功率型LED有機(jī)硅封裝材料的耐老化性能研究*

劉 煜，王浩江，湯勝山，楊育農(nóng)，王 全

(1廣州合成材料研究院有限公司，廣東 廣州 510665;2東莞市貝特利新材料有限公司，廣東 東莞 523143)

功率型LED有機(jī)硅封裝材料的耐老化性能研究*

劉 煜1，王浩江1，湯勝山2，楊育農(nóng)1，王 全2

(1廣州合成材料研究院有限公司，廣東 廣州 510665;2東莞市貝特利新材料有限公司，廣東 東莞 523143)

采用氙燈人工加速老化及熱空氣加速老化的方法，研究了以聚硅氧烷為主要原料制備的用于功率型LED的有機(jī)硅封裝材料的耐熱及耐候性能。結(jié)果表明:制備的樹脂型4265及橡膠型4150兩種有機(jī)硅封裝材料的透光率較高，均在92%左右;二者耐熱老化性能優(yōu)異，適用于功率型發(fā)光二極管(LED)的封裝;相比較而言，樹脂型4265的耐候性能較好，更適合戶外使用。

功率型LED，有機(jī)硅，耐氣候老化，耐熱老化

隨著我國(guó)能源問(wèn)題日益嚴(yán)重和電力資源逐漸匱乏，節(jié)約能源，尤其是提高電力資源的使用效率顯得尤其重要。有資料顯示，當(dāng)前照明所用能耗約占世界總能耗的20%［1］。若用能耗低、壽命長(zhǎng)、安全、環(huán)保的光源取代效率低、耗電量高的傳統(tǒng)光源，無(wú)疑將帶來(lái)一場(chǎng)世界性的照明革命，對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，也是解決目前我國(guó)能源危機(jī)的途徑之一。

半導(dǎo)體照明技術(shù)是提高電力資源使用效率的有效途徑，而發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，以下簡(jiǎn)稱LED)是半導(dǎo)體照明技術(shù)的核心，是一類能直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光元件，其消耗的電能僅為傳統(tǒng)能源的1/10，具有工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、發(fā)光響應(yīng)時(shí)間短、光色純等一系列特性，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

隨著功率型LED制造技術(shù)的不斷完善，其發(fā)光效率、亮度和功率都有了大幅度提高。但是，在制造功率型LED器件的過(guò)程中，除芯片制造技術(shù)、熒光粉制造技術(shù)和散熱技術(shù)外，LED封裝材料的性能對(duì)其發(fā)光效率、亮度以及使用壽命也將產(chǎn)生顯著影響。使用耐熱老化、耐紫外、高折射率和低應(yīng)力的封裝材料可明顯提高照明器件的光輸出功率和使用壽命［2，3］。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂封裝材料因自身存在吸濕性較高、易老化、耐熱性差、高溫和短波光照下易變色等缺陷，大大影響和縮短了LED器件的使用壽命。與環(huán)氧樹脂相比，有機(jī)硅材料則具有良好的透明性、耐高溫性、耐候性、絕緣性和強(qiáng)疏水性等，被認(rèn)為是功率型LED封裝的最佳材料。研制具有高透明度、高折光率、優(yōu)良耐紫外老化和熱老化能力的有機(jī)硅封裝材料并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)功率型LED器件的研制和規(guī)?；a(chǎn)具有十分重要的意義。

本研究主要對(duì)自制的功率型LED有機(jī)硅封裝材料進(jìn)行了研究，該材料是以聚硅氧烷為主要原料制備的，通過(guò)氙燈人工加速老化及熱空氣加速老化對(duì)該封裝材料透光率的影響，來(lái)研究其耐候和耐老化性能，旨在為該有機(jī)硅封裝材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

BQ－4150A/B:雙組份高折射率有機(jī)硅液體灌封膠，自制，折射率1.52(光波長(zhǎng)為633nm);BQ－4265A/B:雙組份高折射率有機(jī)硅液體灌封膠，自制，折射率1.52(光波長(zhǎng)為633nm)。

1.2 設(shè)備和儀器

申光WGT－S透光率/霧度測(cè)定儀，上海精科;CH－B測(cè)厚儀，江蘇省錫山市前洲測(cè)量?jī)x器廠;LHS－X65氙燈人工氣候老化試驗(yàn)箱，廣州合成材料研究院有限公司;GGW－90重力對(duì)流空氣熱老化試驗(yàn)箱，無(wú)錫市錦華試驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

將功率型LED有機(jī)硅封裝材料A、B組份按照1∶1的比例混合均勻，然后抽真空排泡，排出所有氣泡后，注入直徑40mm的圓形模具中，于150℃/1h下固化成型。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

隨著功率型LED制造技術(shù)的不斷完善及向高效化、超高亮度化和全色化的不斷發(fā)展，其發(fā)光效率、亮度和照明功率不斷提高，發(fā)熱現(xiàn)象越發(fā)明顯，對(duì)LED封裝材料的耐熱老化性能的要求也隨之提高。同時(shí)，戶外用LED的不斷增加，使得其暴露在太陽(yáng)光照射下的時(shí)間大大延長(zhǎng)，其封裝材料的耐候性能也面臨巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述情況，同時(shí)考慮到目前實(shí)驗(yàn)室光源中氙燈與太陽(yáng)光譜最為接近，故采用將有機(jī)硅封裝材料分別在重力對(duì)流空氣熱老化箱及氙燈老化箱中進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，測(cè)定不同老化階段下封裝材料的透光率，根據(jù)其變化來(lái)評(píng)價(jià)封裝材料的耐熱老化性能及耐候性能。

1.5 性能測(cè)試

(1)透光率:在溫度23±2℃、濕度50%±10%的條件下，按照GB/T 2410－2008中的方法A(霧度計(jì)法)進(jìn)行測(cè)定，試樣尺寸為φ40mm×1mm，采用光源為C光源;

(2)氙燈人工加速老化試驗(yàn):按照GB/T 16422.2－1999進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度65℃±3℃，相對(duì)濕度(65±5)%;

(3)熱空氣加速老化試驗(yàn):按照GB/T 7141－2008中的方法A(重力對(duì)流式熱老化試驗(yàn)箱)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度150℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)硅封裝材料的耐氣候老化性能

有機(jī)硅封裝材料BQ－4150和BQ－4265氙燈人工加速老化不同時(shí)間下的透光率如圖1所示。

圖1 有機(jī)硅封裝材料4150和4265透光率－氙燈老化時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Light transmittance-xenon lamp aging time curve of 4150 and 4265

從圖1中可以看出，兩種有機(jī)硅封裝材料初始的透光率基本相同，均在92%左右，完全符合功率型LED封裝材料的要求;隨著氙燈老化時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，兩種有機(jī)硅封裝材料的透光率均成下降趨勢(shì)，但樹脂型4265的透光率下降幅度較小，在氙燈老化1200h后透光率為89.5%，在繼續(xù)老化至1500h后透光率不再降低，趨于穩(wěn)定;相比較而言，橡膠型4150封裝材料透光率的降低幅度較大，氙燈老化1500h后透光率為87%，這可能與太陽(yáng)光輻射對(duì)其聚合物結(jié)構(gòu)影響較大有關(guān)，同時(shí)由于樹脂型4265耐氙燈老化性能較好，可認(rèn)為其耐候性能較優(yōu)，更加適合用于戶外用LED的封裝。

2.2 有機(jī)硅封裝材料的耐熱老化性能

圖2 有機(jī)硅封裝材料4150和4265透光率－熱老化時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Light transmittance-heat aging time curve of 4150 and 4265

從圖2中可以看出，兩種有機(jī)硅封裝材料經(jīng)熱老化相同時(shí)間后透光率的數(shù)值幾乎相同，熱老化開始至1200h的過(guò)程中，兩種材料的透光率均略有降低，由老化前的91.5%降至90%，之后再繼續(xù)老化至1500h后透光率幾乎無(wú)變化，趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明熱老化對(duì)兩種有機(jī)硅封裝材料的影響均不大，其可滿足發(fā)熱現(xiàn)象明顯的大功率LED的封裝要求。有機(jī)硅封裝材料良好的耐熱性能與其主鏈Si-O-Si的“無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)”有關(guān)，Si-O鍵的鍵能較高，單純的熱運(yùn)動(dòng)很難使Si-O鍵均裂，因而其具有良好的熱穩(wěn)定性，同時(shí)，Si和O原子的電負(fù)性差異大，鍵的極性大，對(duì)所連烴基起到了屏蔽作用，進(jìn)一步提高了氧化穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)制備的樹脂型4265及橡膠型4150兩種有機(jī)硅封裝材料的透光率較高，均在92%左右;

(2)兩種有機(jī)硅封裝材料的耐熱老化性能優(yōu)異，適用于功率型LED的封裝;

(3)樹脂型4265封裝材料的耐氙燈老化性能較好，即耐候性能較好，更適用于戶外用LED的封裝。

［1］楊雄發(fā)，伍川，董紅，等.LED封裝用有機(jī)硅材料的研究進(jìn)展［J］.有機(jī)硅材料，2009，23(1):47－50.

［2］李炳乾，布良基，范廣涵.芯片鍵合材料對(duì)功率型LED熱阻的影響［J］.半導(dǎo)體光電，2003，24(6):422－424.

［3］吳震，錢可元，韓彥軍，等.高效率、高可靠性紫外LED封裝技術(shù)研究［J］.光電子激光，2007，1:8－12.

Research on Aging Resistance of Power LED Silicone Encapsulation Materials

LIU Yu1，WANG Hao-jiang1，TANG Sheng-shan2，YANG Yu-nong1，WANG Quan2
(1 Guangzhou Research Institute of Synthetic Materials，Guangzhou 510665，Guangdong，China;2 Dongguan Betely New Materials Limited Company，Dongguan 523143，Guangdong，China)

In this paper，the silicone encapsulation materials were prepared by taking polysiloxane as the main raw material.The heat-resistance and weathering-resistance were investigated by means of xenon lamp and hot air artificial accelerated aging.The results show that light transmittance of BQ-4150 and BQ-4265 prepared as silicone encapsulation materials are both about 92%.The BQ-4150 and BQ-4265 own excellent heat-resistance and apply to power Light Emitting Diode(LED)encapsulation.In comparison，the weathering-resistance of BQ-4265 is better than BQ-4150 and more suitable for outdoor.

power LED，silicone，weathering-resistance，heat-resistance

TQ 324.2

2011－12－15

2009粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(2009168203)資助項(xiàng)目