提高LED植物灯可靠性且不影响光特性的敷型涂料
一家植物生长灯生产商在开发严苛环境下具有高可靠性的植物灯时遇到了瓶颈。期望植物灯具有长的寿命和高的可靠性，他们想到了在PCBA板上使用三防涂层。但是三防涂层在应用过程中出现了各种问题，植物灯生产商甚至因三防涂层释放出来的有毒气体浓度过高被迫停产。无奈之下，这家植物灯生产商找到了特可锐。
在植物灯生产商对特可锐的LED植物灯专用敷型涂料（Fine-L-Kote LED2 Conformal Coating）进行了严格的测试之后，特可锐的产品成功挽救了植物灯客户被动的局面。
那么问题来了：在严苛的植物生产条件下，如何保持LED植物灯的高可靠性？
想象一下这样的场景：把一个敏感的电子设备，比如你的笔记本电脑，放在加入了腐蚀性施肥化学品的蒸汽浴里，你的笔记本电脑会发生怎样的变化。当然这时在笔记本电脑的电子组件上涂敷敷型涂料可以有效保护笔记本电脑不受侵害。但是对于LED植物灯而言，敷型涂料选择不合适可能会导致LED灯光照强度变暗，光的色彩发生变化等不良后果。那么植物灯生产商多年来为了优化光照对植物生长的影响而在LED光照强度和色彩的选择上所做的努力也就毁于一旦。由于有机硅材料具有卓越的疏水性，自然地，这家LED植物灯生产商之前的第一选择是一家顶尖的有机硅树脂（SR）生产商。但其敷型涂料产品含有很高浓度的甲苯，甲苯具有高毒性和很强的刺激性气味。该敷型涂料产品一经使用，便使产线人员产生了头痛、恶心的情况。随着连续使用时间的延长，甲苯的破坏力不得不使植物灯生产商停止了产线生产。这对时间就是金钱的生产进程来说打击无疑是很大的。最后，这家颇具规模的LED植物灯生产商为了解决以上问题联系到了特可锐。
在揭晓我们的解决方案之前，我们先对植物生长灯的情况做下简要的介绍。(一) 植物生长灯是起什么作用的？
植物生长灯是一种特殊的灯具，能够有效的提供植物生长所需各种波长的光从而促进植物生长、开花与结果。不仅可以模拟太阳光，还可以在光谱(颜色)或强度上进行调整，以达到特殊的效果。生长灯被广泛应用于室内园艺、植物生长和食品生产，尤其适用于室内水培。
由于室内农业、商业温室和垂直农业部门的需求激增，全球LED生长灯市场正在迅速扩张。美国许多州和世界各国对大麻种植的合法化也促进了室内种植业的增长。在2020年，LED植物生长灯市场估值为12.8亿元，2030年预计增至123.2亿元。LED生长灯的主要制造商包括Black Dog Grow Technologies Inc.(U.S.)，Bridgelux Inc. (U.S.),CreeLED Inc. (U.S.), 亿光电子工业股份有限公司 (Taiwan), Heliospectra AB (Sweden),Lumigrow Inc. (U.S.), OSRAM GmbH (Germany), 三星电子(韩国), Savant Systems Inc. (U.S.), and Signify Holding (Netherlands)。
生长灯可利用各种照明技术进行工作。最初使用的是白炽灯泡，但是存在不易控制和容易过热的缺点。后来的几代灯具包括荧光灯和高强度放电(藏)灯。现代生长灯主要使用电子工业中常用的发光二极管(LED)技术。由于单个 LED发出的光颜色范围窄，所以一般由多个 LED 阵列来模仿太阳的自然白光。还可以根据特定植物生长周期的特点对光的颜色进行设计，如向红色光、蓝色光或绿色光的方向偏移等。很多照明产品由多种颜色的发光二极管组成，通过电子控制发光二极管的活跃与静默可以改变产生的光的总体颜色。LED在此方面的巨大价值大幅提高了室内农业生产力的效率。室内农场需要生长灯照明是因为植物生长需要光来进行光合作用。光也会影响植物的生长方式，如生长速度和生长方向，这个过程被称为光形态建成。在光谱上，光合作用一般发生在400nm-700nm 处，光形态建成发生在260nm-780nm 处。植物的光感受器会被光谱上不同光的颜色所激活，从而影响生长特性，如结果率、生长速度、根系发育、植物健康、风味、营养等。光色的微小变化，即使只有10nm-20nm，也会对植物生长和食用产品产生重大影响。发表在《植物》杂志(2019年4月)上的一项研究表明，蓝光和红光可以促进莴苣、菠菜、羽衣甘蓝、罗勒和甜椒的生长、颜色和抗氧化剂含量。另一项发表在实验植物学杂志(2017年4月)的研究指出，绿灯的重要性不容忽视。绿色在生物学中一直被认为是次要的，因为大部分绿光在植物表面都被反射走了(这就是为什么植物看起来是绿色的)。但这项研究表明，对绿光的吸收实际上有助于促进光合作用，提高碳的吸收，并可能提高作物产量。2012年的一项关于普通鼠尾草光照强度的研究表明，光照强度与叶片数呈强烈正相关性，而与植株高度和光合色素呈负相关性，最佳光照强度与植物本身和LED生长灯的特性都相关。因此LED 生长灯的光照强度需要严格控制。
LED植物生长灯的制造需要将单个LED灯珠用焊料连接到印刷电路板(PCB)上。理论上来说，这应该是一个易于安装和具有高度可靠性的简单的电子设备。但实际上，植物生长灯面临的是室内农业的极端环境，当引入热、湿、腐蚀性肥料的影响时，电子设备的可靠性就更加难以保证了。水具有导电性，将其引入电子组件可能会造成漏电或短路。如果PCBA上有离子残留，如助熔剂残留，水分和电流则会导致枝晶生长。枝晶从一个接触点生长到另一个接触点，同样会导致漏电或短路。腐蚀性肥料会导致电路板表面金属的腐蚀和分解。简而言之，保持电子设备干净干燥非常必要。
以下几种策略可以确保植物生长灯的可靠性
(一) 密封包装/气体密封
所有生长灯的包装目的都是为了防止外部污染物进入内部电子设备。但实际上，要保持电子设备经济简便易于包装和维修，同时不让水分进入电子设备内部几乎是不可能的。另一个策略是将敏感电子元件灌封到环氧树脂胶中。这样可以起到防水的作用，但同时也会带来很多问题。（1） PCBA 成型后便无法重新进行加工和维修。一旦有所损坏，整个LED灯都将报废。（3） 灌封会导致PCBA散热不良，缩短使用寿命；
在PCBA板和元器件表面涂覆一层敷型涂料。敷型涂层一般很薄，对散热影响很小。在生长灯需要返工和维修时，可以容易的移除。敷型涂层虽然防水性能不如灌封材料，但与密封包装结合使用时，仍然可以提供足够的防水性能。
敷形涂料是一种特殊的聚合物膜，用于保护电路板、元件和其它电子设备免受恶劣环境的影响。PCBA板表面固有的不规则性不影响涂料的使用。敷型涂层具有优异的介电性能，防腐，耐湿热，抗真菌，抗空气污染，防尘等。应用到植物生长灯上的敷型涂料，应首先考虑以下性能：敷型涂料使用之前需要测试其潮湿环境下的防漏电性能和防腐蚀性能。通常用盐雾测试(ASTMB117)来考察敷型涂层这一性能。目前对于市场上可选择的敷型涂料而言，若PCBA板上不全面完整涂覆敷型涂料，即在敷型涂料施工过程中对LED灯珠进行额外的遮蔽，或选用精密的选择性喷涂工艺喷涂施工，则敷型涂料不会对生长灯的光线传输产生任何影响，但这样极大增加了操作成本和难度。此外，涂层的每一处破损都会是一个潜在的失效点，水分或其它污染物很容易进入到破损点内对PCBA板产生腐蚀。若PCBA板上全面完整涂覆敷型涂料，包括LED灯珠，则敷型涂料会对灯珠的光线传输产生不利影响，如光照强度降低或光的颜色发生偏移。与组件的相容性。敷型涂层中的不相容组分会损害生长灯的性能，缩短生长灯使用寿命。如现代发光二极管通常包含光学透明、热稳定性好、耐紫外线性能好的硅树脂聚合物，如果不相容组分扩散到这些硅树脂聚合物中，会导致硅树脂聚合物变色和光线的偏移。电子设备的可靠性很重要，但同样重要的是电子设备装配过程的安全性。目前市场上的敷型涂料一般都溶解在有毒化学溶剂中使用，如甲苯、二甲苯和丁酮等。这些溶剂都在美国有害空气污染物的名单上，并且被证明如果人体接触足够多，会对人员健康产生不利影响，如癌症、肝损伤和肾衰竭等。敷型涂料通常分为丙烯酸树脂(AR)体系，有机硅(SR)体系，或氨基甲酸酯树脂(UR)体系等，工程师们可根据具体的使用环境选择敷型涂层的类型。对于植物生长灯来说，有机硅敷型涂料由于其优异的疏水性、耐化学品性(即耐腐蚀肥料)、不易变色性、良好的耐热性等，成为较优的选择。
前文提到的植物生长灯生产商在重新启动生产后，急切想要寻找可以符合他们要求的标准且无毒或低毒的敷型涂料替代品。幸运的是，特可锐能够提供一个理想的解决方案，即Fine-L-Kote™ LED2。
特可锐Fine-L-Kote™LED2专为发光二极管的应用场景设计和开发，可形成完全透明的、坚韧的、极具弹性的保护涂层。具有极佳的柔韧性，在柔性或刚性LED显示屏上具有杰出的防污性。固化后的涂层在高温高湿环境下水解稳定性、物理电学性能稳定性优异，不影响光照强度和发光颜色。特可锐Fine-L-Kote™LED2不含有甲苯、二甲苯、丁酮类有毒有害溶剂，对人员健康来说更加安全。当然，为了确保Fine-L-Kote™ LED2对LED灯的保护作用，建议使用前先进行性能测试。特可锐Fine-L-Kote™LED2敷型涂料性能（IPC-CC-830B）IPC-CC-830B是这样一组测试标准：有的测试项目以通过和不通过来表示，有些测试项目提供可供比较或参考的具体数值。评价指标包括涂层外观、绝缘性、抗霉菌性、柔韧性、易燃性、耐潮湿性和绝缘性、耐热震性和水解稳定性等。特可锐Fine-L-Kote™LED2通过了以上所有测试。虽然IPC-CC-830B包含了荧光性能测试，但由于LED灯敷型涂料特殊的应用场景，荧光指示剂会对光谱透射产生负面影响，因此Fine-L-Kote™ LED2未添加荧光指示剂。透光性能（(IESNA LM-79-2008 and ANSI NEMAANSLG C78.377:2015）为了表征Fine-L-Kote™ LED2的透光性能，第三方测试机构对Fine-L-Kote™ LED2涂层的透光性能（光照强度和光颜色的变化）进行了测试。未涂覆Fine-L-Kote™ LED2的LED灯作为对照。利用光谱辐射计和积分球测量了光输出、相关色温、色度坐标、显色指数和各LED 的光谱分布。测试结果证明Fine-L-Kote™ LED2对LED灯的光照强度和光颜色无任何影响，见下图。
加速腐蚀试验可在受控环境中快速评估涂层的耐腐蚀性能。将LED 灯具在盐雾室中用5%氯化钠溶液浸润数周。测试前后对LED的性能进行了测试和比较，考察性能衰减情况。测试结果表明Fine-L-Kote™ LED2能够通过这种极端的耐腐蚀性测试。采用cree相容性测试套件和标准对Fine-L-Kote™ LED2的相容性进行测试。Cree 是LED的顶级制造商之一，其开发了工具包和工艺来帮助客户解决问题。相容性测试套件包括 MX-6, XP-E, XR-E andXHP50 LEDs。测试时发光二极管连接到涂有涂层的PCB板上，接通电源，运行测试至少6周(1000小时)。Fine-L-Kote™LED2通过了所有LED组件的 Cree 兼容性测试，并被列入 Cree XLamp LEDs化学兼容性指南(CLD-AP63 Rev 6A Aug 2018)。Fine-L-Kote™ LED2除了满足客户的所有要求外，还大大提高了客户的生产效率。之前的敷型涂料需要反复涂覆两次，使用Fine-L-Kote™ LED2一次涂覆即可达到所需厚度。
经过1-2年的不断推广使用和测试，Fine-L-Kote™ LED2提高了多个品牌植物生长灯的可靠性，包括美国、墨西哥和亚洲的生长灯品牌。在激烈的市场竞争中，产品的质量和可靠性是成功的关键。Fine-L-Kote™ LED2在客户的实际应用中证明了具有强大的竞争优势，使客户的生长灯产品经受住了严苛环境的考验，提高了室内农业的发展速度。
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【参考文献】
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Grow_light
[2] Allied Market Research, “LED Grow Lights Market By Wattage (Low Power, MediumPower and High Power), Spectrum (Narrow and Broad), Installation Type (New Installationand Retrofit), and Application (Indoor Farming, Commercial Greenhouse, Vertical Farming, Turf and Landscaping,Research, and Others): Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2021–2030”.
[3] Limigrow, Nov. 19, 2019 blog “The Definitive Guide to Grow Light Spectrum”.
[4] Plants (Basel), 2019 April 8(4): 93, “Blue Light added with Red LEDs Enhance Growth Characteristics, Pigments Content, and Antioxidant Capacity in Lettuce, Spinach, Kale, Basil, and Sweet Pepper in a Controlled Environment”.
[5] Journal of Experimental Botany, Volume 68, Issue 9, 1 April 2017, Pages 2099–2110, “Don’t ignorethe green light: exploring diverse roles in plant processes”.
[6] Biological and Applied Sciences, Feb 2012, by George Zervoudakis, “influence of Light Intensity on Growth and Physiological Characteristics of Common Sage”.
[7] Cree, Aug 2018, “Cree XLamp LEDs Chemical Compatibility”.
