淺析LED微孔排氣孔的材料選擇、防護等級及設計考慮因素

CNLED網編譯 LED本身是堅固可靠的光源，對於存在水分和其他危害的應用來說，是固態照明（SSL）中一個很具有吸引力的選擇，其耐用性也增加了能效優勢。理想情況下，將可能會暴露在潮濕、多塵或臟污環境中的LED產品進行密封，以免損壞內部電子元件。但是，密封產品可能導致外殼或密封失效，原因是LED及其驅動器產生熱量引起內部壓力逐漸積聚。增加一個疏水性微孔排氣孔，通過將灰塵和液體從外殼中排出，並減輕外殼中的壓力或負壓來保護產品。這是一種簡單且經濟高效的方式。

可能需要排氣孔的固態照明應用範圍從戶外到室內。在戶外，必須經受住自然因素；在室內，工作環境會帶來風險。例如，圖1展示了一盞LED路燈，它會遭受到大雨和其他天氣，可能會導致水分進入。而在室內，比如在食品服務等應用中，固態照明就需要排氣孔，因為在這些地方會使用壓力清洗。此外，任何必須承受溫度循環的應用都可能需要帶排氣孔的燈具。

圖1

室外LED燈具應採用排氣孔，防止透鏡起霧，防止水分損壞裡面的電子設備。

排氣孔可以保持水分流出，避免冷凝，能夠平衡壓力。具有諷刺意味的是，有排氣孔的燈具在惡劣的環境中可以證明比完全密封外殼的設計更可靠。

多孔材料

我們先討論LED燈具設計中排氣孔的一些材料選擇。聚四氟乙烯（PTFE）由於其天然的疏水性，耐化學性、耐熱和紫外（UV）穩定性而通常用於這種保護排氣孔。 PTFE保護排氣孔可由燒結多孔膜或所謂的延展PTFE或膨脹PTFE（ePTFE）（圖2）構成。燒結的替代物通常更優，燒結材料可抵抗機械疲勞，通常更強，並且可以滿足UL的可燃性要求。

圖2

左側顯示的是燒結多孔膜，右側顯示的是延展或膨脹PTFE。延展PTFE比燒結膜的機械強度更低，形狀和孔徑選擇更少。

聚乙烯（PE）塞或盤是保護排氣孔的一種低成本選項。但是，PE盤的工作溫度限制較低，並且通常防水抗塵要弱於PTFE。PTFE和PE排氣孔都可以製成片材，可定製的尺寸或三維形狀。

LED 照明

現在，我們再來討論一個潛在的應用，深入了解為什麼可靠的燈具操作需要排氣孔。非排氣孔設計可能會遭受災難性甚至暫時的故障。例如，室外LED燈具就是其中一個應用。比如，由於水分侵入或凝結，照明外殼內的溫度變化可能導致故障。進入燈具的水分會引起透鏡霧化，會影響光輸出，並且至少會出現暫時的功能失效。正負壓力可能會損害外殼周圍的密封或接頭，即使是最佳的基於墊圈的設計也不能保證在使用中由於溫度、濕度和機械衝擊下不出現波動。

燈具的溫度變化可能是運行中循環的自然結果，也可能是由於外部環境。根據各種條件，這些溫度變化可能高達85°C。 即使假設溫度升高只有15°C，密封的外殼也會與外部的大氣有約56 mbar（0.8 psi）的壓力差。由於此壓力超過35-40 mbar，因此保護LED電子元件的密封和墊片材料可能會泄漏，潮濕或灰塵就會侵入。

IP等級選擇

開發新產品的燈具開發人員應該將排氣孔作為首個設計步驟之一。產品團隊應選擇一種排氣材料和實施方式，以滿足應用的氣流、流體侵入阻力和機械要求。燒結多孔排氣孔，比如粘合盤、塞或螺旋孔排氣孔，可以允許空氣流動，同時連續地保護燈免受雨水和其它液體的影響 儘管透氣孔可以釋放空氣壓力並且使燈具內的水冷凝最小化，但排氣孔把液體水保持在殼外的能力也是相當重要的。

典型的膜性能和等級

排氣孔規格由應用和根據IEC標準60529要求的入口防護（IP）決定的。IP等級是指產品對潮濕和灰塵進入的魯棒性。 任何外殼或燈具應具有IP等級，根據應用需求對設計進行分類。 圖3總結了IP代碼。

圖3 防護等級圖顯示了保護範圍

隨著IP數量增加到IP66，環境挑戰變得更加困難。一般來說，如果產品符合特定的IP等級，比如IP65，則它在較低的等級下會抵抗污染物和液體的侵入。對於與液體相關的IP等級，IPx7和IPx8表示水下等級，它們可能不會比IPx5或IPx6更難通過，而IPx5或IPx6等級必須抵抗直接高壓噴水。

為了將應用程序和材料相匹配，在圖3中總結了可能用於多孔排氣孔的不同材料類型、典型IP等級。選擇具有適當防水性能的多孔膜材料可以確保液體和污染物不會進入並損害內部電子元件。如果光源需要噴水清潔燈泡，則建議使用IP66級通氣孔，在圖表底部用紅色橢圓突出顯示。不然的話，IP64通氣孔可以充分工作，在圖表中就用紅圈標出了這樣一個IP64選項。

排氣孔與燈具的接合和組裝

一旦選擇了排氣孔材料，就必須考慮如何將該材料應用於燈具上。根據所選擇的材料和燈具的機械設計，有許多選擇。

裝配時，通常要考慮散熱問題。PTFE的熔點高達326.8°C。因此，需要將另一種塑料加熱並熔化成多孔PTFE結構，實現PTFE排氣孔的粘結。PTFE粘結的材料應具有良好的流動性能和低於260℃的熔融溫度。適用於與PTFE焊接的大多數熱塑性材料，包括聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）。因為使用熱方法連接PTFE圓盤不需要粘合劑，所以工藝簡單、清潔和持久，而捲筒上的PTFE圓盤可用於自動化生產線上。

可以使用熱鉚釘機做樣品。用於粘結PTFE圓盤的另一種常用技術是超聲波密封，使用高頻能量粘合材料。脈衝焊接是另一種選擇，它是熱鉚接的一種形式，方法是把要粘合區域的金屬棒快速加熱然後冷卻。與傳統的熱鉚接工藝相比，脈衝焊接可以使粘合時PTFE和外殼變形最小化，而且很牢固，用時很短。

圖4 通過注塑可以將PTFE排氣孔併入外殼

注塑是將排氣孔固定到LED外殼上的另一種方法（圖4）。在這種方法中，最初將PTFE圓盤放置在模具內部，塑料注入圓盤周圍，在排氣孔的邊緣周圍形成防水密封。

將PTFE排氣孔連接到LED外殼還有其他方法。背襯粘合劑的圓盤（圖5），市場上現在有出售。這種盤上的PTFE材料的中心沒有被粘合劑覆蓋，目的是讓氣流通過排氣孔。這種產品很耐用，可以持續多年。數百萬個背襯粘合劑的光碟已被用於諸如戶外LED照明、LED汽車前大燈和其他汽車電子設備中。由於燒結的PTFE比延展的PTFE更硬，因此一些背襯粘合劑的燒結PTFE圓盤的額定值為IP66，可承受直接噴水而無需保護蓋。

圖5 背襯粘合劑的的PTFE圓盤以捲筒形式供應

無背襯粘合劑的PTFE排氣孔也可以併入LED照明設計。這種排氣孔的裝配選擇包括干涉配合，例如壓配合或卡扣式外殼。

設計可靠性

LED在照明產品中的一個主要優點是產品壽命長。 但可靠的運行不僅僅是光源，還包括照明設備的所有元件，如材料。保護性排氣孔是保護和提供氣流給LED燈具的簡單有效的方式。排氣孔可以防止外殼內冷凝及過早失效。

實際上，將PTFE排氣孔連接到LED照明外殼上是比較直接的。原型可以用熱鉚接或超聲波焊接設備製成。如果產品達到高容量，可以在排氣孔周圍加入外殼部件。膠粘盤是另一個簡單而堅固的選擇。

工程師或設計人員設計考慮的因素包括：1）入口（液體）保護的水平（如IP66，IP45等）； 2）排氣孔尺寸或達到排氣所需的埠數量；3）機械硬度和強度；和4）排氣口形狀，例如壓敏及背襯粘合劑的PTFE圓盤或矩形，壓入（過盈配合）塞或螺旋孔。

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