UV-Beständigkeit auf als ein Standard-Epoxidsystem.

Diese Grafik zeigt, wie sich der Lichtstrom unter dem Einfluss von Schadgasgemisch verändert. Polyurethanverguss schirmt wesentlich stärker ab. Electrolube

Ein Leistungsvergleich verschiedener Produkte in rauen Umgebungen kann Hinweise geben, welche Produkte für die Umweltbedingungen in der Endanwendung geeignet sind. Beispielsweise hat Electrolube die Auswirkung von Schadgasumgebungen auf einen Acryl‑Schutzlack, ein Polyurethan- und ein Silikonharz untersucht. In diesem Test wurde die Verringerung des Lichtstroms der LED in Prozent nach der Exposition gegenüber einem Schadgasgemisch aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigen sehr deutlich, wie wichtig es ist, das richtige Produkt für die jeweilige Umgebung zu wählen. Obwohl sich der Oberflächendurchgangswiderstand des Schutzlacks bei Schadbegasung nicht verringert, bietet der Lack dennoch keinen angemessenen Schutz der LEDs, da das Gas durch die dünne Lackschicht in die LED eindringt und so ihre Leistung im Laufe der Zeit verringert. Eine ähnliche Auswirkung wurde bei Silikonharz beobachtet. In diesem Fall ist die Schutzschicht zwar erheblich dicker (2 mm anstatt 50 µm), das Gas dringt dennoch durch das Harz und beeinträchtigt die Leistung der LED. Ein Vergleich des Silikonharzes mit dem des Polyurethanharzes zeigt einen wesentlichen Leistungsunterschied: das Silikonharz ist gasdurchlässig, das Polyurethanharz in derselben Dicke nicht. Um LEDs vor der Beeinträchtigung durch Schadgase zu schützen, ist ein optisch klares Polyurethanharz am besten geeignet.

Nutzungsmöglichkeiten von Polyurethanharzen

Vergussmassen können zusätzliche Funktionen erfüllen, 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 ästhetisch ansprechend aussehen. Sie tragen gleichzeitig zur Leistung der LED bei, indem sie das Licht von der Leiterplatte weg reflektieren und so den Lichtertrag erhöhen. Es sind außerdem spezielle Vergussmassen erhältlich, die zur Diffusion des Lichts der LED beitragen. Harze, wie UR5635 von Electrolube schützen vor der Umgebung und sorgen gleichzeitig für eine Streuung des Lichts. Diffusionsabdeckungen und -kappen werden damit überflüssig.

Gießharze bieten 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. Ihr Auftrag kann jedoch Auswirkungen auf die Farbtemperatur haben. So liegt der höhere Schutz der Gießharze im Vergleich mit Schutzlacken teilweise an der dickeren Auftragsschicht. Sie können in Schichten von 1-2 mm und mehr aufgetragen werden.

Eine Untersuchung der Farbtemperaturänderung von unterschiedlich dick beschichteten LEDs zeigt den Einfluss der Schichtdicke. Eine 8-mm-Polyurethan-Schicht verändert die Farbtemperatur um rund 1000 K. Ausgehend von der Änderung der Farbtemperatur ist eine weitere Überlegung, wie wiederholbar der Wechsel für die verwendete LED ist. Ist die Veränderung gleichbleibend, kann dies zum Beispiel schon bei der Auswahl des originalen LED-Farbtemperaturbereichs berücksichtigt werden.

Die Farbtemperatur selbst kann durch die Dicke der Vergussmasse gesteuert werden. Electrolube

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Bewertung der Umgebungsbedingungen für die Auswahl eines Materials unumgänglich ist, sowohl in Bezug auf die Leistung des Endprodukts als auch auf die Eignung für den Produktionsprozess. Schutzlacke bieten optimalen Schutz in feuchten- und Salznebelumgebungen. Sie bieten außerdem die niedrigsten Auswirkungen auf die Farbtemperatur aufgrund ihrer geringen Schichtdicke. Bei höheren Anforderungen sollte eine Vergussmasse aufgetragen werden. Bei der chemischen Zusammensetzung der Vergussmasse müssen die Einsatzbedingungen und spezifischen Umwelteinflüsse berücksichtigt werden.

Productronica 2019: Halle A4 Stand 466

Die typischen Farbtemperaturbereiche für LEDs reichen von 3500 K Warmweiß bis zu 7500 K Kaltweiß. Electrolube

(sp)