提高LED植物燈可靠性且不影響光特性的敷型涂料
一家植物生長(zhǎng)燈生產(chǎn)商在開(kāi)發(fā)嚴(yán)苛環(huán)境下具有高可靠性的植物燈時(shí)遇到了瓶頸。期望植物燈具有長(zhǎng)的壽命和高的可靠性，他們想到了在PCBA板上使用三防涂層。但是三防涂層在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了各種問(wèn)題，植物燈生產(chǎn)商甚至因三防涂層釋放出來(lái)的有毒氣體濃度過(guò)高被迫停產(chǎn)。無(wú)奈之下，這家植物燈生產(chǎn)商找到了特可銳。
在植物燈生產(chǎn)商對(duì)特可銳的LED植物燈專用敷型涂料（Fine-L-Kote LED2 Conformal Coating）進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試之后，特可銳的產(chǎn)品成功挽救了植物燈客戶被動(dòng)的局面。
那么問(wèn)題來(lái)了：在嚴(yán)苛的植物生產(chǎn)條件下，如何保持LED植物燈的高可靠性？
想象一下這樣的場(chǎng)景：把一個(gè)敏感的電子設(shè)備，比如你的筆記本電腦，放在加入了腐蝕性施肥化學(xué)品的蒸汽浴里，你的筆記本電腦會(huì)發(fā)生怎樣的變化。當(dāng)然這時(shí)在筆記本電腦的電子組件上涂敷敷型涂料可以有效保護(hù)筆記本電腦不受侵害。但是對(duì)于LED植物燈而言，敷型涂料選擇不合適可能會(huì)導(dǎo)致LED燈光照強(qiáng)度變暗，光的色彩發(fā)生變化等不良后果。那么植物燈生產(chǎn)商多年來(lái)為了優(yōu)化光照對(duì)植物生長(zhǎng)的影響而在LED光照強(qiáng)度和色彩的選擇上所做的努力也就毀于一旦。由于有機(jī)硅材料具有卓越的疏水性，自然地，這家LED植物燈生產(chǎn)商之前的第一選擇是一家頂尖的有機(jī)硅樹(shù)脂（SR）生產(chǎn)商。但其敷型涂料產(chǎn)品含有很高濃度的甲苯，甲苯具有高毒性和很強(qiáng)的刺激性氣味。該敷型涂料產(chǎn)品一經(jīng)使用，便使產(chǎn)線人員產(chǎn)生了頭痛、惡心的情況。隨著連續(xù)使用時(shí)間的延長(zhǎng)，甲苯的破壞力不得不使植物燈生產(chǎn)商停止了產(chǎn)線生產(chǎn)。這對(duì)時(shí)間就是金錢的生產(chǎn)進(jìn)程來(lái)說(shuō)打擊無(wú)疑是很大的。最后，這家頗具規(guī)模的LED植物燈生產(chǎn)商為了解決以上問(wèn)題聯(lián)系到了特可銳。
在揭曉我們的解決方案之前，我們先對(duì)植物生長(zhǎng)燈的情況做下簡(jiǎn)要的介紹。(一) 植物生長(zhǎng)燈是起什么作用的？
植物生長(zhǎng)燈是一種特殊的燈具，能夠有效的提供植物生長(zhǎng)所需各種波長(zhǎng)的光從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)、開(kāi)花與結(jié)果。不僅可以模擬太陽(yáng)光，還可以在光譜(顏色)或強(qiáng)度上進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到特殊的效果。生長(zhǎng)燈被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)園藝、植物生長(zhǎng)和食品生產(chǎn)，尤其適用于室內(nèi)水培。
(二) 快速增長(zhǎng)的植物生長(zhǎng)燈市場(chǎng)
由于室內(nèi)農(nóng)業(yè)、商業(yè)溫室和垂直農(nóng)業(yè)部門的需求激增，全球LED生長(zhǎng)燈市場(chǎng)正在迅速擴(kuò)張。美國(guó)許多州和世界各國(guó)對(duì)大麻種植的合法化也促進(jìn)了室內(nèi)種植業(yè)的增長(zhǎng)。在2020年，LED植物生長(zhǎng)燈市場(chǎng)估值為12.8億元，2030年預(yù)計(jì)增至123.2億元。LED生長(zhǎng)燈的主要制造商包括Black Dog Grow Technologies Inc.(U.S.)，Bridgelux Inc. (U.S.),CreeLED Inc. (U.S.), 億光電子工業(yè)股份有限公司 (Taiwan), Heliospectra AB (Sweden),Lumigrow Inc. (U.S.), OSRAM GmbH (Germany), 三星電子(韓國(guó)), Savant Systems Inc. (U.S.), and Signify Holding (Netherlands)。
生長(zhǎng)燈可利用各種照明技術(shù)進(jìn)行工作。最初使用的是白熾燈泡，但是存在不易控制和容易過(guò)熱的缺點(diǎn)。后來(lái)的幾代燈具包括熒光燈和高強(qiáng)度放電(藏)燈。現(xiàn)代生長(zhǎng)燈主要使用電子工業(yè)中常用的發(fā)光二極管(LED)技術(shù)。由于單個(gè) LED發(fā)出的光顏色范圍窄，所以一般由多個(gè) LED 陣列來(lái)模仿太陽(yáng)的自然白光。還可以根據(jù)特定植物生長(zhǎng)周期的特點(diǎn)對(duì)光的顏色進(jìn)行設(shè)計(jì)，如向紅色光、藍(lán)色光或綠色光的方向偏移等。很多照明產(chǎn)品由多種顏色的發(fā)光二極管組成，通過(guò)電子控制發(fā)光二極管的活躍與靜默可以改變產(chǎn)生的光的總體顏色。LED在此方面的巨大價(jià)值大幅提高了室內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的效率。(四) 光照強(qiáng)度和光的顏色對(duì)植物生長(zhǎng)的重要性室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)需要生長(zhǎng)燈照明是因?yàn)橹参锷L(zhǎng)需要光來(lái)進(jìn)行光合作用。光也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)方式，如生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)方向，這個(gè)過(guò)程被稱為光形態(tài)建成。在光譜上，光合作用一般發(fā)生在400nm-700nm 處，光形態(tài)建成發(fā)生在260nm-780nm 處。植物的光感受器會(huì)被光譜上不同光的顏色所激活，從而影響生長(zhǎng)特性，如結(jié)果率、生長(zhǎng)速度、根系發(fā)育、植物健康、風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)等。光色的微小變化，即使只有10nm-20nm，也會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)和食用產(chǎn)品產(chǎn)生重大影響。發(fā)表在《植物》雜志(2019年4月)上的一項(xiàng)研究表明，藍(lán)光和紅光可以促進(jìn)萵苣、菠菜、羽衣甘藍(lán)、羅勒和甜椒的生長(zhǎng)、顏色和抗氧化劑含量。另一項(xiàng)發(fā)表在實(shí)驗(yàn)植物學(xué)雜志(2017年4月)的研究指出，綠燈的重要性不容忽視。綠色在生物學(xué)中一直被認(rèn)為是次要的，因?yàn)榇蟛糠志G光在植物表面都被反射走了(這就是為什么植物看起來(lái)是綠色的)。但這項(xiàng)研究表明，對(duì)綠光的吸收實(shí)際上有助于促進(jìn)光合作用，提高碳的吸收，并可能提高作物產(chǎn)量。2012年的一項(xiàng)關(guān)于普通鼠尾草光照強(qiáng)度的研究表明，光照強(qiáng)度與葉片數(shù)呈強(qiáng)烈正相關(guān)性，而與植株高度和光合色素呈負(fù)相關(guān)性，最佳光照強(qiáng)度與植物本身和LED生長(zhǎng)燈的特性都相關(guān)。因此LED 生長(zhǎng)燈的光照強(qiáng)度需要嚴(yán)格控制。
(五) 植物生長(zhǎng)燈可靠性面臨的挑戰(zhàn)
LED植物生長(zhǎng)燈的制造需要將單個(gè)LED燈珠用焊料連接到印刷電路板(PCB)上。理論上來(lái)說(shuō)，這應(yīng)該是一個(gè)易于安裝和具有高度可靠性的簡(jiǎn)單的電子設(shè)備。但實(shí)際上，植物生長(zhǎng)燈面臨的是室內(nèi)農(nóng)業(yè)的極端環(huán)境，當(dāng)引入熱、濕、腐蝕性肥料的影響時(shí)，電子設(shè)備的可靠性就更加難以保證了。水具有導(dǎo)電性，將其引入電子組件可能會(huì)造成漏電或短路。如果PCBA上有離子殘留，如助熔劑殘留，水分和電流則會(huì)導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)。枝晶從一個(gè)接觸點(diǎn)生長(zhǎng)到另一個(gè)接觸點(diǎn)，同樣會(huì)導(dǎo)致漏電或短路。腐蝕性肥料會(huì)導(dǎo)致電路板表面金屬的腐蝕和分解。簡(jiǎn)而言之，保持電子設(shè)備干凈干燥非常必要。
以下幾種策略可以確保植物生長(zhǎng)燈的可靠性
(一) 密封包裝/氣體密封
所有生長(zhǎng)燈的包裝目的都是為了防止外部污染物進(jìn)入內(nèi)部電子設(shè)備。但實(shí)際上，要保持電子設(shè)備經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便易于包裝和維修，同時(shí)不讓水分進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部幾乎是不可能的。另一個(gè)策略是將敏感電子元件灌封到環(huán)氧樹(shù)脂膠中。這樣可以起到防水的作用，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。（1） PCBA 成型后便無(wú)法重新進(jìn)行加工和維修。一旦有所損壞，整個(gè)LED燈都將報(bào)廢。（2） 灌封會(huì)使光線變暗或使光的顏色發(fā)生偏移；（3） 灌封會(huì)導(dǎo)致PCBA散熱不良，縮短使用壽命；
在PCBA板和元器件表面涂覆一層敷型涂料。敷型涂層一般很薄，對(duì)散熱影響很小。在生長(zhǎng)燈需要返工和維修時(shí)，可以容易的移除。敷型涂層雖然防水性能不如灌封材料，但與密封包裝結(jié)合使用時(shí)，仍然可以提供足夠的防水性能。
敷形涂料對(duì)植物生長(zhǎng)燈的保護(hù)
敷形涂料是一種特殊的聚合物膜，用于保護(hù)電路板、元件和其它電子設(shè)備免受惡劣環(huán)境的影響。PCBA板表面固有的不規(guī)則性不影響涂料的使用。敷型涂層具有優(yōu)異的介電性能，防腐，耐濕熱，抗真菌，抗空氣污染，防塵等。應(yīng)用到植物生長(zhǎng)燈上的敷型涂料，應(yīng)首先考慮以下性能：敷型涂料使用之前需要測(cè)試其潮濕環(huán)境下的防漏電性能和防腐蝕性能。通常用鹽霧測(cè)試(ASTMB117)來(lái)考察敷型涂層這一性能。2. 對(duì)光照強(qiáng)度和光顏色的影響目前對(duì)于市場(chǎng)上可選擇的敷型涂料而言，若PCBA板上不全面完整涂覆敷型涂料，即在敷型涂料施工過(guò)程中對(duì)LED燈珠進(jìn)行額外的遮蔽，或選用精密的選擇性噴涂工藝噴涂施工，則敷型涂料不會(huì)對(duì)生長(zhǎng)燈的光線傳輸產(chǎn)生任何影響，但這樣極大增加了操作成本和難度。此外，涂層的每一處破損都會(huì)是一個(gè)潛在的失效點(diǎn)，水分或其它污染物很容易進(jìn)入到破損點(diǎn)內(nèi)對(duì)PCBA板產(chǎn)生腐蝕。若PCBA板上全面完整涂覆敷型涂料，包括LED燈珠，則敷型涂料會(huì)對(duì)燈珠的光線傳輸產(chǎn)生不利影響，如光照強(qiáng)度降低或光的顏色發(fā)生偏移。與組件的相容性。敷型涂層中的不相容組分會(huì)損害生長(zhǎng)燈的性能，縮短生長(zhǎng)燈使用壽命。如現(xiàn)代發(fā)光二極管通常包含光學(xué)透明、熱穩(wěn)定性好、耐紫外線性能好的硅樹(shù)脂聚合物，如果不相容組分?jǐn)U散到這些硅樹(shù)脂聚合物中，會(huì)導(dǎo)致硅樹(shù)脂聚合物變色和光線的偏移。電子設(shè)備的可靠性很重要，但同樣重要的是電子設(shè)備裝配過(guò)程的安全性。目前市場(chǎng)上的敷型涂料一般都溶解在有毒化學(xué)溶劑中使用，如甲苯、二甲苯和丁酮等。這些溶劑都在美國(guó)有害空氣污染物的名單上，并且被證明如果人體接觸足夠多，會(huì)對(duì)人員健康產(chǎn)生不利影響，如癌癥、肝損傷和腎衰竭等。敷型涂料通常分為丙烯酸樹(shù)脂(AR)體系，有機(jī)硅(SR)體系，或氨基甲酸酯樹(shù)脂(UR)體系等，工程師們可根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇敷型涂層的類型。對(duì)于植物生長(zhǎng)燈來(lái)說(shuō)，有機(jī)硅敷型涂料由于其優(yōu)異的疏水性、耐化學(xué)品性(即耐腐蝕肥料)、不易變色性、良好的耐熱性等，成為較優(yōu)的選擇。
前文提到的植物生長(zhǎng)燈生產(chǎn)商在重新啟動(dòng)生產(chǎn)后，急切想要尋找可以符合他們要求的標(biāo)準(zhǔn)且無(wú)毒或低毒的敷型涂料替代品。幸運(yùn)的是，特可銳能夠提供一個(gè)理想的解決方案，即Fine-L-Kote? LED2。
特可銳Fine-L-Kote?LED2專為發(fā)光二極管的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，可形成完全透明的、堅(jiān)韌的、極具彈性的保護(hù)涂層。具有極佳的柔韌性，在柔性或剛性LED顯示屏上具有杰出的防污性。固化后的涂層在高溫高濕環(huán)境下水解穩(wěn)定性、物理電學(xué)性能穩(wěn)定性優(yōu)異，不影響光照強(qiáng)度和發(fā)光顏色。特可銳Fine-L-Kote?LED2不含有甲苯、二甲苯、丁酮類有毒有害溶劑，對(duì)人員健康來(lái)說(shuō)更加安全。當(dāng)然，為了確保Fine-L-Kote? LED2對(duì)LED燈的保護(hù)作用，建議使用前先進(jìn)行性能測(cè)試。特可銳Fine-L-Kote?LED2敷型涂料性能（IPC-CC-830B）IPC-CC-830B是這樣一組測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：有的測(cè)試項(xiàng)目以通過(guò)和不通過(guò)來(lái)表示，有些測(cè)試項(xiàng)目提供可供比較或參考的具體數(shù)值。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括涂層外觀、絕緣性、抗霉菌性、柔韌性、易燃性、耐潮濕性和絕緣性、耐熱震性和水解穩(wěn)定性等。特可銳Fine-L-Kote?LED2通過(guò)了以上所有測(cè)試。雖然IPC-CC-830B包含了熒光性能測(cè)試，但由于LED燈敷型涂料特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，熒光指示劑會(huì)對(duì)光譜透射產(chǎn)生負(fù)面影響，因此Fine-L-Kote? LED2未添加熒光指示劑。透光性能（(IESNA LM-79-2008 and ANSI NEMAANSLG C78.377:2015）為了表征Fine-L-Kote? LED2的透光性能，第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)Fine-L-Kote? LED2涂層的透光性能（光照強(qiáng)度和光顏色的變化）進(jìn)行了測(cè)試。未涂覆Fine-L-Kote? LED2的LED燈作為對(duì)照。利用光譜輻射計(jì)和積分球測(cè)量了光輸出、相關(guān)色溫、色度坐標(biāo)、顯色指數(shù)和各LED 的光譜分布。測(cè)試結(jié)果證明Fine-L-Kote? LED2對(duì)LED燈的光照強(qiáng)度和光顏色無(wú)任何影響，見(jiàn)下圖。
加速腐蝕試驗(yàn)可在受控環(huán)境中快速評(píng)估涂層的耐腐蝕性能。將LED 燈具在鹽霧室中用5%氯化鈉溶液浸潤(rùn)數(shù)周。測(cè)試前后對(duì)LED的性能進(jìn)行了測(cè)試和比較，考察性能衰減情況。測(cè)試結(jié)果表明Fine-L-Kote? LED2能夠通過(guò)這種極端的耐腐蝕性測(cè)試。采用cree相容性測(cè)試套件和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Fine-L-Kote? LED2的相容性進(jìn)行測(cè)試。Cree 是LED的頂級(jí)制造商之一，其開(kāi)發(fā)了工具包和工藝來(lái)幫助客戶解決問(wèn)題。相容性測(cè)試套件包括 MX-6, XP-E, XR-E andXHP50 LEDs。測(cè)試時(shí)發(fā)光二極管連接到涂有涂層的PCB板上，接通電源，運(yùn)行測(cè)試至少6周(1000小時(shí))。Fine-L-Kote?LED2通過(guò)了所有LED組件的 Cree 兼容性測(cè)試，并被列入 Cree XLamp LEDs化學(xué)兼容性指南(CLD-AP63 Rev 6A Aug 2018)。Fine-L-Kote? LED2除了滿足客戶的所有要求外，還大大提高了客戶的生產(chǎn)效率。之前的敷型涂料需要反復(fù)涂覆兩次，使用Fine-L-Kote? LED2一次涂覆即可達(dá)到所需厚度。
經(jīng)過(guò)1-2年的不斷推廣使用和測(cè)試，F(xiàn)ine-L-Kote? LED2提高了多個(gè)品牌植物生長(zhǎng)燈的可靠性，包括美國(guó)、墨西哥和亞洲的生長(zhǎng)燈品牌。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是成功的關(guān)鍵。Fine-L-Kote? LED2在客戶的實(shí)際應(yīng)用中證明了具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使客戶的生長(zhǎng)燈產(chǎn)品經(jīng)受住了嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，提高了室內(nèi)農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度。
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