當(dāng)技術(shù)不再神秘，LED封裝如何突破瓶頸

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2016-02-21

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中國(guó)是全球最大的LED應(yīng)用市場(chǎng)，但在高端LED等領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)滯后，產(chǎn)能不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求，科銳、飛利浦、歐司朗、京瓷、住友電工、日亞化學(xué)等國(guó)外品牌廠商長(zhǎng)期以來(lái)占據(jù)著國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)。另外，高端LED材料的核心技術(shù)基本掌握在歐美企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)企業(yè)大都處于產(chǎn)業(yè)低端，在同國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中難占上風(fēng)。而且，一些領(lǐng)域同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)，廠房照明，以次充好、惡意降價(jià)等擾亂市場(chǎng)秩序的現(xiàn)象更進(jìn)一步削弱了國(guó)內(nèi)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，從而限制了國(guó)內(nèi)LED材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

LED封裝材料的不斷發(fā)展帶動(dòng)了相應(yīng)封裝技術(shù)的不斷提升。封裝材料對(duì)LED芯片的功能發(fā)揮具有重要的影響，散熱不暢或出光率低均會(huì)導(dǎo)致芯片的功能失效，醫(yī)院led照明，故封裝材料必須具備熱導(dǎo)率高、透光率高、耐熱性好及耐UV(紫外光)屏蔽佳等特性。隨著白光LED的快速發(fā)展，外層封裝材料必須在可見(jiàn)光范圍內(nèi)保持高透明性， led亮化工程，并對(duì)紫外可見(jiàn)光具有較好的吸收(以防止紫外可見(jiàn)光的輻射) 。

傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂(EP)具有易變黃、內(nèi)應(yīng)力大及熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，故其不能滿足白光LED的封裝要求，取而代之的是性能優(yōu)異的有機(jī)硅材料。有機(jī)硅封裝材料因其結(jié)構(gòu)同時(shí)兼有有機(jī)基團(tuán)和無(wú)機(jī)基團(tuán)，故其具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐水性及透光性，并且已成為國(guó)內(nèi)外LED封裝材料的重點(diǎn)研究方向；然而，CE認(rèn)證，有機(jī)硅仍存在著某些缺點(diǎn)(如耐UV老化性欠佳、熱導(dǎo)率低等)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者采用納米技術(shù)對(duì)有機(jī)硅進(jìn)行改性研究，并受到廣泛關(guān)注。

POSS改性EP封裝材料

EP是指分子中含有2個(gè)或2個(gè)以上活性環(huán)氧基的高分子化合物，能與胺、酸酐和PF(酚醛樹(shù)脂)等發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶且具有三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物 。因此，EP具有優(yōu)異的粘接性、良好的密封性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，是LED和集成電路等封裝用主要材料。然而，隨著科技的快速發(fā)展，對(duì)封裝材料的性能要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的EP封裝材料存在著老化速率快、易變色及材料易脆等弊病，故改性EP封裝材料勢(shì)在必行。

POSS是由硅、氧元素構(gòu)成的無(wú)機(jī)內(nèi)核和有機(jī)外圍基團(tuán)組成的、具有三維立體結(jié)構(gòu)和含有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化納米籠形結(jié)構(gòu)的化合物。與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)納米粒子相比，POSS因分子結(jié)構(gòu)特殊而具有良好的耐熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及熱力學(xué)性能，并且POSS分子結(jié)構(gòu)還可根據(jù)需要進(jìn)行“裁剪”與“組裝”。因此，采用POSS改性EP，可克服傳統(tǒng)EP封裝材料的缺點(diǎn)。

Xiao等首先合成了(3-氧化縮水甘油丙基)二甲基硅氧基POSS和乙烯基環(huán)氧環(huán)己烷二甲基硅氧基POSS，再與4，4’-二苯基甲烷和四甲基鄰苯二甲酸混合后，制成相應(yīng)的雜化材料。研究表明：隨著同化溫度的不斷升高，POSS改性EP的硬度逐漸降低；雖然在低溫時(shí)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)大于雙酚A型EP(DGEBA)，但其膨脹系數(shù)對(duì)溫度的依賴性較小，并且其熱膨脹系數(shù)仍然較低，從而能有效改善光穩(wěn)定性及耐熱性。

Fu等采用含巰丙基的POSS改性EP。研究表明：雖然改性EP的Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)有明顯降低，但EP的高溫光穩(wěn)定性、耐熱性和耐UV老化性明顯提高。

周利寅等以g-(2，3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷為基礎(chǔ)，采用水解縮聚法制備了與DGEBA相容性較好的環(huán)氧倍半硅氧烷(SSQ-EP)；然后將SSQ-EP與DGEBA進(jìn)行雜化，改善了DGEBA耐熱性差、易黃變等缺點(diǎn)，并能使DGEBA/SSQ-EP雜化材料保持較高的透光率。研究表明：當(dāng)m(DGEBA):m(SSQ-EP)=1:1時(shí)，雜化材料的綜合性能相對(duì)最佳(其折射率為1.51、透光率為92.07％且耐熱老化性優(yōu)異)。

黎學(xué)明等將EP與含有環(huán)氧基的POSS交聯(lián)、雜化，制備了環(huán)氧聚有機(jī)硅倍半硅氧烷(EP/POSS)雜化材料。研究表明：POSS與EP在UV固化過(guò)程中經(jīng)快速原位雜化后形成雜化材料，獲得的環(huán)氧聚有機(jī)硅倍半硅氧烷雜化材料具有透光率高、熱膨脹系數(shù)小及耐UV老化性好等優(yōu)點(diǎn)，克服了LED用EP材料柔性差、有機(jī)硅改性EP需高溫固化等缺點(diǎn)，適用于LED的封裝。

有機(jī)硅封裝材料

雖然通過(guò)POSS可改善EP的耐熱性、熱穩(wěn)定性及光穩(wěn)定性等性能，但由于EP本身含有環(huán)氧基團(tuán)，故其在高溫時(shí)易被氧化，商業(yè)照明燈具，長(zhǎng)期使用后會(huì)產(chǎn)生黃變現(xiàn)象，不能滿足高性能LED封裝材料的使用要求。與EP相比，有機(jī)硅材料則具有良好的透明性、耐高低溫性、耐候性及疏水性等特點(diǎn)。目前普遍研究的有機(jī)硅封裝材料主要是加成型硅樹(shù)脂和加成型硅橡膠兩種類型。這是由于其經(jīng)硫化交聯(lián)后不產(chǎn)生副產(chǎn)物且硫化物的尺寸較穩(wěn)定。

加成型硅樹(shù)脂封裝材料是以含乙烯基的硅樹(shù)脂作為基礎(chǔ)聚合物、含Si-H基的硅樹(shù)脂或含氫硅油等作為交聯(lián)劑，在鉑催化劑存在下于室溫或加熱條件下進(jìn)行交聯(lián)固化制成。

Kim等以乙烯基三甲氧基硅烷和二苯基二羥基硅烷等為原料，采用溶膠—凝膠縮合法制備了含氫低聚樹(shù)脂(混有含苯基和乙烯基的低聚硅氧烷)。研究表明：提純后的苯基硅樹(shù)脂在固化反應(yīng)中表現(xiàn)出低收縮率和高透明度，并且在440℃左右保持良好的熱穩(wěn)定性、較高的折射率，適合作為L(zhǎng)ED用有機(jī)硅封裝材料。

張偉等將乙烯基苯基硅油和含氫硅樹(shù)脂、乙烯基硅樹(shù)脂按比例混合后，在鉑催化劑作用下進(jìn)行固化，形成LED封裝用有機(jī)硅樹(shù)脂材料。研究表明：該材料具有折射率高(大于1.54)、透明度好、耐熱性及熱沖擊穩(wěn)定性能優(yōu)異等特點(diǎn)，適用于LED封裝用有機(jī)硅樹(shù)脂材料。

加成型液體硅橡膠封裝材料是以含乙烯基的線型聚硅氧烷為基礎(chǔ)聚合物、乙烯基硅樹(shù)脂為補(bǔ)強(qiáng)填料和含氫硅油為交聯(lián)劑，店鋪照明，采用共混法制成的。

Tabei等采用氯硅烷共水解縮合工藝制得乙烯基硅樹(shù)脂，然后將其與含苯基硅氧鏈節(jié)的含氫硅油在鉑催化劑作用下硫化成型，獲得LED用封裝材料。該材料的折射率高(可達(dá)1.50)、UV對(duì)其透光率影響較小(輻射500 h后，由95％降至92％)。

Miyosh向甲基苯基含氫硅油和乙烯基硅樹(shù)脂中加入氣相白炭黑、導(dǎo)熱填料和阻燃劑等，在120～180℃時(shí)固化30～180 min后，所得材料的性能優(yōu)異(折射率高達(dá)1.51；經(jīng)400 nm波長(zhǎng)光源輻射100 h后，透光率從95％降至92％，照射500 h后仍為92％)。

邵倩等將甲基苯基環(huán)硅氧烷(DnMe,Ph)與四甲基環(huán)四硅氧烷(D4H)進(jìn)行開(kāi)環(huán)共聚，制備了可用于LED封裝材料的交聯(lián)劑含氫硅油，其中開(kāi)環(huán)共聚是通過(guò)向DnMe,Ph 中加入三氟丙基環(huán)三硅氧烷后完成的。研究表明：在乙烯基硅油分子鏈中引入三氟甲基硅氧鏈節(jié)，降低了乙烯基硅油的表面張力，有利于封裝材料的真空脫泡，并可大幅提高其折射率。