摘要
即使在今天，室外用 LED 标志牌基本上还是使用插件 LED 制造而成。
鉴于此情形，以下文档将探讨现代硅树脂封装型 SMT LED 在此特定应用领域的适用性和实用性。该文档还解决 IP 防护等级标准的应用性问题，尤其是关于防水和防潮方面以及适合此特殊领域的适用性。
简介
除了出色的效率外，现代 LED 技术的主要优势在于通用性和灵活性。
LED 的设计和结构可用于满足各种应用的要求，使它们适合普通照明、汽车照明、可变信息标志、交通标志、效果照明、视频墙等几乎所有领域的照明技术。在上述多数领域中，LED 都已成为广泛应用的先进光源，并开始全面取代传统光源。
室外应用是对 LED 和 LED 光源要求最苛刻的领域之一，因为此类应用会受到多方面条件的影响，有时甚至会受到冲突条件的影响。
例如，此类应用可能会受温度、辐射、湿气、雨水、灰尘、化学品、气体和其他自然现象的影响。
除此之外，地理情况和安装位置也会左右此类影响的出现率、类型和规模，同时特定的环境条件组合和相互作用会使情况更严重。
例如，与安装在繁忙市中心交通路口或热带地区小镇的类似显示屏相比，安装在欧洲体育场中的 LED 显示屏所承受的环境条件截然不同。
因此，针对LED的特定的室外应用，通常很难确定令人满意的需求条件，更不用说建立一套明确规定的极限值。
此外，业内对“室外”也没有明确规定的定义，因此没有相关标准和条款可以用来被广泛地解读。
目前 LED 的质量测试包含在标准化典型测试条件（例如 JEDEC 标准或 ICE 等所规定）下进行的一系列相关测试。LED 制造商可按要求将这些测试扩展用到单个客户的特定测试上。
这些不同的质量评定测试旨在阐明 LED 的各个方面，如结构、材料、电气和光学特性等，并收集有关强度、耐温度波动性、防湿气以及 ESD 电阻等的数据。
质量评定过程结束后，LED 需要符合所要求的标准——可能包括特定限值内的不同参数。
LED 可否用于室外，即 LED 是否“可直接在室外使用”，对于这一问题目前无法给出一个可靠的答案，尽管有时客户被引导得
相信“LED 不需要任何额外保护”。对这个问题的明确的答案是“按情况而定”。
LED 标志牌
虽然 LED 技术在不断的发展中，但室外用 LED 显示器基本上还是使用插件式 LED 制造而成，很少数使用 SMT LED 制造。
这主要是因为光密度和功耗要求，加上由安装位置和观看距离决定的像素间距导致。
在目前市场上，采用朗伯辐射模式的 SMT LED 主要用于像素间距为 8mm 至 15mm 的应用，而插件式椭圆形 LED 主要用于间距为 15mm 及以上的应用。
与此相反，室内显示器像素密度极高，其关注点完全集中在 SMT LED 上。SMT Multi-LED 是此应用领域的标准 LED，因为它们非常紧凑。硅树脂的抗老化性能非常好，采用硅树脂封装的 LED 现在开始用于那些很容易劣化或使用期限极长的应用。
LED 显示器的结构或多或少基于通用的原理，一些基本部件根据最终尺寸做适当的排列（图 1）。这些基本元素或板主要由
包含 LED 且在底层配备有冷却系统和控制单元的印刷电路板组成。
图 1：LED 标志的结构设计
由于插件式 LED 显示器有许多通孔，通常需要一块单独的板供控制电路使用，而 SMT 板通常在 LED 印刷电路板的背面配有控制电路。
在大多数情况下，用于室外显示器的板还附加有保护层（例如硅树脂封装、聚对二甲苯涂层）和面罩以减少日晒（图 2）。
发光二极管 (LED)
几乎所有类型的 LED 都表现出相同的总体结构。制造工艺是将一个或多个半导体芯片安装在外壳中，然后将芯片和带有连接用引脚的外壳连接起来，并随后进行封装。
插件式 LED（穿孔）始终使用透明或扩散型环氧树脂进行灌封，然后塑造或构造出其实际外壳形状。
图 2：安装有不同类型 LED 的板原理结构
图 3：LED 基础结构
SMT LED 通常使用预先构造的外壳和用不透明塑料化合物封装的金属底座（“引线框”）。
LED 封装
除了先前使用的环氧树脂灌封化合物，现代 SMT LED 还使用硅树脂来封装或填充反射器。
这可归因于对具有更佳防劣化性和温度稳定性的 LED 的需求日益增长。
虽然环氧树脂通常非常适合用作灌封化合物，但其材料属性包括两大严重弱点，限制其对 LED 的有用性。
第一个弱点是受限的耐热性，通常最高仅 125°C；第二个弱点是在短波长光（尤其是蓝光和紫外光）下的不稳定性。
图 4：采用环氧树脂封装的蓝光 LED 的老化
图 4 展示了在采用低功率 PLCC 封装形式且工作条件介于 5mA 至 15mA 之间以及 25°C 至 55°C 之间时，采用环氧树脂封装的蓝光 LED 的典型老化特性图。发光强度的连续损失主要是由于环氧化物的老化。
在 LED 标志应用中，这尤其会导致色度坐标不稳定。由此得出结论，环氧树脂实际上并不能满足长时间工作或长生命周期的需求。
为了满足广告牌等应用的要求，LED 行业日益转向硅树脂灌封化合物，其已成为广泛应用的最先进灌封化合物。
硅树脂在短波长光下处于准稳定状态，耐热性比环氧树脂明显更高。
图 5：采用硅树脂封装的蓝光 Multi TOPLED SMT LED 的老化
图 5 展示了采用硅树脂灌封化合物的蓝光 SMT MultiLED（PLCC 封装）的老化特性。通过对比可发现，其劣化明显降低，且本质上是由于反光器塑料经过较长时间才会劣化。这意味着 LED 标志牌的应用中色度坐标明显更稳定。
因此，硅树脂还可用于那些无需稳定光特性或色度坐标，但需要能够耐受高温的 LED。
表 1：不同灌封化合物的优点和缺点
但是，硅树脂封装化合物可渗透气体。
通过与 LED 引线框所使用的材料起化学反应，某些气体和其他元素可损坏 LED。
在定义模糊的“室外”环境下，之前所述影响因素更可导致 LED 故障。
加工过的硅树脂还会有一定的残余表面粘性。
这意味着颗粒（例如灰尘和污垢）可能会附着到表面，对 LED 的光学特性造成不利影响。因此，我们建议在用于标志牌应用的 LED 上表面实施机械或化学保护。
用于验证特定室外情况的测试方法
为了获取有关 SMT LED 室外性能的更多信息，除包含常用质量评定步骤的测试（表 2）外，欧司朗光电半导体还对其 LED（尤其是采用硅树脂封装的 SMT MultiLED）执行了 MIL 或 IEC 标准中所述的多项附加测试。
这些测试包含室外应用中 LED 可能会接触的许多重要应力因素，但此测试列表（表 3）无疑是不完整的。
应该指出的是，各标准通常适用于完全独立的系统 (MIL) 或模块 (IEC)，而不是 LED 等单独的元件，但制造商也可使用经过修改或调整的标准对其元件进行质量评定。
执行表 3 中所列出的测试前，先将 LED 焊接到镀金 FR4 印刷电路板，然后将其在无任何附加保护的情况下置于规定条件下。
对于客户希望执行的任何其他测试，欧司朗光电半导体均非常有兴趣了解。请联系我们，讨论此类要求。
表 2：摘录自欧司朗光电半导体所使用的标准质量评定测试矩阵（例如对于 SMT MultiLED）
表 3：附加测试概述
腐蚀性气体导致的损坏
腐蚀性气体导致损坏的机制是，大气（环境）中的有害气体扩散到 LED 内，与金属元件发生化学反应，因而导致装置故障。
在此背景下，“有害气体”指具有腐蚀性作用的任何气体。腐蚀性作用的强弱将取决于它们的浓度、温度以及有无水分。
IEC 标准指定了两种不同的测试方法，并规定了适当的标准化条件。
流动混合气体腐蚀测试
按照 IEC 60068-2-60（方法 4） 25°C，75%rh，200ppb SO2，200ppb NO2，10ppb H2S，10ppb Cl2，测试持续时间 500 小时；
（通常为印刷电路板测试）
二氧化硫测试
按照 IEC 60068-2-42 25°C，75%rh，25ppm SO2，
测试持续时间 500 小时；
（通常为印刷电路板测试）
欧司朗光电半导体执行此测试所使用的 SMT LED 没有出现故障，且没有表现出严重性能偏差。
腐蚀性气体测试标准中所规定的有害气体浓度没有对欧司朗光电半导体的 LED 造成任何损坏。尽管如此，欧司朗光电半导体仍然建议清除硫的所有来源，因为硫化合物很可能会损坏 LED。
硫的可能来源通常包括硫化促进剂以及橡胶密封和橡胶管中的交联剂（另请参阅应用文档“预防由腐蚀性材料导致的 LED 故障”）。
抗太阳辐射和紫外线
室外应用中的额外应力因素是阳光直射或紫外线辐射。
根据暴露的强度和持续时间，这能使 LED 中的材料老化，并导致这些材料变得易碎或褪色。
由于此原因，欧司朗光电半导体在 LED 中使用硅树脂封装和特殊塑料，确保封装能够抵抗紫外线并实现超长使用寿命。
与抽象的言论（“树脂包括紫外线抑制因素，可将长期暴露于阳光直射下的影响降至最低）相比，欧司朗光电半导体实际上已经按照 MIL 标准对各种类型的 LED（例如 MultiLED Lxxx GFUG 和 Lxxx GFTG）执行了太阳辐射测试。
表 4：太阳辐射测试详情
太阳辐射测试
按照 MIL 标准810F 的方法 505.4 步骤 II，周期类型 A1，500 小时（通常为系统/装置测试）
表 4 列出了此测试中所用应力的更多详情。
之后受测 LED 没有显示出任何严重劣化，与其原始参数也没有明显偏差。
欧司朗光电半导体的硅树脂 SMT LED 通过了这些测试，质量合格，可按照 MIL 标准 810F 中505.4的方法贴上抗太阳辐射的标签。
防水性
对于室外应用，最重要的因素之一是水，因为水能够以任何物理形态，直接或与其他因素相结合后间接地导致单个元件或整个系统故障。
封装的 SMD 元件（包括插件和 SMT LED）不是密封隔绝的，这意味着周围环境中的水分能够扩散到塑料中。
这样，通过促进离子迁移，水或水分将会导致腐蚀和短路。表 5 列出了水分可导致的部分主要故障。
表 5：湿气导致的主要故障（摘录）
由于此原因，除了为确保产品质量而执行的常见水分测试外，用于室外应用的 SMT Multichip LED 还进行了 MIL 标准中规定的淋雨测试。
淋雨测试
参考 MIL 标准810F 的方法 506.4
不同侧面的暴露表面/持续时间 5x 30 分钟；
降雨速度：1.7mm/分钟；测试项目预加热至 35°C；
初始水温 25°C；风速 18-20m/s；（通常为系统/装置测试）
参考 MIL 标准，此方法可用于评估将被部署在室外且无任何防雨水、防淋雨、防洒水或防滴水保护措施的系统。
为了获得最真实的结果，分别对新元件和先前经受过应力的元件执行了此测试。
§ 淋雨测试 5x 30 分钟
§ PTC -40°C/+85°C 30mA + 淋雨测试 5x 30 分钟
§ T&HB 85°C 85%rh 5mA + 淋雨测试 5x 30 分钟
所有 LED，包括先前经受过应力的 LED，在测试后都没有表现出任何严重的劣化或明显的损坏。
因此，参考 MIL 标准 810F 的方法 506.4，采用硅树脂封装的 SMT Multichip LED 具有“防水”功能。
不过欧司朗光电半导体通常不建议在无额外表面保护的情况下在室外环境中使用 SMT MultiLED，因为“室外”的环境条件完全未定义，具有不可预测性。
IP 标准和室外性能
当评价一个系统或装置是否适合恶劣的环境条件时，业内通常参考 IP 标准 IEC 60 529 或 DIN EN 60529：“外壳提供的防护等级”（IP = 国际防护，也常常指异物防护）。
这定义了防护等级（IP 代码），即详细指明了系统在不损坏或不变成安全隐患的情况下能够耐受的环境影响
——接触、渗透、水分。
IP 代码 (IPxy) 通常是一对有序的数字，用于指明适当的防护等级（例如 IP54）。第一个数字 x 指明外壳防止异物接触和渗透的等级，第二个数字 y 指明防水和防潮的等级。
关于防水和防潮等级，应认识到只有第二个数字最高达到 6 时，较高等级才满足较低等级的所有要求。第二数字仅为 7 或 8 的外壳不适合承受水射流，无需满足第二个数字为 5 或 6 时的要求。
能够承受这两种类型进水的外壳必须带有双标识（例如 IPX5/IPX7 或 IPX6/IPX7，或者 IPX5/IPX8 或 IPX6/IPX8）。
防护等级通常通过使用适当的外壳或盖子以及锁定连接来实现。因此，在本质上，IP 代码表示用于保护电气连接的外壳和盖子所能承受的防护等级。
由此得出结论，IP 标准不提供有关系统或外壳室外性能的具体信息，因而不暗示此相关信息。
表 6：根据 IEC 60529，对外壳内设备的保护度，防止各种形式的水分（例如滴水、喷雾、淹没等）有害入侵
正如 DIN EN 60529 标准规定，IP 防护仅表示物体在此标准所规定条件下的行为方式。而且，此标准明确排除以下影响：
Ø 腐蚀
Ø 日晒
Ø 由冷凝导致的水分
Ø 结冰
Ø （昆虫）
此标准还假设使用淡水执行测试，明确指出其他成分的水不一定确保能够符合 IP 等级。
由此得出结论，高 IP 等级不一定确保能够充分防湿气和/或防结冰。
此外，也不可能使用此标准去推论出为了使电气系统或装置适合室外应用而需要采取什么样的措施。
一年持续 8760 个小时，但测试只在短短几分钟内完成，考虑到这一事实，情况尤其如此。
因此，只有在有限的程度内，才可能将 IP 标准及其测试扩展和应用到 LED 等电子元件，任何此类说明必须被视为极其可疑且信息价值极小。在任何情况下都不可能得出有关 LED 可能适用于室外的任何结论。
总结
毋庸置疑，LED 在特定条件下可以在室外使用，即达到被认为“可直接在室外使用”的程度。
由于目前对“室外”没有明确规定的定义，也没有指导 LED 室外应用的标准，因而关于适当和适合特性的定义，有很多种不同的解释。
因此，这完全取决于单个制造商和客户的理解和判断来采取适当的测试和明智的检查方法，以评估适合这一高难度应用领域的 LED。
但是，在 IP 防护等级标准的基础上评估 LED 肯定不合理且不会产生相关信息。
如欧司朗光电半导体的单独的测试结果所证明的那样，采用硅树脂封装的 SMT LED 也能承受必要的室外应力因素，且具有以下特性：
· 防水（参考 MIL 标准 810F 的方法 506.4。）
· 在紫外线或太阳辐射下的稳定性（按照 MIL 标准 810F 的方法 505.4。）
· 抗腐蚀性气体（如 IEC 60068-2-60 方法 4
和 IEC 60068-2-42 所定义）
尽管拥有上述明显的室外性能，欧司朗光电半导体仍建议不要在在无额外表面防护的情况下在室外环境中使用 LED，因为与“室外”有关的环境条件完全未定义，具有不可预测性。
由于无论选择哪种类型的 LED，都必须要给 LED 时必须备有防护装置：SMD 或灯式经向、
硅树脂或环氧树脂型，因此用户通常基于其劣化性区比较电气和光学参数选择 LED。
由于其稳定的劣化特性，采用硅树脂封装的 LED 特别适合电子广告牌或乘客信息系统等 7 x 24 小时全天候应用。
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