Zalévací hmoty pro LED aplikace: kdy zvolit polyuretan a kdy silikon?

Pokud potřebujete chránit LED (Light Emitting Diode) modul proti vlhkosti, kondenzaci, nečistotám nebo mechanickému namáhání, máte dvě základní cesty: konstrukční ochranu pomocí pouzdra/krytu a materiálovou ochranu pomocí laku nebo zalévací hmoty. Vybraný materiál zásadně vstupuje do optického i mechanického návrhu modulu a ovlivňuje světelný tok, barevnou teplotu, rozptyl světla i dlouhodobý vzhled svítidla.

Základní rozdíl mezi lakem a zalévací hmotou je v tloušťce vrstvy a robustnosti ochrany. Běžné ochranné laky vytvářejí tenkou izolační vrstvu, zpravidla do maximálně 100 µm, u silnovrstvých variant typicky do 300 µm. Zalévací hmoty jsou převážně dvousložkové systémy, které vyplňují prostor kolem součástek a umožňují vytvořit výrazně silnější ochrannou vrstvu. Pro spolehlivou ochranu LED se doporučuje souvislá vrstva zalévací hmoty alespoň přibližně 2–3 mm nad LED; konkrétní tloušťka závisí na konstrukci a požadované funkci zalití.

Polyuretan, silikon, epoxid – základní rozdíly

U optických LED aplikací se nejčastěji používají transparentní polyuretanové a silikonové zalévací systémy. Jejich použití se částečně překrývá, ale při vyšších teplotách, teplotním cyklování nebo kombinaci tepla a vysoké vlhkosti se rozdíly mezi nimi stávají zásadními.

• Silikony (SR) vykazují velmi nízký vývin tepla při vytvrzování, minimální smrštovací tlak a vysokou elasticitu.
• Polyuretany (PUR) nabízejí široký rozsah tvrdostí a pružnosti při současně nízkém exotermu a nízkém smrštění.
• Epoxidové systémy (EP) mají obvykle vyšší mechanickou pevnost a tvrdost, ale současně také vyšší vývin tepla při vytvrzování a vyšší smrštovací tlak. Proto epoxid zpravidla není první volbou pro přímé zalití citlivých LED. Rozhodující je kombinace tvrdosti, exotermu a smrštění, která může přenášet vyšší mechanické namáhání do LED a okolních rozhraní.

Obr. č. 1: Graf znázorňující exotermickou reakci u jednotlivých chemických systémů

Zdroj: Lackwerke Peters, 2-pack Casting Compounds, ELPECAST 2021

Polyuretanové zalévací systémy

Transparentní čiré / opálové PUR PETERS

Transparentní polyuretanové systémy PETERS jsou vhodné zejména pro LED aplikace v běžném až středním teplotním režimu, kde je požadována vysoká transparentnost, UV stabilita, dobrá přilnavost a současně vyšší mechanická stabilita. Jsou určeny pro LED a optické aplikace s vysokými nároky na transparentnost a nízké optické ztráty.

Materiály jsou bezbarvé, transparentní, dobře přilnavé a poskytují ochranu proti vlhkosti, kondenzaci, mechanickému namáhání a řadě chemických médií. Provozní teplotní rozsah se pohybuje od −65 °C do minimálně +90 °C. Jednotlivé varianty se liší viskozitou, dobou zpracovatelnosti, UV stabilizací a optickým efektem.

Při dlouhodobém současném působení zvýšené teploty a vysoké relativní vlhkosti je nutné polyuretanové zalévací hmoty posuzovat z hlediska hydrolytické odolnosti. PETERS upozorňuje, že kombinace teplot nad přibližně 40 °C a relativní vlhkosti nad 70 % představuje zvýšené riziko degradace. Ta se může projevit změnou barvy, měknutím, lepivostí nebo ztrátou soudržnosti materiálu. Nejde však o pevný provozní limit. Odolnost závisí na konkrétní formulaci a některé PUR systémy mohou dosahovat velmi dobré odolnosti vůči vlhkosti. 

U výkonových LED je nutné věnovat zvláštní pozornost teplotě zalévací hmoty v okolí LED. PUR hmoty nejsou podle doporučení PETERS určeny pro přímé zalití LED s vysokým tepelným zatížením. Pro tyto aplikace je vhodnější teplotně odolný silikonový systém. 

Tvrdé PUR systémy PETERS ITALIA

Specifickou skupinu představují tvrdé polyuretanové zalévací hmoty PETERS ITALIA s tvrdostí přibližně 80–84 Shore D. Jsou vhodné tam, kde má zalití kromě ochrany vytvářet také pevnou, mechanicky odolnou nebo samonosnou část výrobku. 

U citlivých LED se však tvrdý PUR nemá chovat jako bezprostřední mechanické okolí součástky. LED se nejprve překryje dostatečnou vrstvou měkčí zalévací hmoty a teprve nad ní se vytvoří tvrdá krycí vrstva. Měkčí mezivrstva omezuje přenos mechanického napětí do LED a pájených spojů, zatímco tvrdší vrstva zajišťuje mechanickou odolnost celé konstrukce.

Silikonové zalévací systémy

Silikony jsou vhodnější tam, kde je prioritou vysoká teplotní odolnost, elasticita a nízký přenos mechanického napětí do součástek. Díky vysoké pružnosti, nízkému vývinu tepla při vytvrzování a velmi nízkému smršťovacímu tlaku lépe kompenzují rozdílnou tepelnou roztažnost materiálů v sestavě. To je důležité zejména u výkonových LED, při teplotních šocích a v konstrukcích kombinujících DPS, hliník, LED pouzdra, kabeláž a zalévací hmotu. Tvrdší zalití může při změnách teploty přenášet vyšší mechanické napětí do součástek a rozhraní, zatímco silikon toto napětí díky své elasticitě účinněji kompenzuje.

Transparentní silikonové systémy PETERS jsou určeny pro aplikace s vysokými nároky na tepelnou a optickou stabilitu. U používaného transparentního silikonového systému výrobce uvádí provozní rozsah od −65 °C do +200 °C a krátkodobé zatížení až do +250 °C. Tvrdost činí přibližně 25–45 Shore A.

Výhodou silikonu je také opravitelnost, protože vytvrzenou hmotu lze lokálně odstranit.

U adičních silikonů je nutné hlídat čistotu procesu. Některé látky mohou inhibovat vytvrzení a způsobit neúplné zesíťování. Zároveň je třeba zabránit silikonové kontaminaci okolních dílů a pracoviště, protože ta může později zhoršit smáčení a přilnavost při lakování nebo lepení.

Obr. č. 2: Strojní dávkování silikonové zalévací hmoty PETERS® ELPECAST® VT 3602 KK

Zdroj: Lackwerke Peters

Vedle chemické báze je při výběru zalévací hmoty nutné zohlednit také optické provedení, přilnavost k použitým materiálům, tepelný management a způsob zpracování:

• Transparentní nebo opálové zalití?

Transparentní zalévací hmota je vhodná tam, kde je požadována vysoká průhlednost a zachování bodového charakteru LED. Pokud má zalití současně homogenizovat světlo a omezit viditelnost jednotlivých LED bodů, používá se opálová varianta nebo transparentní systém se světlo rozptylující složkou.

Výsledný efekt závisí na tloušťce zalití, rozteči LED a geometrii modulu. Opálové zalití může zároveň ovlivnit světelný tok a barevnou teplotu, proto je vhodné jeho optický efekt ověřit na konkrétní sestavě.

• Přilnavost a tepelný management

Přilnavost zalévací hmoty nelze automaticky předpokládat u všech materiálů. Kritické mohou být zejména upravené hliníkové povrchy, některé plasty, kabelové izolace nebo silikonové povrchy LED. Výsledek výrazně ovlivňuje čistota povrchu, předúprava a podmínky vytvrzení.

Transparentní zalévací hmota zároveň není náhradou za správně navržený tepelný management. Tyto ničím neplněné hmoty jsou velmi slabými teplo-vodivými materiály. Jedná spíše o tepelné izolanty. U výkonových LED musí hlavní tepelná cesta vést přes DPS nebo MCPCB do hliníkového profilu, chladiče nebo jiného teplo-vodivého prvku.

• Kvalita zalití závisí i na zpracování

U transparentních LED aplikací nerozhoduje pouze volba chemické báze zalévací hmoty. Výslednou optickou kvalitu výrazně ovlivňuje také samotné zpracování. Vlhkost, vzduchové bubliny a nehomogenně promíchaná místa mohou způsobit viditelné optické vady a současně zhoršit výsledné vlastnosti zalití.

Důležité je zalévat pouze čisté, odmaštěné a suché sestavy. Při riziku kondenzace mají být součásti před zaléváním vysušeny; při zpracování je nutné přesně dodržet mísicí poměr a obě složky důkladně promíchat bez vzniku nepřimíchaných „mrtvých zón“. Současně je nutné omezit vnášení vzduchu do směsi. U systémů s dostatečně dlouhou dobou zpracovatelnosti lze směs po zamíchání vakuově odvzdušnit. 

Přehled vhodných materiálů pro zalévání LED

Finální výběr musí potvrdit zkouška na konkrétní sestavě

Volba zalévací hmoty pro LED aplikace nemá jedno univerzální řešení – rozhoduje kombinace tepelného zatížení, mechanických nároků a požadované optiky. Orientačně:

• Standardní až středně náročné aplikace, běžný teplotní režim → transparentní nebo opálový polyuretan 
• Výkonové LED, vysoké teploty, teplotní šoky nebo kombinace tepla a vlhkosti → silikon 
• Konstrukce, kde má zalití plnit i mechanickou/nosnou funkci → tvrdý PUR ve dvouvrstvém provedení
• Požadavek na homogenní světelnou linii bez viditelných bodů LED → opálová varianta nebo transparentní systém s matovací pastou

Žádné z těchto pravidel ale nenahrazuje ověření na konkrétní sestavě. Provozní teplota v zalití, změna světelného toku a barevné teploty, přilnavost k použitým materiálům a odolnost proti vlhkosti se mohou lišit i mezi zdánlivě podobnými konstrukcemi – proto je důležité finální materiál vždy potvrdit testem na reálném vzorku.

Časté dotazy k zalévání LED modulů

Zdroj:

SUPPA, Manfred. Beschichtungsstoffe für die Elektronik: Schutzlacke und Vergussmassen. Teil II. Bad Saulgau: Eugen G. Leuze Verlag, 2024, s. 528-551

Lackwerke Peters: TI 15/2 – Selection criteria and processing instructions for casting compounds/casting resins

Lackwerke Peters: TI 15/12 – Fundamentals of the chemical cross-linking of 2-pack systems

Lackwerke Peters: TI 15/18 – Handling of silicones

Lackwerke Peters: TI 15/19 – Optical properties under long-term high temperature exposure of ELPECAST® casting compounds of the series Wepuran VT 3402 KK and Wepesil VT 3602 KK

Lackwerke Peters: 2-pack Casting Compounds / ELPECAST 2021