LED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。

1.2.1 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 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

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。

1.2.2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。

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。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 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。

1.2.3 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。

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子化倾向, 因此具有优良的耐热性。

1.2.4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。

1.2.5 苯基含量的影响

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。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。