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　1 LED用封裝材料的性能要求

　　LED用封裝材料一方面要滿足封裝工藝的要求，另外一方面要滿足LED的工作要求。目前，環(huán)氧樹脂在國內(nèi)封裝材料市場占了較大比例，由于樹脂本身具有優(yōu)異的電絕緣性、密著性、介電性能、透明性，且粘結(jié)性好;同時貯存穩(wěn)定、配方靈活、操作簡便，但是較高的工作溫度和紫外線輻射使環(huán)氧樹脂的透明度嚴重下降，很難滿足大功率LED封裝的要求，許多專家甚至認為，封裝材料和工藝的落后已對LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了瓶頸作用。

　　1.1 封裝工藝對于材料的性能要求

　　為了滿足LED實際裝配的操作工藝的需要，封裝材料要具有合適的粘度、粘結(jié)性和耐溫性，包括：(1)固化前的物理特性、固化后的一般特性。固化前的物理性質(zhì)與操作性相關(guān)，其中粘度與固化特性尤為重要。由于聚合物材料的高膨脹率影響，熱固化后，材料冷卻之產(chǎn)生明顯收縮，導致與周邊材料的界面產(chǎn)生應(yīng)力，繼而引發(fā)剝離、材料出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，所以盡可能低溫固化。(2)表面粘結(jié)性。封裝表面裸露的密封材料具有粘性，會導致密封材料之間相互粘結(jié)，這種無法從選材機上剝離的狀況會導致可操作性的降低。此外，在使用過程中，也會產(chǎn)生粘住灰塵、降低亮度的情況。從耐剝離、耐裂縫性的方面來看，需要較柔軟的封裝材料，但一般情況下，越柔軟的材料粘性越高，因此，需要一種在這兩者之間具有良好平衡性的材料。(3)無鉛逆流性。近年對無鉛焊錫表面處理的要求越來越高，這也表明了對封裝材料的耐熱性要求越來越高。在高溫逆流情況下，會產(chǎn)生因著色、劇烈熱變化引發(fā)的剝離、裂縫、鋼絲斷裂等。

　　1.2 光透過率

　　LED封裝材料對可視光的吸收會導致取光率降低，封裝材料要具有低吸光率、高透明性。相對環(huán)氧樹脂來說，有機硅樹脂透明性更為出色。在紫外光區(qū)有機硅樹脂類封裝材料的透過率可以達到95%以上，使LED器件的光透過率和發(fā)光強度得到大幅提高。

　　1.3 折射率

　　LED芯片與封裝材料之間的折射率的差別會對取光率有很大的影響，因此提高材料的折射率，讓它盡可能地接近LED芯片的折射率，有利于光的透過。一般來說，LED芯片的折射率(/7,=2.2—2.4)遠高于有機硅封裝材料的折射率(/7,=1.41)，當芯片發(fā)光經(jīng)過封裝材料時，會在其界面上發(fā)生全反射效應(yīng)，造成大部分的光線反射回芯片內(nèi)部，無法有效導出，亮度效能直接受損。為解決此問題，必須提高封裝材料的折射率來減小全反射損失。有研究指出，隨著封裝材料折射率的增加，將可使LED亮度獲得增加，就紅光LED器件而言，當封裝材料折射率為1.7時，外部取光效率可提升44%。因此開發(fā)高折射率透明材料以縮小芯片與封裝材料間的折射率差異，其重要性顯而易見。

　　1.4 耐熱老化和耐光老化性能

　　在大功率高亮度LED中，封裝材料不僅會受到很強烈的光照，還受到芯片散熱的影響，因此，封裝材料需要同時具備耐光性和耐熱性。即使長時間暴露在高溫環(huán)境下，密封材料也要求保證不變色、物理性質(zhì)穩(wěn)定。

　　2 功率型LED封裝材料的研究現(xiàn)狀

　　2.1 有機硅/環(huán)氧樹脂封裝材料

　　隨著LED的功率和亮度越來越大，環(huán)氧樹脂耐光、熱老化等方面已經(jīng)很難滿足封裝的要求。 但是環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的介電、粘結(jié)性能，尤其是價格便宜，成本低廉。因此過去一段時間里，研究工作者并沒有放棄使用環(huán)氧樹脂，而是采取了利用有機硅來改性環(huán)氧樹脂的方式來開發(fā)兼具兩種材料優(yōu)點的封裝材料。

　　考慮到LED的芯片發(fā)熱發(fā)光是引起封裝材料老化的主要原因，有的封裝廠家在靠近 片的內(nèi)層使刷有機硅材料，而外層透鏡材料選擇環(huán)氧樹脂、PC、PMMA等。但是實際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂、PC、PMMA耐老化性不夠，與內(nèi)層有機硅材料也存在界面相容性差等問題。

　　有機硅改性環(huán)氧樹脂作封裝材料使用時，材料的韌性和耐高低溫性有明顯改善。有文獻報道將加成型有機硅與環(huán)氧樹脂混合作為封裝材料，以含乙烯基和si一0H基的聚有機硅氧烷與特定結(jié)構(gòu)的環(huán)釩樹脂的混合物作基礎(chǔ)聚合物，加入交聯(lián)劑、催化劑、稀釋劑，配成封裝料用于LED的封裝，經(jīng)耐熱試驗不變色，一40—120 oC冷熱沖擊無剝離及開裂現(xiàn)象發(fā)生，LED發(fā)光效率高。也有采用環(huán)氧改性聚有機 氧烷 環(huán)釩化合物的混合封裝料的報道 ]，由環(huán)氧改性聚有機硅氧烷與脂肪族或脂環(huán)族環(huán)氧化合物混合，垌酸卅作化劑配成的封裝料具有耐uV光老化、耐冷熱沖擊、高透明性、高硬度及與基板粘接性好的特點，詐常適合500 nm以下波長發(fā)光峰的藍色及白色LED的封裝。特定結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂與聚有機硅氧烷配成的I,ED封裝料既可改善環(huán)氧樹脂的耐熱性、耐uV光老化性，又可改善有機硅材料的粘接性、表面粘附性，是值得重視的一個開發(fā)途徑 。

　　日本信越公司利用含硅羥基的硅樹脂、硅油、硅橡膠的混合物與環(huán)氧樹脂一起進行硅氫化反心，經(jīng)過塑成型最終得到70(Shore D)、1.51(nd，25℃)改性樹脂材料，可抗近千次冷熱沖擊數(shù)實驗。

　　美國GE公司專利報道，將先硅烷共水解縮聚得到含羥基的硅樹脂，將硅樹脂再與有機硅改性環(huán)氧樹脂復配，高溫硫化后制備的封裝材料折射率最高可達1.60。該材料(5mm厚度)經(jīng)波長380nm的光波輔射500 h或在150℃下經(jīng)波長400—450 nm的紫外光照射500 h后，透光率仍高于80%。

　　石英粉、單晶硅、鋁粉、鋅粉、玻璃纖維等常用來改善LED封裝料的耐熱性和導熱性。美國專利報道將納米級二氧化硅和納米級球形玻璃粉加人到有機硅改性環(huán)氧樹脂中，制備的封裝材料折射率高達1.56，透光率超過95% ，經(jīng)200次冷熱沖擊后損壞率不超過15%。

　　2.2 有機硅封裝材料

　　大量研究報道雖然證明了有機硅改性可以改善環(huán)氧樹脂封裝料的性能，但有機硅改性材料分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基，對材料耐輻射性能不利，而且存在易黃變的問題。有機硅材料的光學凈度與熱穩(wěn)定性在高亮度和高可靠性的LED應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。有機硅材料正迅速取代環(huán)氧樹脂和其他有機材料，為各種LED的應(yīng)用提供廣泛的灌封材料、透鏡材料、粘結(jié)劑、密封膠以及保護涂層產(chǎn)品。

　　目前市場上的有機硅密封材料分為兩種：高折射率型和普通折射率型有機硅材料，包括凝膠、硅橡膠和硅樹脂。普通折射率型有機硅是以二甲基硅氧烷為主，而高折射率型有機硅足以苯基甲基砘氰烷為主。國際三大硅膠企業(yè)道康寧、邁圖、信越產(chǎn)品以高折射率有機硅封裝材料為主，在國內(nèi)高端市場占據(jù)絕對優(yōu)勢。

　　目前市場上幾家主流的有機硅LED封裝材料供應(yīng)商是日本信越、美國道康寧、邁圖和Nusil科技，他們陸續(xù)推出了折射率超過1.50的硅膠和硅樹脂產(chǎn)品。其中美國道康寧公司研究高分子聚合技術(shù)已有120年歷史，對LED封裝材料的研究處于領(lǐng)先水平，產(chǎn)品種類齊全，市場價格為5000～6000 公斤，高折射率產(chǎn)品主要牌號有：SR7010，OE26336，OE6550，JCR6175等。日本信越公司的產(chǎn)品耐老化性能優(yōu)越，定位更高，市場價格為7000元/公斤，主要牌號有：SCR-1012，KER-2500，LPS-5547等 。邁圖的硅膠可操作性突出，市場價格為5000元/公斤，主打IVS系列產(chǎn)品，牌號有5332，5862，4542，4622等。

　　為了提高封裝材料的折射率，有研究稱 可以使用高折射率含苯基硅氧鏈節(jié)的含氫硅油和鉑系催化劑來配合基礎(chǔ)聚合物進行固化反應(yīng)，不但材料的折射率可以顯著提高，而且材料的機械強度、耐光熱性能也有不同程度的改善。還可以通過提高封裝材料中苯基的質(zhì)量分數(shù)來降低這類有機硅材料的收縮率，提高其耐冷熱循環(huán)沖擊性能、優(yōu)異的機械性能和粘接性能。另外有人將加成型液體硅橡膠通過注塑成型，實驗證明可以降低橡膠材料的收縮率。而對于樹脂材料來說，注塑成型同樣適用，有報道稱制備相同硬度的材料時，注塑成型可以使材料彈性模量提高約3% ，而不影響材料的透光性，并且加入無機填料還能夠有效改善硅橡膠的耐熱性能和耐輻射性能。近來有人針對封裝材料固化周期長，固化溫度高等問題展開研究，在配方中添加感光劑，利用可見光或紫外光照射固化，只需15—20 min即可固化完全，而其它性能不受影響。LED封裝用有機硅材料一般使用鉑催化劑，而鉑催化劑保存時間短，易發(fā)黃，對封裝材料的光透過性能不利，為此有人通過使用含苯基乙烯基的硅氧烷做配體，研究了一種不易變色的鉑催化劑，使用該催化劑制備的硅橡膠封裝材料折射率高，光透過性能超過95%。

　　從目前市場來看，有機硅封裝材料中加成型苯基硅樹脂封裝料用量有明顯增大趨勢，硅樹脂易加工成型、折光指數(shù)高、光透過性能和粘接性能良好，并且耐紫外光和熱老化能力強，增加兩官能度鏈段用量一定程度上還可以改善其抗沖擊能力，可用于LED封裝或者透鏡材料使用。另外利用紫外光來固化硅樹脂 ，也可以得到性能優(yōu)異的封裝材料，尤其是材料的抗變色能力突出，可以用來封裝白色功率型LED。

　　綜合上述國外制備的高折射率LED封裝用有機硅材料不難看出，他們在選擇基礎(chǔ)聚合物時均選擇了含苯基的聚硅氧烷。目前國內(nèi)制備的含苯基聚硅氧烷只能用于生產(chǎn)對其性能要求不高的中低端產(chǎn)品，而高性能含苯基聚硅氧烷仍然依賴進口。正是由于這樣的原因，目前國內(nèi)有關(guān)高折光指數(shù)的有機硅材料的報道不多，但是也逐漸取得了一些進展。

　　中國科學院化學研究所在實驗室已制備出了折光指數(shù)為1.56的硅油;杭州師范大學利用混合環(huán)硅氧烷進行共開環(huán)聚合反應(yīng)，在甲苯溶劑中，4O～80℃陽離子交換樹脂催化，制備得到端基含氫的無色透明硅油，其折光指數(shù)為1.39～1.51(25℃) 。中國科學院化學研究所開發(fā)了有機硅改性環(huán)氧樹脂LED透鏡材料，但是材料的耐紫外光、熱老化性能不如有機硅。近來深圳方大國科光電技術(shù)有限公司報道將復合硅樹脂和硅油混合，利用硅氫加成反應(yīng)來制備的封裝材料透光率可高達98%，在大功率白光LED上取得了較好的應(yīng)用效果。

　　3 結(jié)論

　　隨著對LED器件發(fā)光效率的深入研究，對封裝材料的耐光老化、熱老化、折射率、透光性等提出了新的要求。當前國內(nèi)外LED封裝企業(yè)已經(jīng)開始使用具有出色耐紫外光老化和熱老化性能的透明有機硅材料代替環(huán)氧樹脂作為封裝材料，這類材料已成為國外幾家大公司和研究機構(gòu)的研究和產(chǎn)品開發(fā)熱點。

　　不容置疑，有機硅封裝材料是滿足LED封裝要求的理想選擇，正迅速取代環(huán)氧樹脂和其他有機材料，為各種LED的應(yīng)用提供廣泛的灌封材料、透鏡材料、粘結(jié)劑、密封膠以及保護涂層產(chǎn)品。但是隨著LED產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對亮度、用途、包裝過程、設(shè)計等多樣化發(fā)展的需要產(chǎn)生了對不同硬度、更大折射率封裝材料的需求，同時為了確保包裝后的可靠性，選擇合適硬度、粘結(jié)性的材料也是是非常重要的。目前LED封裝用有機硅材料主要存在以下問題：(1)從有機硅化學結(jié)構(gòu)和組成的角度來看，高折射率化是比較困難的，使用高折射率的超細納米粒子進行改l生將備受關(guān)注。(2)有機硅材料的熱導率較低，為提高其熱導性就必須要提高氧化鋁、銀等高傳導率輔助材料的填充率。但是，只采用現(xiàn)有技術(shù)無法獲得透明性，需要有進一步的技術(shù)突破。(3)與其它LED封裝材料相比，有機硅雖然有很多優(yōu)點，但是它本身不具備較強的機械強度，熱膨脹率較高，為彌補這一缺陷，需要對材料進行改性。以上幾點對有機硅制造業(yè)將是非常嚴峻的挑戰(zhàn)。