摘要
即使在今天，室外用 LED 標(biāo)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(yīng)用領(lǐng)域的適用性和實(shí)用性。該文檔還解決 IP 防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用性問題，尤其是關(guān)于防水和防潮方面以及適合此特殊領(lǐng)域的適用性。
簡介
除了出色的效率外，現(xiàn)代 LED 技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于通用性和靈活性。
LED 的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可用于滿足各種應(yīng)用的要求，使它們適合普通照明、汽車照明、可變信息標(biāo)志、交通標(biāo)志、效果照明、視頻墻等幾乎所有領(lǐng)域的照明技術(shù)。在上述多數(shù)領(lǐng)域中，LED 都已成為廣泛應(yīng)用的先進(jìn)光源，并開始全面取代傳統(tǒng)光源。
室外應(yīng)用是對(duì) LED 和 LED 光源要求最苛刻的領(lǐng)域之一，因?yàn)榇祟悜?yīng)用會(huì)受到多方面條件的影響，有時(shí)甚至?xí)艿經(jīng)_突條件的影響。
例如，此類應(yīng)用可能會(huì)受溫度、輻射、濕氣、雨水、灰塵、化學(xué)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(huì)左右此類影響的出現(xiàn)率、類型和規(guī)模，同時(shí)特定的環(huán)境條件組合和相互作用會(huì)使情況更嚴(yán)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(chǎng)中的 LED 顯示屏所承受的環(huán)境條件截然不同。
因此，針對(duì)LED的特定的室外應(yīng)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(nèi)對(duì)“室外”也沒有明確規(guī)定的定義，因此沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和條款可以用來被廣泛地解讀。
目前 LED 的質(zhì)量測(cè)試包含在標(biāo)準(zhǔn)化典型測(cè)試條件（例如 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)或 ICE 等所規(guī)定）下進(jìn)行的一系列相關(guān)測(cè)試。LED 制造商可按要求將這些測(cè)試擴(kuò)展用到單個(gè)客戶的特定測(cè)試上。
這些不同的質(zhì)量評(píng)定測(cè)試旨在闡明 LED 的各個(gè)方面，如結(jié)構(gòu)、材料、電氣和光學(xué)特性等，并收集有關(guān)強(qiáng)度、耐溫度波動(dòng)性、防濕氣以及 ESD 電阻等的數(shù)據(jù)。
質(zhì)量評(píng)定過程結(jié)束后，LED 需要符合所要求的標(biāo)準(zhǔn)——可能包括特定限值內(nèi)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(duì)于這一問題目前無法給出一個(gè)可靠的答案，盡管有時(shí)客戶被引導(dǎo)得
相信“LED 不需要任何額外保護(hù)”。對(duì)這個(gè)問題的明確的答案是“按情況而定”。
LED 標(biāo)志牌
雖然 LED 技術(shù)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?yàn)楣饷芏群凸囊螅由嫌砂惭b位置和觀看距離決定的像素間距導(dǎo)致。
在目前市場(chǎng)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(yīng)用，而插件式橢圓形 LED 主要用于間距為 15mm 及以上的應(yīng)用。
與此相反，室內(nèi)顯示器像素密度極高，其關(guān)注點(diǎn)完全集中在 SMT LED 上。SMT Multi-LED 是此應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn) LED，因?yàn)樗鼈兎浅＞o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(yīng)用。
LED 顯示器的結(jié)構(gòu)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(dāng)?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(biāo)志的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于插件式 LED 顯示器有許多通孔，通常需要一塊單獨(dú)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(hù)層（例如硅樹脂封裝、聚對(duì)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(jié)構(gòu)。制造工藝是將一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)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(jìn)行封裝。
插件式 LED（穿孔）始終使用透明或擴(kuò)散型環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封，然后塑造或構(gòu)造出其實(shí)際外殼形狀。
圖 2：安裝有不同類型 LED 的板原理結(jié)構(gòu)
圖 3：LED 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
SMT LED 通常使用預(yù)先構(gòu)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(duì)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(yán)重弱點(diǎn)，限制其對(duì) LED 的有用性。
第一個(gè)弱點(diǎn)是受限的耐熱性，通常最高僅 125°C；第二個(gè)弱點(diǎn)是在短波長光（尤其是藍(lán)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(lán)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(shí)，采用環(huán)氧樹脂封裝的藍(lán)光 LED 的典型老化特性圖。發(fā)光強(qiáng)度的連續(xù)損失主要是由于環(huán)氧化物的老化。
在 LED 標(biāo)志應(yīng)用中，這尤其會(huì)導(dǎo)致色度坐標(biāo)不穩(wěn)定。由此得出結(jié)論，環(huán)氧樹脂實(shí)際上并不能滿足長時(shí)間工作或長生命周期的需求。
為了滿足廣告牌等應(yīng)用的要求，LED 行業(yè)日益轉(zhuǎn)向硅樹脂灌封化合物，其已成為廣泛應(yīng)用的最先進(jìn)灌封化合物。
硅樹脂在短波長光下處于準(zhǔn)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(lán)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(lán)光 SMT MultiLED（PLCC 封裝）的老化特性。通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，其劣化明顯降低，且本質(zhì)上是由于反光器塑料經(jīng)過較長時(shí)間才會(huì)劣化。這意味著 LED 標(biāo)志牌的應(yīng)用中色度坐標(biāo)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(biāo)，但需要能夠耐受高溫的 LED。
表 1：不同灌封化合物的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
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(xué)反應(yīng)，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(dǎo)致 LED 故障。
加工過的硅樹脂還會(huì)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(huì)附著到表面，對(duì) LED 的光學(xué)特性造成不利影響。因此，我們建議在用于標(biāo)志牌應(yīng)用的 LED 上表面實(shí)施機(jī)械或化學(xué)保護(hù)。
用于驗(yàn)證特定室外情況的測(cè)試方法
為了獲取有關(guān) SMT LED 室外性能的更多信息，除包含常用質(zhì)量評(píng)定步驟的測(cè)試（表 2）外，歐司朗光電半導(dǎo)體還對(duì)其 LED（尤其是采用硅樹脂封裝的 SMT MultiLED）執(zhí)行了 MIL 或 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中所述的多項(xiàng)附加測(cè)試。
這些測(cè)試包含室外應(yīng)用中 LED 可能會(huì)接觸的許多重要應(yīng)力因素，但此測(cè)試列表（表 3）無疑是不完整的。
應(yīng)該指出的是，各標(biāo)準(zhǔn)通常適用于完全獨(dú)立的系統(tǒng) (MIL) 或模塊 (IEC)，而不是 LED 等單獨(dú)的元件，但制造商也可使用經(jīng)過修改或調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其元件進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。
執(zhí)行表 3 中所列出的測(cè)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(hù)的情況下置于規(guī)定條件下。
對(duì)于客戶希望執(zhí)行的任何其他測(cè)試，歐司朗光電半導(dǎo)體均非常有興趣了解。請(qǐng)聯(lián)系我們，討論此類要求。
表 2：摘錄自歐司朗光電半導(dǎo)體所使用的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量評(píng)定測(cè)試矩陣（例如對(duì)于 SMT MultiLED）
表 3：附加測(cè)試概述
腐蝕性氣體導(dǎo)致的損壞
腐蝕性氣體導(dǎo)致?lián)p壞的機(jī)制是，大氣（環(huán)境）中的有害氣體擴(kuò)散到 LED 內(nèi)，與金屬元件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而導(dǎo)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(qiáng)弱將取決于它們的濃度、溫度以及有無水分。
IEC 標(biāo)準(zhǔn)指定了兩種不同的測(cè)試方法，并規(guī)定了適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化條件。
流動(dòng)混合氣體腐蝕測(cè)試
按照 IEC 60068-2-60（方法 4） 25°C，75%rh，200ppb SO2，200ppb NO2，10ppb H2S，10ppb Cl2，測(cè)試持續(xù)時(shí)間 500 小時(shí)；
（通常為印刷電路板測(cè)試）
二氧化硫測(cè)試
按照 IEC 60068-2-42 25°C，75%rh，25ppm SO2，
測(cè)試持續(xù)時(shí)間 500 小時(shí)；
（通常為印刷電路板測(cè)試）
歐司朗光電半導(dǎo)體執(zhí)行此測(cè)試所使用的 SMT LED 沒有出現(xiàn)故障，且沒有表現(xiàn)出嚴(yán)重性能偏差。
腐蝕性氣體測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的有害氣體濃度沒有對(duì)歐司朗光電半導(dǎo)體的 LED 造成任何損壞。盡管如此，歐司朗光電半導(dǎo)體仍然建議清除硫的所有來源，因?yàn)榱蚧衔锖芸赡軙?huì)損壞 LED。
硫的可能來源通常包括硫化促進(jìn)劑以及橡膠密封和橡膠管中的交聯(lián)劑（另請(qǐng)參閱應(yīng)用文檔“預(yù)防由腐蝕性材料導(dǎo)致的 LED 故障”）。
抗太陽輻射和紫外線
室外應(yīng)用中的額外應(yīng)力因素是陽光直射或紫外線輻射。
根據(jù)暴露的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，這能使 LED 中的材料老化，并導(dǎo)致這些材料變得易碎或褪色。
由于此原因，歐司朗光電半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)體實(shí)際上已經(jīng)按照 MIL 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種類型的 LED（例如 MultiLED Lxxx GFUG 和 Lxxx GFTG）執(zhí)行了太陽輻射測(cè)試。
表 4：太陽輻射測(cè)試詳情
太陽輻射測(cè)試
按照 MIL 標(biāo)準(zhǔn)810F 的方法 505.4 步驟 II，周期類型 A1，500 小時(shí)（通常為系統(tǒng)/裝置測(cè)試）
表 4 列出了此測(cè)試中所用應(yīng)力的更多詳情。
之后受測(cè) LED 沒有顯示出任何嚴(yán)重劣化，與其原始參數(shù)也沒有明顯偏差。
歐司朗光電半導(dǎo)體的硅樹脂 SMT LED 通過了這些測(cè)試，質(zhì)量合格，可按照 MIL 標(biāo)準(zhǔn) 810F 中505.4的方法貼上抗太陽輻射的標(biāo)簽。
防水性
對(duì)于室外應(yīng)用，最重要的因素之一是水，因?yàn)樗軌蛞匀魏挝锢硇螒B(tài)，直接或與其他因素相結(jié)合后間接地導(dǎo)致單個(gè)元件或整個(gè)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(kuò)散到塑料中。
這樣，通過促進(jìn)離子遷移，水或水分將會(huì)導(dǎo)致腐蝕和短路。表 5 列出了水分可導(dǎo)致的部分主要故障。
表 5：濕氣導(dǎo)致的主要故障（摘錄）
由于此原因，除了為確保產(chǎn)品質(zhì)量而執(zhí)行的常見水分測(cè)試外，用于室外應(yīng)用的 SMT Multichip LED 還進(jìn)行了 MIL 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的淋雨測(cè)試。
淋雨測(cè)試
參考 MIL 標(biāo)準(zhǔn)810F 的方法 506.4
不同側(cè)面的暴露表面/持續(xù)時(shí)間 5x 30 分鐘；
降雨速度：1.7mm/分鐘；測(cè)試項(xiàng)目預(yù)加熱至 35°C；
初始水溫 25°C；風(fēng)速 18-20m/s；（通常為系統(tǒng)/裝置測(cè)試）
參考 MIL 標(biāo)準(zhǔn)，此方法可用于評(píng)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(hù)措施的系統(tǒng)。
為了獲得最真實(shí)的結(jié)果，分別對(duì)新元件和先前經(jīng)受過應(yīng)力的元件執(zhí)行了此測(cè)試。
§ 淋雨測(cè)試 5x 30 分鐘
§ PTC -40°C/+85°C 30mA + 淋雨測(cè)試 5x 30 分鐘
§ T&HB 85°C 85%rh 5mA + 淋雨測(cè)試 5x 30 分鐘
所有 LED，包括先前經(jīng)受過應(yīng)力的 LED，在測(cè)試后都沒有表現(xiàn)出任何嚴(yán)重的劣化或明顯的損壞。
因此，參考 MIL 標(biāo)準(zhǔn) 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(dǎo)體通常不建議在無額外表面保護(hù)的情況下在室外環(huán)境中使用 SMT MultiLED，因?yàn)?ldquo;室外”的環(huán)境條件完全未定義，具有不可預(yù)測(cè)性。
IP 標(biāo)準(zhǔn)和室外性能
當(dāng)評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)或裝置是否適合惡劣的環(huán)境條件時(shí)，業(yè)內(nèi)通常參考 IP 標(biāo)準(zhǔn) IEC 60 529 或 DIN EN 60529：“外殼提供的防護(hù)等級(jí)”（IP = 國際防護(hù)，也常常指異物防護(hù)）。
這定義了防護(hù)等級(jí)（IP 代碼），即詳細(xì)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(duì)有序的數(shù)字，用于指明適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)等級(jí)（例如 IP54）。第一個(gè)數(shù)字 x 指明外殼防止異物接觸和滲透的等級(jí)，第二個(gè)數(shù)字 y 指明防水和防潮的等級(jí)。
關(guān)于防水和防潮等級(jí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)到只有第二個(gè)數(shù)字最高達(dá)到 6 時(shí)，較高等級(jí)才滿足較低等級(jí)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(gè)數(shù)字為 5 或 6 時(shí)的要求。
能夠承受這兩種類型進(jìn)水的外殼必須帶有雙標(biāo)識(shí)（例如 IPX5/IPX7 或 IPX6/IPX7，或者 IPX5/IPX8 或 IPX6/IPX8）。
防護(hù)等級(jí)通常通過使用適當(dāng)?shù)耐鈿せ蛏w子以及鎖定連接來實(shí)現(xiàn)。因此，在本質(zhì)上，IP 代碼表示用于保護(hù)電氣連接的外殼和蓋子所能承受的防護(hù)等級(jí)。
由此得出結(jié)論，IP 標(biāo)準(zhǔn)不提供有關(guān)系統(tǒng)或外殼室外性能的具體信息，因而不暗示此相關(guān)信息。
表 6：根據(jù) IEC 60529，對(duì)外殼內(nèi)設(shè)備的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，IP 防護(hù)僅表示物體在此標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定條件下的行為方式。而且，此標(biāo)準(zhǔn)明確排除以下影響：
Ø 腐蝕
Ø 日曬
Ø 由冷凝導(dǎo)致的水分
Ø 結(jié)冰
Ø （昆蟲）
此標(biāo)準(zhǔn)還假設(shè)使用淡水執(zhí)行測(cè)試，明確指出其他成分的水不一定確保能夠符合 IP 等級(jí)。
由此得出結(jié)論，高 IP 等級(jí)不一定確保能夠充分防濕氣和/或防結(jié)冰。
此外，也不可能使用此標(biāo)準(zhǔn)去推論出為了使電氣系統(tǒng)或裝置適合室外應(yīng)用而需要采取什么樣的措施。
一年持續(xù) 8760 個(gè)小時(shí)，但測(cè)試只在短短幾分鐘內(nèi)完成，考慮到這一事實(shí)，情況尤其如此。
因此，只有在有限的程度內(nèi)，才可能將 IP 標(biāo)準(zhǔn)及其測(cè)試擴(kuò)展和應(yīng)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(jià)值極小。在任何情況下都不可能得出有關(guān) LED 可能適用于室外的任何結(jié)論。
總結(jié)
毋庸置疑，LED 在特定條件下可以在室外使用，即達(dá)到被認(rèn)為“可直接在室外使用”的程度。
由于目前對(duì)“室外”沒有明確規(guī)定的定義，也沒有指導(dǎo) LED 室外應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，因而關(guān)于適當(dāng)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(gè)制造商和客戶的理解和判斷來采取適當(dāng)?shù)臏y(cè)試和明智的檢查方法，以評(píng)估適合這一高難度應(yīng)用領(lǐng)域的 LED。
但是，在 IP 防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上評(píng)估 LED 肯定不合理且不會(huì)產(chǎn)生相關(guān)信息。
如歐司朗光電半導(dǎo)體的單獨(dú)的測(cè)試結(jié)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(yīng)力因素，且具有以下特性：
· 防水（參考 MIL 標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn) 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(dǎo)體仍建議不要在在無額外表面防護(hù)的情況下在室外環(huán)境中使用 LED，因?yàn)榕c“室外”有關(guān)的環(huán)境條件完全未定義，具有不可預(yù)測(cè)性。
由于無論選擇哪種類型的 LED，都必須要給 LED 時(shí)必須備有防護(hù)裝置：SMD 或燈式經(jīng)向、
硅樹脂或環(huán)氧樹脂型，因此用戶通常基于其劣化性區(qū)比較電氣和光學(xué)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(shí)全天候應(yīng)用。
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