LED封装材料基础知识

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1、LED 封装材料主要有环氧树脂，聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃，有机硅材料等高透 明材料。其中聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃等用作外层透镜材料；环氧树脂，改性 环氧树脂，有机硅材料等，主要作为封装材料，亦可作为透镜材料。而高性能有机硅材料 将成为高端 LED 封装材料的封装方向之一。下面将主要介绍有机硅封装材料。提高 LED 封装材料折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高光量子效率， 封装材料的折射率是一个重要指标，越高越好。提高折射率可采用向封装材料中引入硫元 素，引入形式多为硫醚键、硫脂键等，以环硫形式将硫元素引入聚合物单体，并以环硫基 团为反应基团进行聚合则是一种较新的方

2、法。最新的研发动态，也有将纳米无机材料与聚 合物体系复合制备封装材料，还有将金属络合物引入到封装材料，折射率可以达到 1.6- 1.8，甚至 2.0，这样不仅可以提高折射率和耐紫外辐射性，还可提高封装材料的综合性能。一、胶水基础特性一、胶水基础特性 1.11.1 有机硅化合物有机硅化合物-聚硅氧烷简介聚硅氧烷简介 有机硅封装材料主要成分是有机硅化合物。有机硅化合物是指含有 Si-O 键、且至少有一个 有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅 原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中，以硅氧键（-Si-0-Si-）为骨架组成的聚 硅氧烷，是有机硅化合物中为

3、数最多，研究最深、应用最广的一类，约占总用量的 90%以 上。 1.1.11.1.1 结构结构 其结构是一类以重复的 Si-O 键为主链，硅原子上直接连接有机基团的聚合物，其通式为 R-（Si R R -O）n- R”，其中，R、R、R”代表基团，如甲基，苯基，羟基， H，乙烯基等；n 为重复的 Si-O 键个数（n 不小于 2）。有机硅材料结构的独特性：（1） Si 原子上充足的基团将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来；（2） C-H 无极性，使分子间相互作用力十分微弱；（3） Si-O 键长较长，Si-O-Si 键键角大。（4） Si-O 键是具有 50离子键特征的共价键（共价键具有方向性，离子

4、键无方向性） 。1.1.21.1.2 性能性能 由于有机硅独特的结构，兼备了无机材料与有机材料的性能，具有表面张力低、粘温系数 小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、 耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性。 耐温特性耐温特性：有机硅产品是以硅氧（SiO）键为主链结构的，CC 键的键能为 347kJ/mol，SiO 键的键能在有机硅中为 462kJ/mol，所以有机硅产品的热稳定性高，高 温下（或辐射照射）分子的化学键不断裂、不分解。有机硅不但可耐高温，而且也耐低温， 可在一个很宽的温度范围内使用。无论是化学性能还是物理机械性能，随温

5、度的变化都很 小。 耐候性：耐候性：有机硅产品的主链为SiO，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。 有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力。有机硅中自然环境 下的使用寿命可达几十年。 电气绝缘性能：电气绝缘性能：有机硅产品都具有良好的电绝缘性能，其介电损耗、耐电压、耐电弧、耐 电晕、体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅，而且它们的电气性能受 温度和频率的影响很小。因此，它们是一种稳定的电绝缘材料，被广泛应用于电子、电气工业上。有机硅除了具有优良的耐热性外，还具有优异的拒水性，这是电气设备在湿态条 件下使用具有高可靠性的保障。 生理惰性：生理惰性：聚硅氧

6、烷类化合物是已知的最无活性的化合物中的一种。它们十分耐生物老化，与动物体无排异反应，并具有较好的抗凝血性能。 低表面张力和低表面能：低表面张力和低表面能：有机硅的主链十分柔顺，其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得 多，因此，比同分子量的碳氢化合物粘度低，表面张力弱，表面能小，成膜能力强。这种 低表面张力和低表面能是它获得多方面应用的主要原因：疏水、消泡、泡沫稳定、防粘、 润滑、上光等各项优异性能。1.1.31.1.3 有机硅化合物的用途有机硅化合物的用途 由于有机硅具有上述这些优异的性能，因此它的应用范围非常广泛。它不仅作为航空、尖 端技术、军事技术部门的特种材料使用，而且也用于国民经济各行业，

7、其应用范围已扩到： 建筑、电子电气、半导体、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药 医疗等行业。 其中有机硅主要起到密封、粘合、润滑、绝缘、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填 充等功能。 随着有机硅数量和品种的持续增长，应用领域不断拓宽，形成化工新材料界独树一帜的重 要产品体系，许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。 1.21.2 LEDLED 封装用有机硅材料特性简介封装用有机硅材料特性简介 LED 封装用有机硅材料的要求：光学应用材料具有透光率高，热稳定性好，应力小，吸湿 性低等特殊要求，一般甲基类型的硅树脂 25时折射率为 1.41 左右，而苯基类型的硅树 脂折射

8、率要高，可以做到 1.54 以上，450 nm 波长的透光率要求大于 95。在固化前有适 当的流动性，成形好；固化后透明、硬度、强度高，在高湿环境下加热后能保持透明性。 主要技术指标有：折射率、粘度、透光率、无机离子含量、固化后硬度、线性膨胀系数等 等。 1.2.11.2.1 材料光学透过率特性材料光学透过率特性 石英玻璃、硅树脂和环氧树脂的透过率如图 1 所示。硅树脂和环氧树脂先注入模具, 高温 固化后脱模, 形成厚度均匀为 5 mm 的样品。可以看到, 环氧树脂在可见光范围具有很高 的透过率, 某些波长的透过率甚至超过了 95% , 但环氧树脂在紫外光范围的吸收损耗较大, 波长小于 380

9、 nm 时, 透过率迅速下降。硅树脂在可见光范围透过率接近 92%, 在紫外光范 围内要稍低一些, 但在 320 nm 时仍然高于 88%, 表现出很好的紫外光透射性质; 石英玻璃 在可见光和紫外图 1 5 种不同封装材料的光透过率 光范围的透过率都接近 95%, 是所有材料里面紫外光透过率最高的。对于紫外 LED 封装, 石英玻璃具有最高的透过率, 有机硅树脂次之, 环氧树脂较差。然而尽管石英玻璃紫外光 透过率高, 但是其热加工温度高, 并不适用于 LED 芯区的密封, 因此在 LED 封装工艺中石 英玻璃一般仅作为透镜材料使用。由于石英玻璃的耐紫外光辐射和耐热性能已经有很多报 道 , 仅对

10、常用于密封 LED 芯区的环氧树脂和有机硅树脂的耐紫外光辐射和耐热性能进行研 究。 1.2.21.2.2 耐紫外光特性耐紫外光特性 研究了环氧树脂 A 和 B 以及有机硅树脂 A 和 B 在封装波长为 395 nm 和 375 nm 的 LED 芯 片时的老化情况, 如图 2 所示。实验中, 每个 LED 的树脂涂层厚度均为 2 mm。可以看到, 环氧树脂材料耐紫外光辐射性能都较差, 连续工作时, 紫外 LED 输出光功率迅速衰减, 100 h 后输出光功率均下降到初始的 50% 以下; 200 h 后, LED 的输出光功率已经非常微弱。对于脂环族的环氧树脂 B, 在 375 nm 的紫外光

11、照射下衰减比 395 nm 时要快, 说明对紫外 光波长较为敏感, 由于 375 nm 的紫外光光子能量较大, 破坏也更为严重。双酚类的环氧树 脂 A 在 375 nm 和 395 nm 的紫外光照射下都迅速衰减, 衰减速度基本一致。尽管双酚类 的环氧树脂 A 在 375 nm 和 395 nm 时的光透过率要略高于脂环族类的环氧树脂 B, 但是由 于环氧树脂 A 含有苯环结构, 因此在紫外光持续照射时,衰减要比环氧树脂 B 要快。图 2 环氧树脂和硅树脂的紫外老化 尽管双酚类的环氧树脂 A 在 375 nm 和 395 nm 时的光透过率要略高于脂环族类的环氧树脂 B, 但是由于环氧树脂 A

12、 含有苯环结构, 因此在紫外光持续照射时,衰减要比环氧树脂 B 要 快。测量老化前后 LED 芯片的光功率, 发现老化后 LED 的光功率基本上没有衰减。这说明, 光功率的衰减主要是由紫外光对环氧树脂的破坏引起的。环氧树脂是高分子材料, 在紫外 线的照射下, 高分子吸收紫外光子,紫外光子光子能量较大, 能够打开高分子间的键链。因 此, 在持续的紫外光照射下, 环氧树脂的主链慢慢被破坏, 导致主链降解, 发生了光降解 反应, 性质发生了变化。实验表明, 环氧树脂不适合用于波长小于 380 nm 的紫外 LED 芯片 的封装。相对环氧树脂, 硅树脂表现出了良好的耐紫外光特性。经过近 1 500 h

13、 老化后, LED 输出光功率虽然有不同程度的衰减, 但是仍维持在 85%以上, 衰减低于 15%。这可能与 硅树脂和环氧树脂间的结构差异有关。硅树脂的主要结构包括 Si 和 O, 主链 Si-O-Si 是 无机的, 而且具有较高的键能; 而环氧树脂的主链主要是 C-C 或 C-O, 键能低于 Si-O。由 于键能较高, 硅树脂的性能相对要稳定。因此, 硅树脂具有良好的耐紫外光特性。 1.2.31.2.3 耐热性耐热性 LED 封装对材料的耐热性提出了更高的要求。从图 3 可以看出, 环氧树脂和硅树脂具有较 好的承受紫外光辐照的能力。因此, 对其热稳定性进行了研究。图 3 表示这两种材料在高

14、温老化后 mm- 1 厚度时透过率随时间的变化情况。可以看到, 环氧树脂的耐热性较差, 经 过连续 6 天 的高温老化后, 各个波长的透过率都发生了较大的衰减, 紫外光范围的衰减尤 其严重, 环氧树脂样品颜色从最初的清澈透明变成了黄褐色。图 3 环氧树脂和硅树脂的 150 e 高温老化 硅树脂表现出了优异的耐热性能。在 150 e 的高温环境下, 经过 14 days 的老化后, 可见光范围的样品 mm- 1 厚度时透过率只有稍微的衰减, 在紫外光范围也仅有少量的衰减, 颜 色仍然保持着最初的清澈透明。与环氧树脂不同, 硅树脂以 Si-O-Si 键为主链, 由于 Si-O 键具有较高的键能和离

15、子化倾向, 因此具有优良的耐热性。 1.2.41.2.4 光衰特性光衰特性 传统封装的超高亮度白光 L ED ,配粉胶一般采用环氧树脂或有机硅材料。如图 4 所示,分 别用环氧树脂和有机硅材料配粉进行光衰实验的结果。可以看出,用有机硅材料配粉的白光 L ED 的寿命明显比环氧树脂的长很多。原因之一是用有机硅材料和环氧树脂配粉的封装工 艺不一样, 有机硅材料烘烤温度较低,时间较短,对芯片的损伤也小;另外, 有机硅材料比环 氧树脂更具有弹性,更能对芯片起到保护作用。图 4 环氧树脂与有机硅材料配粉的白光 L ED 光衰特性 1.2.51.2.5 苯基含量的影响苯基含量的影响 提高 LED 封装材料

16、折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高光量子效率， 封装材料的折射率是一个重要指标，越高越好。硅树脂中苯基含量越大，就越硬，折射率 越高（合成的几乎全苯基的硅树脂折射率可达 1.57），但因热塑性太大，无实际使用价值， 苯基含量一般以 20%50%（质量分数）为宜。实验发现苯基含量为 40%时（质量分数）硅树脂的折射率约 1.51，苯基含量为 50%时硅树脂的折射率大于 1.54，如图 5 所示。所合成的 都是高苯基硅树脂，苯基含量都在 45%以上，其折射率都在 1.53 以上，其中一些可以达到 1.54 以上。图 5 硅树脂的苯基含量（质量分数）与折射率 1.31.3 有机硅封装材料应用原理及分析有机硅封装材料应用原理及分析 有机硅封装材料一般是双组分无色透明的液体状物质，使用时按 A：B=1：1 的比例称量准 确，使用专用设备行星式重力搅拌机搅拌，混合均匀，脱除气泡即可用于点胶封装，然后 将封装后的部件按产品要求加热固化即可。有机硅封装材料的固化原理一般是以含乙烯基的硅树脂做基础聚合物，含 Si