提高LED植物燈可靠性且不影響光特性的敷型涂料
一家植物生長燈生產(chǎn)商在開發(fā)嚴苛環(huán)境下具有高可靠性的植物燈時遇到了瓶頸。期望植物燈具有長的壽命和高的可靠性，他們想到了在PCBA板上使用三防涂層。但是三防涂層在應用過程中出現(xiàn)了各種問題，植物燈生產(chǎn)商甚至因三防涂層釋放出來的有毒氣體濃度過高被迫停產(chǎn)。無奈之下，這家植物燈生產(chǎn)商找到了特可銳。
在植物燈生產(chǎn)商對特可銳的LED植物燈專用敷型涂料（Fine-L-Kote LED2 Conformal Coating）進行了嚴格的測試之后，特可銳的產(chǎn)品成功挽救了植物燈客戶被動的局面。
那么問題來了：在嚴苛的植物生產(chǎn)條件下，如何保持LED植物燈的高可靠性？
想象一下這樣的場景：把一個敏感的電子設備，比如你的筆記本電腦，放在加入了腐蝕性施肥化學品的蒸汽浴里，你的筆記本電腦會發(fā)生怎樣的變化。當然這時在筆記本電腦的電子組件上涂敷敷型涂料可以有效保護筆記本電腦不受侵害。但是對于LED植物燈而言，敷型涂料選擇不合適可能會導致LED燈光照強度變暗，光的色彩發(fā)生變化等不良后果。那么植物燈生產(chǎn)商多年來為了優(yōu)化光照對植物生長的影響而在LED光照強度和色彩的選擇上所做的努力也就毀于一旦。由于有機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硅樹脂（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)使用時間的延長，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)。這對時間就是金錢的生產(chǎn)進程來說打擊無疑是很大的。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，我們先對植物生長燈的情況做下簡要的介紹。(一) 植物生長燈是起什么作用的？
植物生長燈是一種特殊的燈具，能夠有效的提供植物生長所需各種波長的光從而促進植物生長、開花與結果。不僅可以模擬太陽光，還可以在光譜(顏色)或強度上進行調整，以達到特殊的效果。生長燈被廣泛應用于室內園藝、植物生長和食品生產(chǎn)，尤其適用于室內水培。
由于室內農業(yè)、商業(yè)溫室和垂直農業(yè)部門的需求激增，全球LED生長燈市場正在迅速擴張。美國許多州和世界各國對大麻種植的合法化也促進了室內種植業(yè)的增長。在2020年，LED植物生長燈市場估值為12.8億元，2030年預計增至123.2億元。LED生長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), Savant Systems Inc. (U.S.), and Signify Holding (Netherlands)。
生長燈可利用各種照明技術進行工作。最初使用的是白熾燈泡，但是存在不易控制和容易過熱的缺點。后來的幾代燈具包括熒光燈和高強度放電(藏)燈?，F(xiàn)代生長燈主要使用電子工業(yè)中常用的發(fā)光二極管(LED)技術。由于單個 LED發(fā)出的光顏色范圍窄，所以一般由多個 LED 陣列來模仿太陽的自然白光。還可以根據(jù)特定植物生長周期的特點對光的顏色進行設計，如向紅色光、藍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在此方面的巨大價值大幅提高了室內農業(yè)生產(chǎn)力的效率。室內農場需要生長燈照明是因為植物生長需要光來進行光合作用。光也會影響植物的生長方式，如生長速度和生長方向，這個過程被稱為光形態(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。植物的光感受器會被光譜上不同光的顏色所激活，從而影響生長特性，如結果率、生長速度、根系發(fā)育、植物健康、風味、營養(yǎng)等。光色的微小變化，即使只有10nm-20nm，也會對植物生長和食用產(chǎn)品產(chǎn)生重大影響。發(fā)表在《植物》雜志(2019年4月)上的一項研究表明，藍光和紅光可以促進萵苣、菠菜、羽衣甘藍、羅勒和甜椒的生長、顏色和抗氧化劑含量。另一項發(fā)表在實驗植物學雜志(2017年4月)的研究指出，綠燈的重要性不容忽視。綠色在生物學中一直被認為是次要的，因為大部分綠光在植物表面都被反射走了(這就是為什么植物看起來是綠色的)。但這項研究表明，對綠光的吸收實際上有助于促進光合作用，提高碳的吸收，并可能提高作物產(chǎn)量。2012年的一項關于普通鼠尾草光照強度的研究表明，光照強度與葉片數(shù)呈強烈正相關性，而與植株高度和光合色素呈負相關性，最佳光照強度與植物本身和LED生長燈的特性都相關。因此LED 生長燈的光照強度需要嚴格控制。
LED植物生長燈的制造需要將單個LED燈珠用焊料連接到印刷電路板(PCB)上。理論上來說，這應該是一個易于安裝和具有高度可靠性的簡單的電子設備。但實際上，植物生長燈面臨的是室內農業(yè)的極端環(huán)境，當引入熱、濕、腐蝕性肥料的影響時，電子設備的可靠性就更加難以保證了。水具有導電性，將其引入電子組件可能會造成漏電或短路。如果PCBA上有離子殘留，如助熔劑殘留，水分和電流則會導致枝晶生長。枝晶從一個接觸點生長到另一個接觸點，同樣會導致漏電或短路。腐蝕性肥料會導致電路板表面金屬的腐蝕和分解。簡而言之，保持電子設備干凈干燥非常必要。
以下幾種策略可以確保植物生長燈的可靠性
(一) 密封包裝/氣體密封
所有生長燈的包裝目的都是為了防止外部污染物進入內部電子設備。但實際上，要保持電子設備經(jīng)濟簡便易于包裝和維修，同時不讓水分進入電子設備內部幾乎是不可能的。另一個策略是將敏感電子元件灌封到環(huán)氧樹脂膠中。這樣可以起到防水的作用，但同時也會帶來很多問題。（1） PCBA 成型后便無法重新進行加工和維修。一旦有所損壞，整個LED燈都將報廢。（2） 灌封會使光線變暗或使光的顏色發(fā)生偏移；（3） 灌封會導致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，對散熱影響很小。在生長燈需要返工和維修時，可以容易的移除。敷型涂層雖然防水性能不如灌封材料，但與密封包裝結合使用時，仍然可以提供足夠的防水性能。
敷形涂料是一種特殊的聚合物膜，用于保護電路板、元件和其它電子設備免受惡劣環(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。應用到植物生長燈上的敷型涂料，應首先考慮以下性能：敷型涂料使用之前需要測試其潮濕環(huán)境下的防漏電性能和防腐蝕性能。通常用鹽霧測試(ASTMB117)來考察敷型涂層這一性能。目前對于市場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程中對LED燈珠進行額外的遮蔽，或選用精密的選擇性噴涂工藝噴涂施工，則敷型涂料不會對生長燈的光線傳輸產(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是一個潛在的失效點，水分或其它污染物很容易進入到破損點內對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，則敷型涂料會對燈珠的光線傳輸產(chǎn)生不利影響，如光照強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損害生長燈的性能，縮短生長燈使用壽命。如現(xiàn)代發(fā)光二極管通常包含光學透明、熱穩(wěn)定性好、耐紫外線性能好的硅樹脂聚合物，如果不相容組分擴散到這些硅樹脂聚合物中，會導致硅樹脂聚合物變色和光線的偏移。電子設備的可靠性很重要，但同樣重要的是電子設備裝配過程的安全性。目前市場上的敷型涂料一般都溶解在有毒化學溶劑中使用，如甲苯、二甲苯和丁酮等。這些溶劑都在美國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，會對人員健康產(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脂(AR)體系，有機硅(SR)體系，或氨基甲酸酯樹脂(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。對于植物生長燈來說，有機硅敷型涂料由于其優(yōu)異的疏水性、耐化學品性(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燈生產(chǎn)商在重新啟動生產(chǎn)后，急切想要尋找可以符合他們要求的標準且無毒或低毒的敷型涂料替代品。幸運的是，特可銳能夠提供一個理想的解決方案，即Fine-L-Kote? LED2。
特可銳Fine-L-Kote?LED2專為發(fā)光二極管的應用場景設計和開發(fā)，可形成完全透明的、堅韌的、極具彈性的保護涂層。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、物理電學性能穩(wěn)定性優(yōu)異，不影響光照強度和發(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，對人員健康來說更加安全。當然，為了確保Fine-L-Kote? LED2對LED燈的保護作用，建議使用前先進行性能測試。特可銳Fine-L-Kote?LED2敷型涂料性能（IPC-CC-830B）IPC-CC-830B是這樣一組測試標準：有的測試項目以通過和不通過來表示，有些測試項目提供可供比較或參考的具體數(shù)值。評價指標包括涂層外觀、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通過了以上所有測試。雖然IPC-CC-830B包含了熒光性能測試，但由于LED燈敷型涂料特殊的應用場景，熒光指示劑會對光譜透射產(chǎn)生負面影響，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，第三方測試機構對Fine-L-Kote? LED2涂層的透光性能（光照強度和光顏色的變化）進行了測試。未涂覆Fine-L-Kote? LED2的LED燈作為對照。利用光譜輻射計和積分球測量了光輸出、相關色溫、色度坐標、顯色指數(shù)和各LED 的光譜分布。測試結果證明Fine-L-Kote? LED2對LED燈的光照強度和光顏色無任何影響，見下圖。
加速腐蝕試驗可在受控環(huán)境中快速評估涂層的耐腐蝕性能。將LED 燈具在鹽霧室中用5%氯化鈉溶液浸潤數(shù)周。測試前后對LED的性能進行了測試和比較，考察性能衰減情況。測試結果表明Fine-L-Kote? LED2能夠通過這種極端的耐腐蝕性測試。采用cree相容性測試套件和標準對Fine-L-Kote? LED2的相容性進行測試。Cree 是LED的頂級制造商之一，其開發(fā)了工具包和工藝來幫助客戶解決問題。相容性測試套件包括 MX-6, XP-E, XR-E andXHP50 LEDs。測試時發(fā)光二極管連接到涂有涂層的PCB板上，接通電源，運行測試至少6周(1000小時)。Fine-L-Kote?LED2通過了所有LED組件的 Cree 兼容性測試，并被列入 Cree XLamp LEDs化學兼容性指南(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涂覆兩次，使用Fine-L-Kote? LED2一次涂覆即可達到所需厚度。
經(jīng)過1-2年的不斷推廣使用和測試，F(xiàn)ine-L-Kote? LED2提高了多個品牌植物生長燈的可靠性，包括美國、墨西哥和亞洲的生長燈品牌。在激烈的市場競爭中，產(chǎn)品的質量和可靠性是成功的關鍵。Fine-L-Kote? LED2在客戶的實際應用中證明了具有強大的競爭優(yōu)勢，使客戶的生長燈產(chǎn)品經(jīng)受住了嚴苛環(huán)境的考驗，提高了室內農業(yè)的發(fā)展速度。
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【參考文獻】
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[3] Limigrow, Nov. 19, 2019 blog “The Definitive Guide to Grow Light Spectrum”.
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