Рис. 1

Рис. 2

На рисунках 1 и 2 показан на лицевая часть светильника на основе шести светодиодов Xlamps серии XR-E. Первая фотография показывает прибор сразу после изготовления, а на второй фотографии после 100 часов работы. Попробуем разобраться с причинами заметного явления пожелтения. Инженеры CREE разобрали светильник, удалили герметизирующее покрытие, которое было нанесено на всю плату (рис. 3).

Рис. 3

Заметно, что светодиоды выглядят сгоревшими, и имеют оранжево- коричневый оттенок. Это и является причиной изменения пожелтения светильника.

Что же произошло? В пространстве между печатной платой и герметизирующим покрытием образовалась микросреда. При работе прибора температура повышается, что вызывает выделение ЛОС. Очевидно, это и привело к такому изменению цвета.

При осмотре платы выявлены остатки припоя и флюса вокруг нескольких компонентов, эпоксидного клея по краям платы, остатки и защитная маска на печатной плате. Чернила или краска, используемые для служебных обозначениях на плате, тоже можно рассматривать как потенциальный загрязнитель.

Один или несколько из этих веществ оказывает негативное химическое взаимодействие со светодиодами. Это и есть химическая несовместимость.

Мощные светодиоды и химическая совместимость

Случай из приведенного выше примера с участием Cree XLamp XR-E может произойти с мощными светодиодами любого производителя, если светодиодный кристалл упакован под плоской или куполообразной силиконовой линзой, так как стандартные силиконовые герметики имеют высокую газопроницаемую способность.

Рис.4

Корпусировка чипов светодиодов  небольшой мощности-  например круглые или овальные Р2 или пираньи P4,  производится с помощью акриловых или эпоксидных смол (рис 4), и поэтому эффект воздействия посторонних химических веществ сказывается на работе значительно меньше.

Рис.5

Герметики, используемые при изготовлении мощных светодиодов, такие как Cree Xlamps (рис 5), изготавливаются из различных силиконовых материалов.

Силиконы отлично пропускают свет, устойчивы в широком диапазоне температур, устойчивы к пожелтению при воздействии УФ и легко принимают требуемую форму — таким образом это отличные материалы для длительной работы в составе светодиода.

Основная структура молекулы представляет собой цепочку кремний-кислород (SiO), или Si-O-Si-O-Si-O …. В прозрачных линзах применяются несколько основных семейств полиорганосилоксанов (силоксаны), где углеводород ковалентно связан с кремнием. Ковалентность придает стабильность при работе при температуре более 200 ° C, что значительно выше номинальной рабочей температуры светодиодов.

Рис.6

Одним из наиболее часто используемых силиконов это метил-силоксан на основе метиловых групп (CH3) в цепочке SiO (рис 6).

В процессе производства светодиода жидкий силикон заливается в форму. Во время отверждения силикон превращается в структуру с переплетенными нитями случайной длины и формы. Этим и объясняется немного желатиновые и упругие свойства получаемых линз, но это и также означает, что линзы являются пористыми и газопроницаемыми.

В светодиодных светильниках зачастую применяются клеи, защитные покрытия, уплотнительные кольца, прокладки и герметики. Во время работы светильников происходит нагрев, и некоторые из этих материалов выделяют летучие органические соединения (ЛОС). Внутри светильника эти ЛОС проникают к светодиодам и диффундируют в пористую структуру первичной линзы светодиода.

Там, в силиконе, ЛОС будут занимать свободное пространство внутри переплетенных силоксановых цепей (рис 7). Под воздействием тепла и высоких энергий фотонов, излучаемых кристаллом светодиода, летучие соединения могут изменять и блокировать свет, излучаемый светодиодом. Эти процессы обычно происходят чуть выше верхней поверхности светодиодного кристалла, так как именно там самая высокая температура и плотность светового потока . В зависимости от природы ЛОС (например, размер молекулы или ее чувствительности к теплу), изменения цвета могут произойти в течение нескольких часов или нескольких недель. Данные изменения могут произойти с синими светодиодами или белыми, технология производства которых предполагает использование синего кристалла с желтым фосфором. Но эти процессы не происходят в желтых, красных или зеленых светодиодах из-за более низкой доминантной длины волны, и соответственно более низкой энергией фотонов.

Рис. 7. Слева направо — Силиконовые нити; ЛОС занимают свободные места в силиконе;
ЛОС изменяют цвет в результате воздействия тепла и фотонной энергии

Рис. 8. Слева : фото нормального кристалла в XLamp XP-E.
Справа: Кристалл изменил цвет в результате воздействия ЛОС.

Рис. 9. Пример изменения цвета светодиода под воздействием ЛОС:
1. Светодиод запаян на печатной плате.
2. Вторичная оптика, приклеенная к плате с помощью клея.
3. ЛОС испаряется из клея и попадает под оптику.
4. ЛОС диффундируют через силиконовую линзу.
5. ЛОС в силиконе выше кристалла начинают изменять цвет.

Как уже отмечалось, изменение цвета первичной светодиодной линзы связано с потемнением ЛОС, диффундировавших из внутреннего объема светильника. В большинстве случаев эти летучие вещества, занимая свободное пространство внутри силикона, не повреждают сам силикон. Возможны ситуации, когда у светильника снимают крышку, и ЛОС могут улетучиться из герметика, что приведет к восстановлению первичного цвета силикона. Как и в случае начального изменения цвета, в зависимости от характера летучего соединения, попавшего в силикон, процесс дегазации может происходить в течение нескольких часов, но может длиться и несколько недель.

Рис. 10

На фотографиях (рис.10) можно видеть примеры такой дегазации.

Необходимо отметить, что есть и ЛОС, которые могут повредить герметик, заставляя его разбухать и трескаться, что может полностью вывести из строя светодиод.

Группа инженеров Cree провела эксперимент по химической совместимости, чтобы продемонстрировать эффект обратимости. Три группы светодиодов, по 10 светодиодов в каждой, работали в различных условиях 450 часов. Первая группа из десяти светодиодов работала в открытой среде и не показал деградации от первоначального потока 100 люмен. Вторая группа работала в закрытой среде с известными химически несовместимыми материалами, здесь световой поток уменьшился до 90% от первоначального после 400 часов наработки. Третья группа светодиодов также был помещена в замкнутое пространство, с теми же несовместимыми соединениями. Здесь тоже наблюдалось уменьшение светового потока , но после 325 часов работы к светодиодам пустили свежий воздух, и в течение следующих 25 часов у третьей группы светодиодов световой поток практически восстановился (рис 11).

Рис. 11

Тестирование материалов, используемых в светильниках, может помочь предотвратить неожиданные проблемы до начала серийного производства. Особое внимание должно быть уделено уплотнителям, припоям и остаточной химии, как например машинное масло на металлических поверхностях корпусов и радиаторов. Даже материал, используемый при изготовлении печатных плат, может дегазировать при повышенных температурах.

Инженеры Cree разработали последовательность испытаний, которые могут быть проведены для подтверждения химического соответствия, если вы намереваетесь изготовить светильник с применением светодиодов серии Xlamps. Согласно этим процедурам, инженеры создали список известных совместимых и несовместимых химических веществ и соединений. Необходимо понять, что невозможно проверить каждый материал, но тем не менее эта информация может служить хорошей основой при разработке вашего светильника.

Cree не рекомендует использовать химические вещества , выделяющие ароматические углеводороды, которые даже в небольшом количестве могут привести к изменению цвета или повреждению светодиодов (например, толуол, бензол, ксилол).

• • Метилацетат или этилацетат (например, жидкость для снятия лака)
  • Цианоакрилат (например «Суперклей»)
  • Эфиры гликоля (в том числе Radio Shack ® Cleaner Precision Electronics — дипропиленгликоль монометилового эфира)

Формальдегид или бутадиен (в том числе клей Ashland PLIOBOND)

• Dymax 984-LVUF
• Клей Loctite Sumo
• Loctite 384
• Loctite 7387
• Loctite 242

Следующие химические вещества безопасны для светодиодов:

• Вода
• Изопропиловый спирт
• ТермопастыArctic Silver и Arctic Alumina
• эпоксидный клей 3М DP-190

Вещества, рекомендуемые для покрытия устройств с применением светодиодов XLAMPs. (при условии, что они не покрывают первичную линзу светодиода, т.к это может ухудшить оптические свойства, и нарушить надежность светодиода).

• Dow Corning 3-1953
• Dow Corning 1-4105
• Dow Corning 1-2577
• Dymax 9-20557
• Humiseal 1H20AR1/S
• Humiseal UV40
• Humiseal 1B51NS
• Humiseal 1B73
• Humiseal 1C49LV
• Shat-R-Shield
• Specialty Coating Systems – Parylene
• TechSpray Turbo-Coat Acrylic Conformal Coating (2108-P)

Второй пример химической несовместимости

Следующие фотографии иллюстрируют потемнение одного из светодиодов в составе светодиодного ночника (рис 12), конструкция корпуса которого позволяет свободную конвекцию воздуха. Фото на рис 13 показывает потемневший светодиод, Фото на рис 14и 15- разобранный светильник, и наконец, обнаруженный виновник- прокладка (рис 16) , которая при нагреве выделяет маслянистое вещество, оставляющее концентрические круги на промокашке (рис 17). Это вещество и выделяло летучие газы, воздействовавшие на материал первичной линзы светодиода.

Лучший способ быть уверенным в химической совместимости материалов, используемых при изготовления светильника или лампы, это проверка неизвестных веществ. Любой производитель может быть использовать комплект для проверки материалов, могущих создавать проблемы для светодиодов. Рекомендуется размещать тестируемые материалы под стеклянные колпачки (рис 18), покрывающие одновременно и материал, и работающий светодиод.

Рис. 18

Рекомендации по тестированию:

• Для покрывающих материалов — нанесите образец непосредственно на первичную линзу светодиода, и на границу линза\корпус.
• Для материалов, не контактирующих непосредственно со светодиодами (как прокладки), расположите образец на печатную плату рядом со светодиодом.
• Тестируйте материалы при прогнозируемой рабочей температуре, или даже выше таковой.
• Тестируйте по крайней мере 6 недель:
  • после 1 недели должны будут видны первичные результаты;
  • после 6 недель результаты тестов будут быть окончательными;
  • если светодиоды начали изменять цвет, попробуйте удалить стеклянный колпачок и продолжайте тест, чтобы убедиться, что началась дегазация и светодиод восстанавливает свою прозрачность.

 

Источник: www.e-neon.ru