Hermetyzacja i odprowadzanie ciepła w modułach LED

W procesie projektowania i produkcji urządzeń w technologii LED dwoma głównymi zagadnieniami, na które należy zwrócić szczególną uwagę, są odprowadzanie ciepła oraz hermetyzacja zalewami do modułów LED. Prawidłowo zaprojektowany układ chłodzenia znacznie wydłuża czas życia oświetlenia, natomiast dobra hermetyzacja poprawia estetykę oraz zmniejsza awaryjność, szczególnie w urządzeniach montowanych na zewnątrz w warunkach, gdzie elektronika narażona jest na wpływ zanieczyszczeń, wilgoci. Zwłaszcza dotyczy to m.in. oświetlenia informacyjnego czy sygnalizacji drogowej. W tych przypadkach często można zaobserwować wygaśnięcie czy zmianę koloru części diod LED. Powodem może być złe chłodzenie, błąd w procesie hermetyzacji lub zastosowanie niewłaściwych produktów do uszczelnienia.

Termoprzewodzenie

W modułach LED o dużej mocy umieszczonych w małych kompaktowych obudowach niezbędne jest zastosowanie materiałów termoprzewodzących. Źródło światła LED bez efektywnego odprowadzenia ciepła szybko traci żywotność, efektem tego jest częściowe lub nawet prawie całkowite przygasanie diod.

Materiałami najczęściej wybieranymi przez producentów oświetlenia LED są silikonowe podkładki termoprzewodzące lub gap fillery. Doskonale w tym przypadku sprawdzają się produkty niemieckiej firmy HALA Contec, której firma BL elektronik jest dystrybutorem. W typowych modułach LED materiały o termoprzewodzeniu w zakresie 1–3W/mK są wystarczające. Podkładki, w przeciwieństwie do pasty nie wysychają i nie kruszą się, gwarantują izolację elektryczną oraz mają powtarzalną grubość. Ponadto posługiwanie się materiałem oraz sam proces aplikacji są bardzo łatwe. Dostarczane podkładki termoprzewodzące mogą być wycinane w dowolnym kształcie, również z otworami na śruby montażowe, co ułatwia i skraca montaż.

 

Rys. 1. Przykład zalanych i zawilgoconych taśm LED

 

Rys. 2. Pęcherze powietrza w materiale

Innymi preparatami termoprzewodzącymi stosowanymi w układach elektronicznych (nie bezpośrednio na soczewki LED) są np. termoprzewodzące kleje jednoskładnikowe firmy CHT (dawniej ACC Silicones) typ: AS1802, AS1803. Termoprzewodzące zalewy silikonowe firmy CHT: SE3000, QSil553 czy silikon NovasilS151 firmy Otto Chemie, hermetyzują jednocześnie odprowadzając i rozpraszając ciepło. Podobnie jak wymienione silikony działają żywice stosowane w układach niewymagających zapewnienia możliwości serwisu lub pracujące w trudnych warunkach. Takimi żywicami są m.in. żywice poliuretanowe niemieckiej firmy Copaltec ST13 lub EN88 oraz żywice epoksydowe angielskiej firmy Robnor PX439N, PX804C. Proces hermetyzacji, szczególnie na początku, wydaje się skomplikowany, ale przy zachowaniu kilku zasad efekt powinien być prawidłowy a hermetyzacja skuteczna.

Wskazówki procesowe

Podstawową zasadą podczas aplikacji jest zapewnienie niskiej wilgotności powietrza w procesie mieszania i aplikacji żywic poliuretanowych. Tego niebezpieczeństwa nie ma w przypadku zalew silikonowych do hermetyzacji LED, jednak przy większym zużyciu stosowanie żywic jest bardziej ekonomicznie. Materiały poliuretanowe w procesie samej aplikacji są również bardzo wrażliwe na zawartość wilgoci w powietrzu. Reagują z wilgocią bardzo szybko, powodując m.in. pojawienie się po zalaniu charakterystycznego spienienia oraz brak poprawnej klarowności. Po utwardzeniu jednak żywica jest całkowicie odporna na wodę i można ją stosować w urządzeniach pracujących zanurzeniowo.

Równie ważne jest poprawne mieszanie składników. Żywice poliuretanowe, tak jak i zalewy silikonowe, są dwuskładnikowe i mają określoną proporcję mieszania. Jedynie zachowanie poprawnych proporcji pozwala na uzyskanie wyników gwarantowanych przez producenta. Aby po utwardzeniu żywice były krystalicznie przejrzyste, istotny jest proces ich mieszania, ograniczający uwięzienie pęcherzyków powietrza w zalewie. Należy mieszać składniki narzędziem o wolnych obrotach, tak aby ograniczyć dopływ powietrza do mieszaniny. Wynikiem zbyt dużej ilości pęcherzyków powietrza będzie dłuższy proces odgazowywania lub nawet niepełne odgazowanie. Zalewa po utwardzeniu nie będzie w pełni przezroczysta, co ograniczy emisję światła LED, ewentualnie zamknięte pęcherzyki powietrza mogą zawierać wilgoć, która w przypadku kontaktu z komponentami może powodować gorszą adhezję, korozję i efekcie uszkodzenie elementu. Urządzeniem, które umożliwia pozbycie się pęcherzy powietrza z mieszaniny, jest pompa próżniowa. Już niewielkich rozmiarów pompa wystarczy, aby znacznie poprawić efekt końcowy.

Kolejnym, trzecim ważnym punktem podczas hermetyzacji układów LED jest przygotowanie powierzchni zalewanego elementu. Przed rozpoczęciem procesu zalewania moduł bezwzględnie powinien być dokładnie oczyszczony i odłuszczony. Bardzo ważnym, a często pomijanym przez producentów LED, etapem przed zalaniem jest wygrzewanie w celu pozbycia się skondensowanej pary wodnej. Wilgoć będąca w powietrzu osadza się również na elementach elektronicznych. Po zalaniu zamykamy parę pod powierzchnią, co powoduje charakterystyczne spienienia w środku i na powierzchni żywicy, widoczne jako przebarwienia. Wpływa to na estetykę, ogranicza adhezję, a może nawet powodować korozję i uszkodzenie elementów. Rozwiązaniem może być ogrzanie płytki bezpośrednio przed zalaniem np. poprzez wygrzewanie, osuszanie ciepłym powietrzem lub włączenie układu tak, aby sam wytworzył ciepło. Dodatkową zaletą wygrzewania modułów, w przypadku zalewania żywicami, jest chwilowe zmniejszenie jej lepkości poprzez odebranie ciepła z podgrzanych układów. Ułatwia to dokładne wypełnienie szczelin i pomaga w uwolnieniu pęcherzyków powietrza z mieszaniny.

Ostatnim ważnym procesem jest utwardzanie. Należy pamiętać, że wraz ze zwiększaniem objętości żywicy poliuretanowej, szczególnie podczas jednorazowego zalewania, zwiększa się jej temperatura, co powoduje większy skurcz (efekt reakcji egzotermicznej) i skraca się też czas utwardzenia. Tego typu zjawiska nie występują w przypadku zalew silikonowych, podwyższenie temperatury nie zmienia ich lepkości.

Produktami godnymi polecenia w procesie hermetyzacji układów LED są m.in.: przezroczyste zalewy silikonowe firmy CHT (ACC Silicones) QLE1102, QSil216 oraz przezroczyste i mleczne żywice poliuretanowe firmy Copaltec ST43, ST44, ST45, LD44.

BL elektronik
ul. Opolska 18, 31-323 Kraków
tel./faks 12 357 63 78, tel. 696 483 020
kontakt@blelektronik.com.pl
www.blelektronik.com.pl
sklep.blelektronik.com.pl