Produits d’enrobage au polyuréthane – Une protection étendue des LED dans les environnements difficiles

Ces 10 dernières années, l’utilisation des LED pour l’éclairage domestique et commercial a connu une croissance exponentielle, avec une grande diversité d’applications et des fonctions spécialisées que les systèmes d’éclairage incandescent et fluorescent ne peuvent tout simplement pas atteindre. Les améliorations du rendement des LED ces dernières années ont aussi conduit à une amélioration considérable de la durée de vie du composant, désormais largement supérieure aux deux technologies traditionnelles d’éclairage par incandescence et fluorescence. Ceci signifie que dans un certain nombre d’applications, l’éclairage à LED est maintenant considéré comme à très faible entretien, voire sans entretien, et largement utilisé pour l’éclairage public, celui des routes et des véhicules.

Les économies d’énergie potentielles pouvant être obtenues grâce à l’utilisation des LED ont indéniablement favorisé l’acceptation mondiale de cette technologie relativement nouvelle. Néanmoins, la faible consommation d’énergie n’est pas le seul avantage de l’utilisation des LED. Du fait de leurs caractéristiques physiques (petites dimensions et poids relativement faible), elles ont fait éclater les limites des possibilités, aussi bien en matière d’éclairage que d’effets d’éclairage. Ceci a en fait modifié notre conception des LED comme simple remplacement des ampoules blanches intérieures pour en faire un produit d’éclairage multicolore esthétiquement agréable, avec des options adaptées à certains environnements vraiment difficiles.

La diversité et la complexité croissantes des applications donnent naissance à de nouveaux enjeux en matière de matériaux de protection, et les utilisateurs exigent les plus hauts niveaux de performances disponibles. En bref, les matériaux de protection doivent permettre le fonctionnement des LED dans tous les environnements, qu’il s’agisse d’une application interne en Europe, d’un éclairage extérieur de rue en Inde ou d’un éclairage sous-marin en Australie. Les LED sont des composants électroniques sensibles et exigent souvent une protection supplémentaire contre les dommages mécaniques, l’humidité et autres facteurs environnementaux.

L’utilisation d’une résine d’encapsulation pour protéger les LED s’est largement répandue ces dernières années. Le choix de la résine dépend d’un certain nombre de facteurs différents : viscosité du système mélangé, temps d’utilisation et temps de gel pour les propriétés liquides, ainsi que dureté, densité, couleur et température de fonctionnement de la résine polymérisée. Pour la protection directe des LED, un certain nombre de facteurs essentiels interviennent, le plus important étant sans doute la transparence du matériau appliqué pour garantir une exploitation maximale de la puissance lumineuse des LED. De plus, toute variation potentielle pouvant survenir sur la durée de vie de la LED doit aussi être prise en compte.

Electrolube a développé un certain nombre de résines d’encapsulation au polyuréthane couvrant une large plage de propriétés différentes optimisées pour le marché de l’encapsulation des LED. Les systèmes de résine à deux composants (2K) sont conçus pour offrir la facilité de manipulation et la fluidité permettant à la résine liquide de se répandre dans l’enveloppe et autour des LED, en réagissant ensuite pour former un polymère réticulé robuste, à même de protéger contre l’environnement.

Les résines polyuréthane sont disponibles dans différentes dimensions d’emballage, conçues pour permettre un mélange et une distribution à la fois manuelle et par machine. Pour les faibles volumes ou les prototypes, l’application manuelle constitue souvent le meilleur choix. Pour des productions en série, l’application par machine est de loin la méthode préférée car elle permet la production d’une résine au mélange homogène, indépendamment de l’opérateur de la machine et de l’appareil dans lequel la résine est appliquée. Assurément, l’utilisation d’une machine est la méthode la plus économique d’application de la résine, et un certain nombre de fabricants peuvent proposer des équipements adaptés aux volumes à distribuer.

Il convient de prendre en considération certains points importants pour l’enrobage de LED. Il est par exemple important de tenir compte de la géométrie de l’enveloppe et des autres éléments tels que les lentilles.

Geometry of LED Housing

La résine mélangée est conçue pour s’écouler autour des éventuels obstacles sur son parcours, mais s’il y a des creux ou des surplombs, ceux-ci peuvent piéger de l’air, ce qui peut se traduire par une mauvaise adhérence ainsi que par la formation de bulles au moment de la polymérisation. Si un large volume de résine est nécessaire pour l’enrobage d’un même appareil, il peut être intéressant d’envisager l’enrobage de la quantité voulue en 2 ou 3 charges ou passes ; ceci permet alors de prendre en compte le retrait éventuel de la résine et contribue à minimiser l’emprisonnement d’air. L’approche d’application en plusieurs phases permet aussi d’utiliser une deuxième résine, qui peut être une couche opaque ou colorée permettant de conférer l’effet optique voulu à l’appareil.

Les propriétés optiques de la résine polymérisée ont été soigneusement évaluées de sorte que les résines préservent les caractéristiques de couleur de la LED autant que possible. Lors de la mesure de la température de couleur calculée pour la LED, on a pu constater qu’il existe un décalage de température, proportionnel à l’épaisseur de la couche de résine appliquée par-dessus la LED. Il est toutefois possible de contrôler le décalage de couleur par un choix judicieux du type de résine et de la profondeur d’application.

Bien sûr, nous avons essentiellement discuté de la LED elle-même, qui est le composant le plus visible de l’appareil d’éclairage pour le client, mais un certain nombre d’autres composants existent, qui gagneraient aussi à être encapsulés dans de la résine pour prolonger leur durée de vie, notamment transformateurs, capteurs, condensateurs et résistances. Pour ces composants, il existe une large gamme de produits d’encapsulation et de gestion thermique, conçus spécifiquement pour optimiser la durée de vie de l’appareil complet. Pour certaines applications, par exemple éclairage d’urgence, de tunnel ou en atmosphères explosives, il est possible d’utiliser des résines ignifugées pour encapsuler les appareils de façon à répondre aux exigences ATEX.

Les gammes de résines optiquement transparentes développées pour les applications à LED sont toutes à base de polyuréthane. Les résines polyuréthane conviennent parfaitement à la protection des LED dans un certain nombre d’environnements différents, et elles peuvent être adaptées pour proposer des avantages supplémentaires, par exemple des systèmes pigmentés utilisés pour recouvrir le circuit imprimé jusqu’aux LED, mais sans les couvrir. Ces résines s’utilisent pour la protection du circuit imprimé, et donnent une finition esthétique tout en améliorant les performances du luminaire en reflétant la lumière issue du circuit imprimé pour augmenter la puissance lumineuse. La quantité d’énergie lumineuse pouvant être produite par une LED unique est relativement faible, c’est pourquoi il faut regrouper plusieurs éléments pour produire la quantité de lumière voulue. Il existe différentes méthodes pour obtenir la couleur souhaitée, soit avec des LED blanches produisant de la lumière sur une large plage de longueurs d’onde, soit par l’utilisation de LED produisant de la lumière sur une bande de longueurs d’onde plus précise. La combinaison d’un certain nombre de LED de couleurs différentes permet de produire une large palette de couleurs.

En plus des produits transparents proposés, qui sont parfaitement cristallins, les résines polyuréthane semi-rigides d’Electrolube, UR5635 et UR5634, ont été mises au point spécifiquement pour les fabricants d’éclairage à LED, de façon à assurer un haut niveau de protection contre l’environnement pour leurs produits, avec des avantages supplémentaires. UR5635, par exemple, produit un effet de diffusion de lumière flou/opaque qui peut potentiellement éliminer les besoins de capots et d’embouts diffusants. Son apparence opaque produit un effet de diffusion de lumière chaude qui a contribué au grand succès de cette résine avec des LED, pour les applications de décoration comme de protection. UR5634 est aussi transparente que de l’eau pour les applications d’enrobage de LED, et elle est remarquablement résistante à la lumière UV, ce qui la rend particulièrement utile pour l’encapsulation de LED en extérieur et pour les applications exposées à la lumière directe du soleil.

Afin de réduire au maximum le risque de jaunissement dû à l’exposition aux UV, les résines polyuréthane utilisent toutes un isocyanate aliphatique soigneusement sélectionné pour assurer une stabilité optimale à long terme, tout en ayant l’un des classements de danger les plus bas. Du fait que les résines sont à base polyuréthane, la température de service maximale est de 130 °C ; pour les températures supérieures, nous proposons une résine silicone optiquement transparente, capable de résister à des températures jusqu’à 200 °C.

La stabilité aux UV est d’une importance cruciale pour les systèmes polyuréthane de protection des LED, et pour le vérifier, Electrolube a effectué des essais de résistance au vieillissement sur un certain nombre de résines d’encapsulation. Ces essais ont été effectués conformément au cycle 1 ISO 4892 partie 3 « Plastiques – Méthodes d’exposition à des sources lumineuses de laboratoire » dans un système d’essai de vieillissement accéléré QUV SE. Après 1000 heures d’exposition, les résultats ont indiqué que les résines polyuréthane et silicone optiquement transparentes UR5634 et SC3001 ont une résistance supérieure à la lumière UV, et conservent leur transparence pendant toute la durée d’exposition. Les intensités d’exposition dépendent des emplacements géographiques, il est donc important de déterminer le temps d’exposition accéléré correct pour votre région. À titre d’exemple, cet essai est à peu près équivalent à une résistance au vieillissement de 4 ans dans un climat typique de l’Europe du nord.

Pour connaître la protection offerte par nos résines d’encapsulation, Electrolube effectue des essais rigoureux d’immersion dans l’eau. Dans ce régime d’essai, les résines polyuréthane ont démontré une excellente résistance à l’immersion dans l’eau, et en particulier dans l’eau salée. Les hauts niveaux de résistance autorisent une grande diversité d’applications sous-marines, notamment pour la jonction de câbles sous-marins, la protection d’éclairage sous-marin à LED dans des piscines d’eau douce et salée, l’éclairage de ponts de bateau et la protection de divers appareils capteurs. Dans ces cas, des résines transparentes ou colorées peuvent être nécessaires et doivent offrir une forte adhérence et une faible constante diélectrique sur l’ensemble de la durée de vie de l’appareil utilisé dans des conditions difficiles. Lisez notre étude de cas qui démontre clairement l’efficacité des résines polyuréthane d’encapsulation dans des environnements difficiles, voire extrêmes.