Estudio de Caso: el Revestimiento de Conformal Mejora La Confiabilidad de Las Luces para Cultivo sin Afectar Las Propiedades de La Luz

Techspray fue contactado por un fabricante de luces para cultivo que tenia problemas para producir accesorios de iluminación LED con buena confiabilidad en condiciones adversas. Su solución fue aplicar revestimiento de conformal a sus montajes de la tarjeta de circuito impreso (PCBA), pero eso llevó a una serie de complicaciones, que incluían el cierre de su línea de producción todo el día debido a humos nocivos.

El revestimiento de conformal Fine-L-Kote LED2 fue el producto que finalmente salvó el día, pero solo después de rigurosas pruebas de calificación.

 

Problema: Cómo mantener la confiabilidad de las luces LED para cultivo en condiciones agrícolas adversas

Imagine tomar un dispositivo electrónico sensible, digamos su computadora portátil, y colocarla en un cuarto de vapor. Como si eso no fuera lo suficientemente desafiante, agregue químicos fertilizantescorrosivos a la mezcla. La solución obvia es revestir los ensamblajes electrónicos con revestimiento conformal, que es básicamente una goma laca para las tarjetas de circuito (una simplificación un poco excesiva, pero más detalles sobre el revestimiento conformal se mencionarán más adelante). El problema es que corre el riesgo de que atenúe la intensidad de la luz y cambie el color, lo que anula años de pruebas para optimizar el rendimiento de la luz en el crecimiento de las plantas.

Techspray fue contactado por un pequeño, pero bien posicionado fabricante de luces LED para cultivo que intentaba resolver esos problemas exactos. Su primera elección de revestimiento de conformal fue, naturalmente, uno de los principales proveedores de resina de silicona. La resina de silicona (SR) es la opción natural para recubrir productos electrónicos ligeros porque es muy hidrófoba (repele el agua).

Desde su prueba de calificación inicial, decidieron que un revestimiento curado más grueso de lo normal les brinda la mejor protección general. Lo que inicialmente no se tuvo en cuenta fue el solvente utilizado para diluir la resina de silicona a una consistencia viable.

El revestimiento de silicona de la competencia que ha sido probado tenía una alta concentración de tolueno, que se considera altamente tóxico y tiene un olor muy fuerte. Cuando se aplicó el revestimiento, pronto hubo una serie de quejas por el fuerte olor y dolores de cabeza en toda la línea de montaje. A medida que pasaba el tiempo, se volvió tan perturbador que pararon la línea de producción por un día. ¡No son exactamente los mejores resultados cuando el tiempo equivale literalmente a dinero!

Antes de hablar de la solución final, ¿qué tal un poco más de detalle sobre las luces para cultivo en general?…

 

¿Para qué se utilizan las luces para cultivo?

Las luces para cultivo son fuentes de luz eléctrica y artificial que se utilizan para cultivar plantas cuando la luz solar natural no está disponible o no ofrece suficiente control. Las luces para cultivo intentan imitar el espectro de luz del sol o la luz se ajusta con precisión en el espectro (color) o en la intensidad para lograr resultados específicos.

Las luces para cultivo se utilizan comúnmente para horticultura, jardinería interior, propagación de plantas y producción de alimentos. Son particularmente útiles para cultivos hidropónicos en el interior. [1]

 

El mercado de las luces para cultivo de rápido crecimiento

El mercado global de las luces LED para cultivo se está expandiendo rápidamente debido a la próspera demanda en los segmentos de agricultura en el interior, invernadero comercial y agricultura vertical. La legalización del cannabis en muchos estados de los Estados Unidos y países de todo el mundo ha impulsado gran parte del aumento de la agricultura en el interior. En el 2020, el tamaño del mercado tenía un valor estimado de $1.28 mil millones y se prevé que aumente a $12.32 mil millones para el 2030. [2]

Los principales fabricantes de las luces LED para cultivo incluyen Black Dog Grow Technologies Inc. (EE.UU.), Bridgelux Inc. (EE.UU.), CreeLED Inc. (EE. UU.), EVERLIGHT Electronics Co.Ltd. (Taiwán), Heliospectra AB (Suecia), Lumigrow Inc. (EE. UU.), OSRAM GmbH (Alemania), Samsung Electronics Co. Ltd. (Corea del Sur), Savant Systems Inc. (EE. UU.) y Signify Holding (Países Bajos). [2]

 

¿Cómo funcionan las luces para cultivo?

Las luces para cultivo pueden utilizar una variedad de tecnologías de iluminación. Inicialmente, se utilizaron focos incandescentes, con todas las desventajas de la falta de control y el exceso de calor. Las generaciones posteriores de luces incluyeron lámparas fluorescentes y de descarga de alta intensidad (HID). Las luces para cultivo modernas utilizan principalmente tecnología de diodos emisores de luz (LED) común en la industria electrónica. [1]

Dado que los LED individuales generalmente emiten una gama estrecha de colores, se utilizan matrices de múltiples LED para imitar la luz blanca natural del sol o cambiar en la dirección roja, azul o verde, dependiendo de los beneficios en el ciclo de cultivo de una planta específica. Los LED ofrecen un gran valor del control, lo que ha dado lugar a grandes avances en la productividad de la agricultura comercial en el interior. Muchos productos de iluminación consisten en un conjunto de luces LED en varios colores, con controles electrónicos para cambiar qué luces LED están activas, cambiando el color general de la luz producida.

 

Importancia de la intensidad de la luz y el color en el crecimiento de las plantas

Las luces para cultivo son necesarias en la agricultura de interior porque las plantas necesitan luz para la fotosíntesis, para generar energía. La luz también afecta la forma en que crecen las plantas, por ejemplo, la velocidad y dirección, con un proceso llamado fotomorfogénesis. La fotosíntesis ocurre generalmente a 400-700nm en el espectro de luz y la fotomorfogénesis ocurre a 260-780nm. [3]

Los fotorreceptores en las plantas se activan al variar los colores a lo largo del espectro de luz, lo que afecta las características de crecimiento como la fructificación, tasa de crecimiento, desarrollo de las raíces, salud de las plantas, sabor, nutrición, etc. [3] Pequeños cambios de tan solo 10 a 20nm en el color de la luz pueden producir cambios importantes tanto en el crecimiento de las plantas como en el producto comestible producido.

Un estudio publicado en Plants (abril del 2019) demostró que la luz azul y roja pueden mejorar el crecimiento, color y contenido de antioxidantes en lechuga, espinaca, col rizada, albahaca y pimiento dulce. [4]

Otro estudio publicado en el Journal of Experimental Botany (abril del 2017) señaló que no se debe pasar por alto la importancia de la luz verde. Se ha pensado durante mucho tiempo que el color verde tiene una importancia menor en la biología porque gran parte de él se refleja en las superficies de las plantas (por eso se ven verdes). Esta investigación había demostrado que la absorción de la luz verde en realidad ayuda a estimular la fotosíntesis, mejorando la ganancia de carbono y posiblemente el rendimiento de los cultivos. [5]

La intensidad de la luz de las luces LED para cultivo debe controlarse de cerca. Un estudio del 2012 sobre la intensidad de la luz en la salvia común mostró una fuerte correlación positiva de la intensidad de la luz en el número de hojas, pero una correlación negativa con la altura de la planta y pigmentos fotosintéticos. [6] La intensidad óptima dependerá de la planta y las características más valoradas.

 

Desafíos de la confiabilidad de la luz para cultivo

Para fabricar luces LED para cultivo, los LED individuales deben conectarse (generalmente por medio de soldadura) a una tarjeta de circuito impreso (PCB). En teoría, este es un dispositivo electrónico muy simple que debería ser fácil de montarse y altamente confiable. La dura realidad es el entorno extremo de la agricultura de interior. Cuando introduce calor, humedad y fertilizante cáustico y corrosivo, la confiabilidad electrónica se vuelve mucho más desafiante.

El agua es conductora de forma natural, por lo que introducirla en un conjunto electrónico puede crear una fuga de corriente o un cortocircuito. Si hay algún residuo iónico en la PCBA, como residuo de flux del proceso de la soldadura, humedad y corriente pueden provocar el crecimiento dendrítico. Las dendritas son ramas conductoras que literalmente crecen de un punto de contacto a otro, nuevamente, provocando una fuga de corriente o un cortocircuito. Agregue fertilizante corrosivo a la mezcla y realmente puede romper las superficies metálicas. En ese punto, las almohadillas de contacto pueden levantarse y separarse, rompiendo conexiones, o las partículas de metal pueden unirse y formar ramas. Esto se denomina corrosión por fluencia y conduce (una vez más) a una fuga de corriente o un cortocircuito. Para obtener más información, consulte https://www.techspray.com/the-essential-guide-to-conformal-coating.

En resumen, realmente necesita mantener limpio y seco el funcionamiento interno de los dispositivos electrónicos.

Hay varias estrategias que se pueden implementar para garantizar la confiabilidad de la luz para cultivo:

  1. Empacado y sellado: todas las luces para cultivo están empaquetadas con el objetivo de evitar que la contaminación externa llegue a los componentes electrónicos internos. En realidad, es casi imposible evitar que la humedad se abra paso en un 100% de tiempo, y aún así tener un dispositivo que sea económico de ensamblar y reparar.
  2. Encapsulados (compuestos para macetas): otra estrategia es sumergir completamente los componentes electrónicos sensibles en una resina epoxi. Eso elimina cualquier posibilidad de reelaboración o mantenimiento una vez que la PCBA esté encapsulada, pero será a prueba de agua. Una preocupación es que el encapsulado sobre la luz LED podría atenuar la luz y potencialmente cambiar el color. También haría problemática la disipación de calor, lo que podría reducir drásticamente la vida útil de las luces LED. En la fabricación de las luces LED para cultivo, la encapsulación epoxi elimina la posibilidad de volver a trabajar con una tarjeta dañada o una luz LED defectuosa, que podría requerir solo reparaciones menores. Sin la capacidad de reparación, la única alternativa es desechar un panel completo de luces LED costosas.
  3. Revestimiento de conformal: en lugar de sumergir la tarjeta de circuito en una capa gruesa de resina, se puede aplicar una capa de resina que se "adapte" a las superficies de la tarjeta y los componentes. Los revestimientos de conformal son generalmente lo suficientemente delgados para permitir una disipación térmica adecuada y, a diferencia de los encapsulados, se pueden quitar para volver a revisar y reparar las luces LED para cultivo. Aunque no es tan resistente al agua como el compuesto para encapsulado, el revestimiento de conformal puede proporcionar suficiente protección resistente al agua cuando se usa junto con un empaque sellado.

 

Protección de la luz para cultivo de la PCBA con revestimiento de conformal

El revestimiento de conformal es un producto formador de una capa polimérica especial que protege las tarjetas de circuito, los componentes y otros dispositivos electrónicos de las condiciones ambientales adversas. Estos revestimientos "se ajustan" a las irregularidades inherentes tanto en la estructura como en el entorno de la PCB. Proporcionan mayor resistencia dieléctrica, integridad operativa y protección contra atmósferas corrosivas, humedad, calor, hongos y contaminación del aire, como suciedad y polvo.

En relación con las luces para cultivo, varias propiedades del revestimiento de conformal se encuentran en la parte superior de la lista de prioridades:

  1. Capaz de resistir la humedad y evitar la corrosión: se deben realizar pruebas para garantizar una protección adecuada para evitar fugas de corriente y corrosión. La prueba de spray de sal o niebla salina (por ejemplo, ASTM B117) se usa comúnmente para las pruebas en ambientes extremos.
  2. Impacto en la intensidad y el color de la luz: si el revestimiento de conformal se aplica alrededor de las superficies la luz LED, no tendrá ningún impacto en la transmisión de la luz. Desafortunadamente, esto añade un laborioso paso de enmascaramiento al proceso de aplicación del revestimiento o requiere un proceso de pulverización selectivo. Además, cada rotura en el revestimiento es un punto de falla potencial donde la humedad y otros contaminantes pueden ingresar. Es posible recubrir todo el PCBA, incluidas las luces LED, pero se debe tener en cuenta la claridad óptica del revestimiento. De lo contrario, existe el riesgo de que la intensidad de la luz se reduzca o cambie de color, lo que podría dificultar el crecimiento óptimo de la planta.
  3. Compatibilidad con los componentes: los productos químicos incompatibles en los conjuntos de iluminación LED pueden afectar el rendimiento y reducir la vida útil. Las luces LED modernas a menudo contienen polímeros de silicona únicos que son ópticamente transparentes, térmicamente estables, resistentes a la exposición a los rayos UV y económicos. Una sustancia química incompatible puede difundirse en la lente de silicona o desprender gas, provocando la decoloración y el desplazamiento de la luz transmitida [7].
  4. Toxicidad: la confiabilidad del equipo es importante, pero igualmente importante es la seguridad de quienes se encuentran en la operación de montaje de la PCBA. Las resinas de revestimiento de conformal a menudo se disuelven o se mezclan con disolventes agresivos y tóxicos como tolueno, xileno y metiletilcetona (MEK). Los tres disolventes están en la lista de contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP) de los EE. UU. Y se ha demostrado, con suficiente exposición, que provocan una serie de efectos negativos para la salud, como cáncer, daño hepático e insuficiencia renal.

Los revestimientos de conformal generalmente contienen resina acrílica (AR), resina de silicona (SR) o resina de uretano (UR). Los ingenieros especifican el tipo de revestimiento en función de los problemas ambientales que deben mitigarse. En el caso de las luces para cultivo, los revestimientos de conformal a base de silicona son ideales porque son hidrófobos (repelen el agua), tienen buena resistencia química (es decir, contra los fertilizantes cáusticos), no se amarillean con el tiempo (se transmite el color cambiante) y generalmente tienen una mayor tolerancia al calor en comparación con otros tipos de revestimientos.

 

Solución para el cliente: Fine-L-Kote™ LED2

Después de reiniciar su línea de montaje de luces para cultivo, los gerentes de proyecto estaban muy decididos a encontrar un revestimiento de conformal que cumpliera con todos sus criterios de desempeño, pero sin los químicos nocivos. Afortunadamente, Techspray pudo ofrecer una solución ideal lista para usar, Fine-L-Kote LED2 (parte # 2125).

Techspray Fine-L-Kote LED2 está específicamente diseñado y formulado para aplicaciones de diodos emisores de luz, donde se requiere un revestimiento completamente transparente para proporcionar un revestimiento protector resistente y extremadamente flexible. Fine-L-Kote LED2 proporciona la máxima flexibilidad para las temperaturas extremas en los circuitos flexibles y rígidos que se encuentran en las pantallas LED, y proporciona una excelente superficie antiadherente para repeler el suelo. 

Los revestimientos curados son hidrolíticamente estables y conservan sus propiedades eléctricas físicas después de la exposición a alta temperatura y humedad, sin interferir con la longitud de onda o la intensidad de la luz. Fine-L-Kote LED2 no estresará los componentes delicados.

Fine-L-Kote LED2 no contiene HAP como tolueno, xileno o MEK, por lo que es mucho más seguro para el personal.

Por supuesto, los puntos de mercadotecnia son excelentes, pero se requirieron pruebas de calificación para garantizar que la confiabilidad de sus luces para cultivo se mejorara sin afectar la transmisión de la luz:

  • Rendimiento del revestimiento general (IPC-CC-830B)

IPC-CC-830B es una batería de pruebas, algunas son aptas-no aptas y otras proporcionan datos que pueden ser referenciados y comparadas. Las calificaciones incluyen apariencia del revestimiento, resistencia al aislamiento, resistencia a los hongos, flexibilidad, inflamabilidad, resistencia a la humedad y al aislamiento, choque térmico y estabilidad hidrolítica. Fine-L-Kote LED2 pasó todas las calificaciones anteriores. La fluorescencia UV se incluye normalmente en la IPC-CC-830B, pero no es aplicable para este revestimiento en particular. El abrillantador UV, que brilla bajo una luz negra, a menudo se agrega a las fórmulas de revestimiento de conformal para ayudar en la inspección del control de la calidad. Techspray no incluyó el indicador UV en Fine-L-Kote LED2 debido al potencial de impactar negativamente la transmisión de la luz en todo el espectro, incluido el ultravioleta. El indicador UV absorbe la luz UV invisible y la reemite a una longitud de onda más larga en el rango visible, lo que le permite verla para la inspección de control de calidad. Entonces, si una planta se beneficia de una longitud de onda específica de luz UV, un indicador UV podría anular ese beneficio.

  • Claridad óptica (IESNA LM-79-2008 y ANSI NEMA ANSLG C78.377: 2015)
Se realizaron pruebas de terceros en las luces LED sin revestimiento (control) y LED revestidas (prueba) para comparar el efecto sobre la intensidad (mW/nm) y el color (nm). Se utilizó un espectroradiómetro y una esfera integradora para medir la salida de la luz, la temperatura de color correlacionada, las coordenadas de cromaticidad, el índice de reproducción cromática y la distribución espectral de cada LED.

Se demostró que Fine-L-Kote LED2 casi no tiene impacto ni en la intensidad ni en el color (consulte el diagrama a continuación).


  • Protección contra la corrosión (MIL-STD 810G)

Las pruebas de corrosión acelerada permiten a los fabricantes evaluar nuevos revestimientos en un entorno controlado. Esto evita aprender sobre los problemas de confiabilidad de la manera más difícil, a partir de fallas en el campo. Los dispositivos LED se hicieron funcionar en una cámara de niebla salina con una solución estándar de NaCl al 5% durante varias semanas. El rendimiento de los dispositivos LED se midió antes y después de la prueba y se comparó en busca de signos de degradación. Fine-L-Kote LED2 pudo resistir esta prueba extrema de resistencia a la corrosión.

  • Compatibilidad química (calificación Cree)
Fine-L-Kote LED2 se probó utilizando los estándares y el kit de prueba de compatibilidad Cree. Cree es uno de los principales fabricantes de LED y ha desarrollado el kit y el proceso para ayudar a los clientes a evitar problemas inesperados. El kit de prueba incluye LED MX-6, XP-E, XR-E y XHP50.

Las luces LED están conectadas a una tarjeta de circuito impreso, revestidas, conectadas a una fuente de alimentación y la prueba se ejecuta durante al menos 6 semanas (1000 horas). Fine-L-Kote LED2 pasó la prueba de compatibilidad Cree para todos los componentes LED y aparece en la guía de compatibilidad química de LED Cree XLamp (CLD-AP63 Rev 6A, agosto de 2018). [7]

Además de cumplir con todas sus especificaciones requeridas, Fine-L-Kote LED2 pudo mejorar enormemente su rendimiento de producción. El revestimiento de conformal que se calificó y utilizó previamente los obligó a aplicar dos capas para lograr el espesor deseado. Fine-L-Kote LED2 pudo lograr el mismo grosor con una sola pasada.

 

Conclusión

Después de 1 a 2 años de pruebas de calificación y trabajo logístico, Techspray Fine-L-Kote LED2 está mejorando la confiabilidad de decenas de miles de luces para cultivo por mes, incluidas las de los EE. UU., México y Asia.

Las oportunidades abundan en los mercados de luces para cultivo, pero la competencia es feroz, por lo que la calidad y confiabilidad del producto es fundamental para el éxito. Techspray Fine-L-Kote LED2 es una ventaja competitiva probada para los fabricantes de luces para cultivo, lo que permite que sus productos resistan el duro entorno agrícola de interior y continúen optimizando la producción agrícola.

Para obtener más información, comuníquese con un especialista en aplicaciones de Techspray al 678-819-1408, tsales@techspray.com, o visite www.techspray.com.

 


 

Referencias:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Grow_light

[2] Investigación de mercado aliado, "Mercado de luces LED para cultivo por potencia (baja, media y alta potencia), espectro (estrecho y ancho), tipo de instalación (nueva instalación y modernización) y aplicación (agricultura interior, invernadero comercial), agricultura vertical, césped y jardín, investigación y otros): Análisis de oportunidades globales y pronóstico de la industria, 2021-2030”.

[3] Limigrow, blog del 19 de noviembre del 2019 “La guía definitiva para hacer crecer el espectro de la luz”.

[4] Plants (Basel), 8 de abril de 2019 (4): 93, “La luz azul agregada con LED rojos mejora las características de crecimiento, el contenido de pigmentos y la capacidad antioxidante en la lechuga, espinaca, col rizada, albahaca y pimiento dulce en un ambiente controlado”.

[5] Journal of Experimental Botany, volumen 68, número 9, 1 de abril de 2017, páginas 2099–2110, "No ignore la luz verde: exploración de diversos roles en los procesos de las plantas".

[6] Ciencias biológicas y aplicadas, febrero del 2012, por George Zervoudakis, “Influencia de la intensidad de la luz en el crecimiento y características fisiológicas de la salvia común”.

[7] Cree, agosto del 2018, “Compatibilidad química de las Cree XLamp LED”.

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