納米粉體的添加對(duì)LED封裝性能的影響及其應(yīng)用研究

童華南，李儆民

(陜西光電科技有限公司，陜西 西安 710000)

納米粉體的添加對(duì)LED封裝性能的影響及其應(yīng)用研究

童華南，李儆民

(陜西光電科技有限公司，陜西 西安 710000)

通過KH560硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米氧化鋯進(jìn)行表面疏水處理后均勻分散至甲基硅樹脂中，以顯著提高甲基硅樹脂的折光率從而提升復(fù)合甲基硅樹脂的透光率。將復(fù)合甲基硅樹脂與高折苯基硅樹脂進(jìn)行透光率的比較以及長期可靠性能的比較。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，摻雜疏水納米氧化鋯的復(fù)合甲基硅樹脂與高折苯基硅樹脂透光率相同，長期可靠性能要明顯優(yōu)于高折苯基硅樹脂。

苯基硅樹脂；納米氧化鋯；老化性能；透光率

引言

白光LED作為新型的固體光源憑借其綠色節(jié)能、發(fā)光效率高等特點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。白光LED封裝是構(gòu)成LED的重要組成部分，雖然LED封裝與其他半導(dǎo)體類封裝大致一樣，保證芯片不受外界環(huán)境影響以及提高導(dǎo)熱散熱能力等功能。但是LED封裝還有更重要的作用是提高出光效率，保證可見光的輸出[4]。優(yōu)異的封裝材料一般具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：高透明度、長期對(duì)熱能和水氣的穩(wěn)定、良好的熱穩(wěn)定性以及高折射率。

目前傳統(tǒng)的封裝材料為環(huán)氧樹脂以及有機(jī)硅樹脂兩大類，其中有機(jī)硅樹脂又分為低折硅樹脂和高折硅樹脂兩大類。環(huán)氧樹脂由于其具有良好的水氣隔離性能以及優(yōu)異的粘接性能曾經(jīng)是應(yīng)用最為廣泛的LED封裝材料，但其耐紫外線和耐長期老化能力差等缺點(diǎn)漸漸的被市場(chǎng)所淘汰。有機(jī)硅材料則具備了透光率高、耐高低溫性能優(yōu)異、耐候性強(qiáng)、大大延長了LED的使用壽命，以及被認(rèn)為是LED封裝的最佳材料[5-7]。按照折射率可以把有機(jī)硅樹脂分為低折硅樹脂(1.41)和高折硅樹脂(1.53)兩類，由于折射率越高的材料出光效率也越高，于是高折硅樹脂能夠得到更高的封裝光效。低折硅樹脂的主要是甲基型硅材料，高折硅樹脂則主要由苯基型硅材料組成。但由于苯基在長期老化后會(huì)有發(fā)黃的現(xiàn)象再加上價(jià)格也較甲基型硅樹脂高，在一定范圍里限制了其應(yīng)用。目前通過引進(jìn)高折射率的無機(jī)氧化物微粒而制備的無機(jī)超微顆粒復(fù)合型有機(jī)硅LED封裝材料，具有折射率高、耐長期老化能力強(qiáng)、抗紫外輻射型強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。納米氧化鋅、氧化鈦均被引入到硅樹脂來提升封裝膠的折射率，納米氧化鋯的引入除了可以提升封裝膠的折射率之外還能一定程度上降低LED封裝的結(jié)溫，延長LED的使用壽命。在納米二氧化鋯的表面進(jìn)行有機(jī)改性后能夠增強(qiáng)其親油性，使其穩(wěn)定均勻分散在硅樹脂中，提升了硅樹脂的折射率和透光率[8-9]。

本文用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米二氧化鋯進(jìn)行表面修飾，使其均勻分散在低折硅樹脂中，并選取不同粒徑的納米二氧化鋯研究其對(duì)復(fù)合硅樹脂折射率以及透光率的提升，并對(duì)其進(jìn)行大電流老化測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料及儀器

低折甲基封裝膠：型號(hào)OE-6370M、道康寧；高折苯基封轉(zhuǎn)膠：型號(hào)OE-6630道康寧；納米氧化鋯，粒徑0.4 μm，99.99%純度，阿拉丁試劑；硅烷偶聯(lián)劑KH560：國藥集團(tuán)；無水乙醇：分析純；

真空烘箱: DZF-6050 型, 上海一恒科技股份有限公司；KQ2200DE型數(shù)控超聲波清洗器；Zk82B型電熱真空干燥箱；

1.2 疏水性納米氧化鋯的制備

稱取250 ml無水乙醇為溶劑，將25g納米氧化鋯，一同放入250 ml三頸燒瓶中進(jìn)行超聲分散30 min，將分散均勻的三頸燒瓶放入水浴鍋中后，裝上回流冷凝裝置，慢慢滴入HCI調(diào)節(jié)溶液pH值3～4，慢慢加入0.5 g KH560硅烷偶聯(lián)劑。80 °C攪拌60 min后抽濾、甲苯洗滌，60 °C真空干燥24 h。

1.3 復(fù)合低折封裝膠的制備

將低折硅樹脂OE-6370與疏水性納米氧化鋯按照各種的比例高速均勻攪拌60 min，攪拌均勻后真空除泡。制成各種比例的復(fù)合低折封裝膠。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加疏水性納米氧化鋯后對(duì)低折硅樹脂性能的影響

納米氧化鋯的添加量對(duì)樹脂性能的影響如表1，當(dāng)納米粉體添加量為2%以下時(shí)，復(fù)合低折硅樹脂的透光率與高折硅樹脂相當(dāng)，隨著納米粉體的添加，復(fù)合硅樹脂的折射率會(huì)適當(dāng)增長，但當(dāng)達(dá)到1.56后繼續(xù)添加納米粉體折射率也不會(huì)增加。當(dāng)添加量超過2%時(shí)，復(fù)合硅樹脂的透光率會(huì)持續(xù)下降。

表1 納米氧化鋯的添加量對(duì)樹脂性能的影響

2.2 復(fù)合低折封裝膠與高折封裝膠老化性能對(duì)比

將摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復(fù)合硅樹脂與高折硅樹脂進(jìn)行大電流老化對(duì)比，在相同的芯片、熒光粉、支架的情況下，用雙倍于額定電流的加速老化條件下，在700 h時(shí)，高折硅樹脂與復(fù)合低折硅樹脂的光衰大致相同。在700h之后復(fù)合低折硅樹脂的光衰明顯要優(yōu)于高折硅樹脂，具體情況如圖1所示。

圖1 摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復(fù)合硅樹脂與OE-6630老化性能對(duì)比Fig.1 Doped with 2% low discount of hydrophobic nano zireonia composite silicone compared with OE-6630 aging performance

2.3 復(fù)合低折封裝膠與高折封裝膠冷熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復(fù)合硅樹脂與高折硅樹脂的5050燈珠各取200顆放置冷熱沖擊試驗(yàn)箱中，從室溫狀態(tài)上升至120℃停留30 min,然后將至-40℃停留30 min。以此為一個(gè)回合，進(jìn)行200次冷熱沖擊試驗(yàn)，復(fù)合甲基硅樹脂的死燈率要比高折硅樹脂高5%。主要原因是由于復(fù)合甲基硅樹脂的交聯(lián)密度低于高折硅樹脂，在冷熱沖擊的過程中對(duì)于膠體內(nèi)應(yīng)力的釋放復(fù)合甲基硅樹脂要優(yōu)于高折硅樹脂，具體情況如圖2所示。

圖2 摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復(fù)合硅樹脂與OE-6630冷熱沖擊死燈率比較Fig.2 Doped with 2% low discount of hydrophobic nano zirconia composite silicone compared with OE-6630 for the death rate of light in thermal shock test

3 結(jié)論

1)經(jīng)過疏水性處理的納米氧化鋯粉體加入到甲基硅樹脂中后，添加量在4%以下時(shí)增稠效果不明顯，粘度增加緩慢；當(dāng)添加量到2%復(fù)合甲基硅樹脂的透光率與高折硅樹脂透光率相當(dāng)。當(dāng)粉體添加量大于2%時(shí)，復(fù)合甲基硅樹脂的透光率會(huì)低于高折硅樹脂。

2)復(fù)合甲基硅樹脂與高折硅樹脂在進(jìn)行大電流老化對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，700 h之前復(fù)合甲基硅樹脂的光衰與高折硅樹脂光衰基本持平，在700 h之后復(fù)合甲基硅樹脂的光衰要明顯優(yōu)于高折硅樹脂。

3)復(fù)合甲基硅樹脂的內(nèi)應(yīng)力的釋放要優(yōu)于高折硅樹脂，在實(shí)際使用中主要體現(xiàn)在燈珠在進(jìn)行冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用復(fù)合甲基硅樹脂的燈珠死燈率要明顯優(yōu)于使用高折硅樹脂的燈珠，從而提升了產(chǎn)品的可靠性。

[1] LI H. T., HSU C. W. CHEN K.C. Enhancement of Light Efficiency of LED using a Novel High Refractive Encapsulant[C]//58th IEEE Electron. Compon. Technol. Conf. 2008: 1926-1930.

[2] MING T L, SHANG P Y, MING Y L, et al. High power LED package with vertical structure [J]. Microelectron Reliab, 2012, 52:878-883.

[3] CHEN I Y, GUO M Z, YANG K S, et al. Enhanced cooling for LED lighting using ionic wind [J]. Int J Heat Mass Transfer, 2013, 57:285-291.

[4] 方沅蓉,王景鶴.導(dǎo)熱硅橡膠的研究進(jìn)展[J].有機(jī)硅材料,2008,22(2):100-104.

[5] ZHOU Y., TRAN N., LIN Y. C., et al. Onecomponent,Low-temperature, and Fast Cure Epoxy Encapsulant with High Refractive Index for LED Applications[J]. IEEE Trans. Adv. Packag, 2008, 31 (3):484-489.

[6] OKUNO A, MIYAWAKI Y, Oyama N, et al. Unique white LED packaging systems[J]. Electronic Materials and Packaging, 2006, 16(3): 1-5.

[7] NORRIS A W, BAHADUR M,YOSHITAKE M,et al, Novel silicone materials for LED packaging[J]. Pro Spie, 2005,19(12):1-8.

[8] WHITAKER T. Osram Improves Red, Green LED Performance(2010).

[9] CHEN C W, YANG X S, CHIANG A S T. An AQUE OUS process for the production of fully dispersible t-ZrO2nano crystals[J].Taiwan Inst Chem Eng,2009,40:296-301.

Application Research and Influence of Nanometer Powder Modified LED Packaging

TONG Huanan, LI Jingmin

(Shanxi Photoelectric Technology Co., LTD，Xi’an 710000, China)

Nanometre ZrO2is evenly dispersed in phenyl silicone resin after hydrophobic treatment by silane coupling agent KH560, so as to increase the methyl silicone resin encapsulation efficiency and yield of light significantly by raising the refractive index of methyl silicone resin. After processing nanometer ZrO2phenyl silicone resin as the packaging material of the production of LED packaging components, its long term reliability is analyzed comparing with phenyl silicone resin. The results show that the modified methyl silicone reaches the similar uniform encapsulation efficiency with phenyl silicone resin but it has a better long term reliability than phenyl silicone resin.

phenyl silicone resins；nanometer zirconia；long term reliability；light transmittance

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.017