Клей – сильное звено!

Разработка светодиодных осветительных приборов сегодня занимается решением очень тонких и, зачастую, неочевидных задач. Большая их часть связана с надёжностью светильника при долгосрочной эксплуатации. Хорошо описаны процессы деградации кристаллов и люминофоров, расставлены акценты в вопросах создания условий для правильного функционирования источников питания, рекомендованы наиболее стабильные связки основание/диэлектрик в печатных платах. Вопросы же надёжности светодиодного модуля, касающиеся тепловых режимов в отношении вторичной оптики, отчего-то пока мало освещаются. Попробуем восполнить этот пробел.
На первый взгляд, здесь всё просто. Температура плавления полиметилметакрилата и поликарбоната далека от рабочих температур любого светодиодного устройства. Теплоотводящая площадка, которая имеется в подавляющем большинстве современных светодиодов, весьма эффективно транслирует тепловой поток на плату модуля, т.е. в обратном вторичной оптике направлении. Но в случаях, когда речь идёт о мощных светодиодных светильниках, ситуация меняется кардинально. Исходя из практики, наиболее мощные светильники, как правило, должны обладать значительными степенями защиты оболочки IP (Ingress Protection Rating), а значит, кроме организации отвода тепла приходится также думать о надёжной защите от влаги светодиодного модуля.
Эти, на первый взгляд, не связанные между собой задачи, на самом деле, являются взаимозависимыми. Материал линзы обладает боˆльшим линейным температурным расширением, чем алюминиевое основание платы (рассматриваются платы МСРСВ как наиболее вероятные для использования в мощных светильниках).
Опыт показывает, что тепло с печатной платы эффективно отводится (за счёт контакта радиатора с окружающей средой), а линза при этом находится в относительной тепловой изоляции. Таким образом, при включении и выключении светильника эти два элемента конструкции нагреваются и остывают неравномерно. В климатических условиях средней полосы России температурный перепад (между t1 и t2 на рисунке 1) в рабочем термоцикле светильника может составлять более 100°С, поэтому пренебрегать этим обстоятельством при разработке было бы крайне неосмотрительно.
Такие перепады температуры на фоне разных тепловых коэффициентов линейных расширений (ТКЛР) материалов, да ещё при большом количестве циклов нагревов и охлаждений, могут значительно снизить срок эксплуатации светильника. Если не учитывать эти факторы при фиксации оптики на плате, при термоциклировании весьма высока вероятность либо растрескивания линзы, либо потери герметичности.
Для обеспечения высокого индекса IP на уровне модуля довольно изящным решением выглядит применение мультилинз (см. рис. 2–3), полностью накрывающих своим основанием печатную плату и препятствующих попаданию внутрь влаги и тем более пыли (дискретные линзы (см. рис. 4) такому решению явно проигрывают и по трудоёмкости процесса их фиксации, и по стоимости, и по качеству конечного результата). В таком случае задача надёжного крепления линзы на плате встаёт «в полный рост».

Рис. 1. Схема крепления вторичной оптики

Рис. 2. Схема крепления групповой вторичной оптики (мультилинза)

Рис. 3. Пример исполнения мультилинзы

Рис. 4. Схема крепления вторичной оптики из дискретных линз

Стоит отметить, что ведущие российские производители светодиодных светильников всё чаще внедряют в изделия мультилинзы (групповые линзы-кластеры). И не случайно — групповая линза куда как более эффективное решение, с точки зрения технологичности. Групповую линзу значительно проще герметизировать, чем каждую в отдельности. Кроме того, она исключает необходимость использовать дополнительное защитное стекло светильника, которое существенно снижает светоотдачу.
Для обеспечения надёжной компенсации разницы тепловых линейных расширений мультилинзы и печатной платы в таких условиях возможны всего три варианта решения.
1. Дробление вторичной оптики на более мелкие элементы с независимым креплением.
2. Абсолютно прочная фиксация оптики на модуле.
3. Эластичная фиксация оптики на модуле.
Первый путь не выглядит привлекательным, т.к. снижает технологичность, что неминуемо ведёт к ухудшению экономических показателей. Абсолютно прочное крепление оптики к плате невозможно. Даже вариации на его тему, например применение клея на эпоксидной основе или механический крепёж, не выдерживают условий постоянного термоциклирования и иногда приводят даже к разрыву линз. Таким образом, эластичная фиксация выглядит наиболее привлекательной технологией для решения данной задачи.
Перечислим основные свойства материала для эластичной фиксации больших линз на плате. Кроме таких очевидных характеристик как хорошая адгезия и достаточная эластичность, материал должен быть нечувствителен к постоянному термоциклированию, обладать достаточной теплопроводностью, быть устойчивым к ультрафиолетовому излучению. Помимо этого, следует отметить привлекательную стоимость материала, а также технологичность нанесения при изготовлении модуля.

Антон Булдыгин, руководитель отдела разработки светодиодных светильников, МГК «Световые технологии»: «На прошедшей осенью в Саранске светотехнической конференции мы с коллегами из компании Остек обсудили тему фиксации мультилинз. И мне как разработчику было крайне интересно узнать, что материалы, ориентированные на решение этой задачи, существуют».

Из всего разнообразия технологических материалов наиболее подходящими для такой роли являются материалы на основе силикона. Как известно, силикон не изменяет физических свойств в достаточно широком диапазоне температур и обладает хорошей вязкостью для герметизации. Кроме того, он прозрачен и не восприимчив к УФ-излучению. Известны и клеи на силиконовой основе, которые также обладают всеми этими полезными качествами. Однако разработчику не всегда легко разобраться в широкой номенклатуре подобных материалов и, если учесть, что речь идёт о значительно растянутых во времени процессах, сделать абсолютно правильный выбор становится и вовсе непросто.
Наиболее технологичным и грамотным решением фиксации вторичной оптики светодиодного светильника является использование силиконового клея. Необходимо отметить, что к выбору такого клея стоит подходить особенно тщательно. Во-первых, клей должен обладать хорошей адгезией к поверхностям из поликарбоната, алюминия, паяльной маски и желательно без предварительной подготовки этих поверхностей. Во-вторых, клей должен иметь высокую эластичность в широком диапазоне температур –55…150°С. Это необходимо для компенсации разницы ТКЛР склеиваемых поверхностей. В третьих, необходима полная химическая совместимость клея и светодиода. В случае неполной химической совместимости некоторые клеи могут вызвать деградацию первичной оптики светодиода и, как следствие, многократно уменьшить срок его службы.
Рассмотрим детальнее свойства клеев Dow Corning 744 и Dow Corning 7091 на предмет соответствия изложенным выше требованиям к материалам для крепления вторичной оптики.
Эти клеи обладают хорошей адгезией к поверхностям из поликарбоната, алюминия и паяльной маски.
Силиконовая основа этих клеев предопределяет их высокую эластичность в требуемом диапазоне температур (–55…150°С);
Относительное растяжение этих клеев на разрыв близко к 600%. При этом адгезия превышает когезию, т.е. при растяжении клеевого шва разрыв идет по самому клею, а не по месту контакта клея с поверхностью.
Такая совокупность свойств позволяет клею, с одной стороны, выступать своего рода «буфером», эффективно сглаживающим разницу в ТКЛР поликарбоната и печатной платы, с другой стороны, — обеспечивать надёжное крепление вторичной оптики. Следовательно, необходимость в дополнительной механической фиксации отпадает. Такое клеевое соединение обеспечивает степень защиты оболочки IP68 (длительное время работы под водой на глубине более 1 м), либо IP69К (высокотемпературная мойка под высоким давлением).
Как же решается вопрос нанесения этих материалов? Ведь это далеко не простая задача — равномерно, качественно и эстетично нанести клей на поверхность. На первый взгляд, такая технологическая операция выглядит достаточно трудоёмкой. Особенно, если использовать ручной труд, при котором о высокой производительности речи идти не может. И как быть с контролем качества?
Существуют решения, позволяющие дать ответ на эти вопросы.
Процесс нанесения однокомпонентных клеев и компаундов можно автоматизировать. Рассмотрим этот технологический процесс на базе оборудования американской компании Fisnar.
Автоматизированная система нанесения клея Fisnar состоит из экструдера (см. рис. 5), который осуществляет непосредственно дозирование материала, и координатного робота (см. рис. 6), осуществляющего позиционирование дозирующего клапана. Следует заметить, что система на базе экструдера может работать и в полуавтоматическом режиме при наличии оператора. Дозирующий клапан в таком случае выполнен в пистолетном виде. Преимущество автоматизированной системы нанесения (на базе координатных роботов Fisnar серии F9000N) заключается в возможности полной интеграции в конвейерную линию. Производительность такой линии — от десятков до сотен тысяч изделий в месяц.

Рис. 5. Экструдер Fisnar

В случае необходимости наносить двухкомпонентные материалы (например, компаунд для заливки источника питания) используется система Fisnar IJ30C (см. рис. 7). При серийном производстве она также объединяется с координатным роботом и интегрируется в конвейер.

Рис. 6. Координатный робот Fisnar F9800N

Рис. 7. Дозатор двухкомпонентных материалов Fisnar IJ30C

В условиях динамично развивающего рынка и жёсткой конкурентной борьбы перед лидирующими производителями светодиодного освещения встают вопросы повышения производительности и качества продукции. Рассмотренные в статье технологические решения способны обеспечить мощный рывок в решении этих задач. Вне всяких сомнений, производители светильников, сделавшие ставку на качество и автоматизацию сборки, смогут занять в ближайшие годы достойные позиции на российском рынке светодиодного освещения.