摘要

即使在今天，室外用 LED 標志牌基本上還是使用插件 LED 制造而成。

鑒于此情形，以下文檔將探討現(xiàn)代硅樹脂封裝型 SMT LED 在此特定應用領域的適用性和實用性。該文檔還解決 IP 防護等級標準的應用性問題，尤其是關于防水和防潮方面以及適合此特殊領域的適用性。

 簡介

除了出色的效率外，現(xiàn)代 LED 技術的主要優(yōu)勢在于通用性和靈活性。

LED 的設計和結構可用于滿足各種應用的要求，使它們適合普通照明、汽車照明、可變信息標志、交通標志、效果照明、視頻墻等幾乎所有領域的照明技術。在上述多數(shù)領域中，LED 都已成為廣泛應用的先進光源，并開始全面取代傳統(tǒng)光源。

室外應用是對 LED 和 LED 光源要求最苛刻的領域之一，因為此類應用會受到多方面條件的影響，有時甚至會受到?jīng)_突條件的影響。

例如，此類應用可能會受溫度、輻射、濕氣、雨水、灰塵、化學品、氣體和其他自然現(xiàn)象的影響。

除此之外，地理情況和安裝位置也會左右此類影響的出現(xiàn)率、類型和規(guī)模，同時特定的環(huán)境條件組合和相互作用會使情況更嚴重。

例如，與安裝在繁忙市中心交通路口或熱帶地區(qū)小鎮(zhèn)的類似顯示屏相比，安裝在歐洲體育場中的 LED 顯示屏所承受的環(huán)境條件截然不同。

因此，針對LED的特定的室外應用，通常很難確定令人滿意的需求條件，更不用說建立一套明確規(guī)定的極限值。

此外，業(yè)內對“室外”也沒有明確規(guī)定的定義，因此沒有相關標準和條款可以用來被廣泛地解讀。

目前 LED 的質量測試包含在標準化典型測試條件（例如 JEDEC 標準或 ICE 等所規(guī)定）下進行的一系列相關測試。LED 制造商可按要求將這些測試擴展用到單個客戶的特定測試上。

這些不同的質量評定測試旨在闡明 LED 的各個方面，如結構、材料、電氣和光學特性等，并收集有關強度、耐溫度波動性、防濕氣以及 ESD 電阻等的數(shù)據(jù)。

質量評定過程結束后，LED 需要符合所要求的標準——可能包括特定限值內的不同參數(shù)。

LED 可否用于室外，即 LED 是否“可直接在室外使用”，對于這一問題目前無法給出一個可靠的答案，盡管有時客戶被引導得

相信“LED 不需要任何額外保護”。對這個問題的明確的答案是“按情況而定”。

 LED 標志牌

雖然 LED 技術在不斷的發(fā)展中，但室外用 LED 顯示器基本上還是使用插件式 LED 制造而成，很少數(shù)使用 SMT LED 制造。

這主要是因為光密度和功耗要求，加上由安裝位置和觀看距離決定的像素間距導致。

在目前市場上，采用朗伯輻射模式的 SMT LED 主要用于像素間距為 8mm 至 15mm 的應用，而插件式橢圓形 LED 主要用于間距為 15mm 及以上的應用。

與此相反，室內顯示器像素密度極高，其關注點完全集中在 SMT LED 上。SMT Multi-LED 是此應用領域的標準 LED，因為它們非常緊湊。硅樹脂的抗老化性能非常好，采用硅樹脂封裝的 LED 現(xiàn)在開始用于那些很容易劣化或使用期限極長的應用。

LED 顯示器的結構或多或少基于通用的原理，一些基本部件根據(jù)最終尺寸做適當?shù)呐帕校▓D 1）。這些基本元素或板主要由
包含 LED 且在底層配備有冷卻系統(tǒng)和控制單元的印刷電路板組成。

 
圖 1：LED 標志的結構設計

由于插件式 LED 顯示器有許多通孔，通常需要一塊單獨的板供控制電路使用，而 SMT 板通常在 LED 印刷電路板的背面配有控制電路。

在大多數(shù)情況下，用于室外顯示器的板還附加有保護層（例如硅樹脂封裝、聚對二甲苯涂層）和面罩以減少日曬（圖 2）。

 發(fā)光二極管 (LED)

幾乎所有類型的 LED 都表現(xiàn)出相同的總體結構。制造工藝是將一個或多個半導體芯片安裝在外殼中，然后將芯片和帶有連接用引腳的外殼連接起來，并隨后進行封裝。

插件式 LED（穿孔）始終使用透明或擴散型環(huán)氧樹脂進行灌封，然后塑造或構造出其實際外殼形狀。

 圖 2：安裝有不同類型 LED 的板原理結構

 
圖 3：LED 基礎結構

SMT LED 通常使用預先構造的外殼和用不透明塑料化合物封裝的金屬底座（“引線框”）。

 LED 封裝

除了先前使用的環(huán)氧樹脂灌封化合物，現(xiàn)代 SMT LED 還使用硅樹脂來封裝或填充反射器。

這可歸因于對具有更佳防劣化性和溫度穩(wěn)定性的 LED 的需求日益增長。

雖然環(huán)氧樹脂通常非常適合用作灌封化合物，但其材料屬性包括兩大嚴重弱點，限制其對 LED 的有用性。

第一個弱點是受限的耐熱性，通常最高僅 125°C；第二個弱點是在短波長光（尤其是藍光和紫外光）下的不穩(wěn)定性。

圖 4：采用環(huán)氧樹脂封裝的藍光 LED 的老化

圖 4 展示了在采用低功率 PLCC 封裝形式且工作條件介于 5mA 至 15mA 之間以及 25°C 至 55°C 之間時，采用環(huán)氧樹脂封裝的藍光 LED 的典型老化特性圖。發(fā)光強度的連續(xù)損失主要是由于環(huán)氧化物的老化。

在 LED 標志應用中，這尤其會導致色度坐標不穩(wěn)定。由此得出結論，環(huán)氧樹脂實際上并不能滿足長時間工作或長生命周期的需求。

為了滿足廣告牌等應用的要求，LED 行業(yè)日益轉向硅樹脂灌封化合物，其已成為廣泛應用的最先進灌封化合物。

硅樹脂在短波長光下處于準穩(wěn)定狀態(tài)，耐熱性比環(huán)氧樹脂明顯更高。

圖 5：采用硅樹脂封裝的藍光 Multi TOPLED SMT LED 的老化

圖 5 展示了采用硅樹脂灌封化合物的藍光 SMT MultiLED（PLCC 封裝）的老化特性。通過對比可發(fā)現(xiàn)，其劣化明顯降低，且本質上是由于反光器塑料經(jīng)過較長時間才會劣化。這意味著 LED 標志牌的應用中色度坐標明顯更穩(wěn)定。

因此，硅樹脂還可用于那些無需穩(wěn)定光特性或色度坐標，但需要能夠耐受高溫的 LED。

 
表 1：不同灌封化合物的優(yōu)點和缺點

但是，硅樹脂封裝化合物可滲透氣體。

通過與 LED 引線框所使用的材料起化學反應，某些氣體和其他元素可損壞 LED。

在定義模糊的“室外”環(huán)境下，之前所述影響因素更可導致 LED 故障。

加工過的硅樹脂還會有一定的殘余表面粘性。

這意味著顆粒（例如灰塵和污垢）可能會附著到表面，對 LED 的光學特性造成不利影響。因此，我們建議在用于標志牌應用的 LED 上表面實施機械或化學保護。

用于驗證特定室外情況的測試方法

為了獲取有關 SMT LED 室外性能的更多信息，除包含常用質量評定步驟的測試（表 2）外，歐司朗光電半導體還對其 LED（尤其是采用硅樹脂封裝的 SMT MultiLED）執(zhí)行了 MIL 或 IEC 標準中所述的多項附加測試。

這些測試包含室外應用中 LED 可能會接觸的許多重要應力因素，但此測試列表（表 3）無疑是不完整的。

應該指出的是，各標準通常適用于完全獨立的系統(tǒng) (MIL) 或模塊 (IEC)，而不是 LED 等單獨的元件，但制造商也可使用經(jīng)過修改或調整的標準對其元件進行質量評定。

執(zhí)行表 3 中所列出的測試前，先將 LED 焊接到鍍金 FR4 印刷電路板，然后將其在無任何附加保護的情況下置于規(guī)定條件下。

對于客戶希望執(zhí)行的任何其他測試，歐司朗光電半導體均非常有興趣了解。請聯(lián)系我們，討論此類要求。

 
表 2：摘錄自歐司朗光電半導體所使用的標準質量評定測試矩陣（例如對于 SMT MultiLED）

 
表 3：附加測試概述

腐蝕性氣體導致的損壞

腐蝕性氣體導致?lián)p壞的機制是，大氣（環(huán)境）中的有害氣體擴散到 LED 內，與金屬元件發(fā)生化學反應，因而導致裝置故障。

在此背景下，“有害氣體”指具有腐蝕性作用的任何氣體。腐蝕性作用的強弱將取決于它們的濃度、溫度以及有無水分。

IEC 標準指定了兩種不同的測試方法，并規(guī)定了適當?shù)臉藴驶瘲l件。

流動混合氣體腐蝕測試


       按照 IEC 60068-2-60（方法 4） 25°C，75%rh，200ppb SO2，200ppb NO2，10ppb H2S，10ppb Cl2，測試持續(xù)時間 500 小時；

（通常為印刷電路板測試）
 

 二氧化硫測試

按照 IEC 60068-2-42 25°C，75%rh，25ppm SO2，

測試持續(xù)時間 500 小時；

（通常為印刷電路板測試）

歐司朗光電半導體執(zhí)行此測試所使用的 SMT LED 沒有出現(xiàn)故障，且沒有表現(xiàn)出嚴重性能偏差。

腐蝕性氣體測試標準中所規(guī)定的有害氣體濃度沒有對歐司朗光電半導體的 LED 造成任何損壞。盡管如此，歐司朗光電半導體仍然建議清除硫的所有來源，因為硫化合物很可能會損壞 LED。

硫的可能來源通常包括硫化促進劑以及橡膠密封和橡膠管中的交聯(lián)劑（另請參閱應用文檔“預防由腐蝕性材料導致的 LED 故障”）。

 抗太陽輻射和紫外線

室外應用中的額外應力因素是陽光直射或紫外線輻射。

根據(jù)暴露的強度和持續(xù)時間，這能使 LED 中的材料老化，并導致這些材料變得易碎或褪色。

由于此原因，歐司朗光電半導體在 LED 中使用硅樹脂封裝和特殊塑料，確保封裝能夠抵抗紫外線并實現(xiàn)超長使用壽命。

與抽象的言論（“樹脂包括紫外線抑制因素，可將長期暴露于陽光直射下的影響降至最低）相比，歐司朗光電半導體實際上已經(jīng)按照 MIL 標準對各種類型的 LED（例如 MultiLED Lxxx GFUG 和 Lxxx GFTG）執(zhí)行了太陽輻射測試。

 
表 4：太陽輻射測試詳情

 太陽輻射測試

按照 MIL 標準810F 的方法 505.4 步驟 II，周期類型 A1，500 小時（通常為系統(tǒng)/裝置測試）

表 4 列出了此測試中所用應力的更多詳情。

之后受測 LED 沒有顯示出任何嚴重劣化，與其原始參數(shù)也沒有明顯偏差。

歐司朗光電半導體的硅樹脂 SMT LED 通過了這些測試，質量合格，可按照 MIL 標準 810F 中505.4的方法貼上抗太陽輻射的標簽。

  防水性

對于室外應用，最重要的因素之一是水，因為水能夠以任何物理形態(tài)，直接或與其他因素相結合后間接地導致單個元件或整個系統(tǒng)故障。

封裝的 SMD 元件（包括插件和 SMT LED）不是密封隔絕的，這意味著周圍環(huán)境中的水分能夠擴散到塑料中。

這樣，通過促進離子遷移，水或水分將會導致腐蝕和短路。表 5 列出了水分可導致的部分主要故障。

表 5：濕氣導致的主要故障（摘錄）

由于此原因，除了為確保產(chǎn)品質量而執(zhí)行的常見水分測試外，用于室外應用的 SMT Multichip LED 還進行了 MIL 標準中規(guī)定的淋雨測試。
 

 淋雨測試

參考 MIL 標準810F 的方法 506.4

不同側面的暴露表面/持續(xù)時間 5x 30 分鐘；

降雨速度：1.7mm/分鐘；測試項目預加熱至 35°C；

初始水溫 25°C；風速 18-20m/s；（通常為系統(tǒng)/裝置測試）

 參考 MIL 標準，此方法可用于評估將被部署在室外且無任何防雨水、防淋雨、防灑水或防滴水保護措施的系統(tǒng)。

 為了獲得最真實的結果，分別對新元件和先前經(jīng)受過應力的元件執(zhí)行了此測試。

§ 淋雨測試 5x 30 分鐘

§ PTC -40°C/+85°C 30mA + 淋雨測試 5x 30 分鐘

§ T&HB 85°C 85%rh 5mA + 淋雨測試 5x 30 分鐘

所有 LED，包括先前經(jīng)受過應力的 LED，在測試后都沒有表現(xiàn)出任何嚴重的劣化或明顯的損壞。

因此，參考 MIL 標準 810F 的方法 506.4，采用硅樹脂封裝的 SMT Multichip LED 具有“防水”功能。

不過歐司朗光電半導體通常不建議在無額外表面保護的情況下在室外環(huán)境中使用 SMT MultiLED，因為“室外”的環(huán)境條件完全未定義，具有不可預測性。

IP 標準和室外性能

當評價一個系統(tǒng)或裝置是否適合惡劣的環(huán)境條件時，業(yè)內通常參考 IP 標準 IEC 60 529 或 DIN EN 60529：“外殼提供的防護等級”（IP = 國際防護，也常常指異物防護）。

這定義了防護等級（IP 代碼），即詳細指明了系統(tǒng)在不損壞或不變成安全隱患的情況下能夠耐受的環(huán)境影響
——接觸、滲透、水分。

IP 代碼 (IPxy) 通常是一對有序的數(shù)字，用于指明適當?shù)姆雷o等級（例如 IP54）。第一個數(shù)字 x 指明外殼防止異物接觸和滲透的等級，第二個數(shù)字 y 指明防水和防潮的等級。

關于防水和防潮等級，應認識到只有第二個數(shù)字最高達到 6 時，較高等級才滿足較低等級的所有要求。第二數(shù)字僅為 7 或 8 的外殼不適合承受水射流，無需滿足第二個數(shù)字為 5 或 6 時的要求。

能夠承受這兩種類型進水的外殼必須帶有雙標識（例如 IPX5/IPX7 或 IPX6/IPX7，或者 IPX5/IPX8 或 IPX6/IPX8）。

防護等級通常通過使用適當?shù)耐鈿せ蛏w子以及鎖定連接來實現(xiàn)。因此，在本質上，IP 代碼表示用于保護電氣連接的外殼和蓋子所能承受的防護等級。

由此得出結論，IP 標準不提供有關系統(tǒng)或外殼室外性能的具體信息，因而不暗示此相關信息。

 
表 6：根據(jù) IEC 60529，對外殼內設備的保護度，防止各種形式的水分（例如滴水、噴霧、淹沒等）有害入侵

 
  正如 DIN EN 60529 標準規(guī)定，IP 防護僅表示物體在此標準所規(guī)定條件下的行為方式。而且，此標準明確排除以下影響：

Ø 腐蝕

Ø 日曬

Ø 由冷凝導致的水分

Ø 結冰

Ø （昆蟲）

此標準還假設使用淡水執(zhí)行測試，明確指出其他成分的水不一定確保能夠符合 IP 等級。

由此得出結論，高 IP 等級不一定確保能夠充分防濕氣和/或防結冰。

此外，也不可能使用此標準去推論出為了使電氣系統(tǒng)或裝置適合室外應用而需要采取什么樣的措施。

一年持續(xù) 8760 個小時，但測試只在短短幾分鐘內完成，考慮到這一事實，情況尤其如此。

因此，只有在有限的程度內，才可能將 IP 標準及其測試擴展和應用到 LED 等電子元件，任何此類說明必須被視為極其可疑且信息價值極小。在任何情況下都不可能得出有關 LED 可能適用于室外的任何結論。

總結

毋庸置疑，LED 在特定條件下可以在室外使用，即達到被認為“可直接在室外使用”的程度。

由于目前對“室外”沒有明確規(guī)定的定義，也沒有指導 LED 室外應用的標準，因而關于適當和適合特性的定義，有很多種不同的解釋。

因此，這完全取決于單個制造商和客戶的理解和判斷來采取適當?shù)臏y試和明智的檢查方法，以評估適合這一高難度應用領域的 LED。

但是，在 IP 防護等級標準的基礎上評估 LED 肯定不合理且不會產(chǎn)生相關信息。

如歐司朗光電半導體的單獨的測試結果所證明的那樣，采用硅樹脂封裝的 SMT LED 也能承受必要的室外應力因素，且具有以下特性：

· 防水（參考 MIL 標準 810F 的方法 506.4。）

· 在紫外線或太陽輻射下的穩(wěn)定性（按照 MIL 標準 810F 的方法 505.4。）

· 抗腐蝕性氣體（如 IEC 60068-2-60 方法 4
和 IEC 60068-2-42 所定義）

盡管擁有上述明顯的室外性能，歐司朗光電半導體仍建議不要在在無額外表面防護的情況下在室外環(huán)境中使用 LED，因為與“室外”有關的環(huán)境條件完全未定義，具有不可預測性。

由于無論選擇哪種類型的 LED，都必須要給 LED 時必須備有防護裝置：SMD 或燈式經(jīng)向、
硅樹脂或環(huán)氧樹脂型，因此用戶通�；谄淞踊詤^(qū)比較電氣和光學參數(shù)選擇 LED。

由于其穩(wěn)定的劣化特性，采用硅樹脂封裝的 LED 特別適合電子廣告牌或乘客信息系統(tǒng)等 7 x 24 小時全天候應用。
 

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