led封裝材料主要有環氧樹脂，聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃，有機矽材料等高透明材料。其中聚碳酸脂，聚甲基丙烯酸甲脂，玻璃等用作外層透鏡材料；環氧樹脂，改性環氧樹脂，有機矽材料等，主要作為封裝材料，亦可作為透鏡材料。而高效能有機矽材料將成為高階led封裝材料的封裝方向之一。
下面將主要介紹有機矽封裝材料。
提高led封裝材料折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高光量子效率，封裝材料的折射率是乙個重要指標，越高越好。提高折射率可採用向封裝材料中引入硫元素，引入形式多為硫醚鍵、硫脂鍵等，以環硫形式將硫元素引入聚合物單體，並以環硫基團為反應基團進行聚合則是一種較新的方法。最新的研發動態，也有將奈米無機材料與聚合物體系復合製備封裝材料，還有將金屬絡合物引入到封裝材料，折射率可以達到1.
6-1.8，甚至2.0，這樣不僅可以提高折射率和耐紫外輻射性，還可提高封裝材料的綜合性能。
一、膠水基礎特性
1.1有機矽化合物--聚矽氧烷簡介
有機矽封裝材料主要成分是有機矽化合物。有機矽化合物是指含有si-o鍵、且至少有乙個有機基是直接與矽原子相連的化合物，習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與矽原子相連線的化合物也當作有機矽化合物。其中，以矽氧鍵（-si-0-si-）為骨架組成的聚矽氧烷，是有機矽化合物中為數最多，研究最深、應用最廣的一類，約佔總用量的90%以上。
1.1.1結構
其結構是一類以重複的si-o鍵為主鏈，矽原子上直接連線有機基團的聚合物，其通式為r』---（si r r』 ---o）n--- r」，其中，r、r』、r」代表基團，如甲基，苯基，羥基，h，乙烯基等；n為重複的si-o鍵個數（n不小於2）。
有機矽材料結構的獨特性：
（1） si原子上充足的基團將高能量的聚矽氧烷主鏈遮蔽起來；
（2） c-h無極性，使分子間相互作用力十分微弱；
（3） si-o鍵長較長，si-o-si鍵鍵角大。
（4） si-o鍵是具有50％離子鍵特徵的共價鍵（共價鍵具有方向性，離子鍵無方向性）。
1.1.2效能
由於有機矽獨特的結構，兼備了無機材料與有機材料的效能，具有表面張力低、粘溫係數小、壓縮性高、氣體滲透性高等基本性質，並具有耐高低溫、電氣絕緣、耐氧化穩定性、耐候性、難燃、憎水、耐腐蝕、無毒無味以及生理惰性等優異特性。
耐溫特性：有機矽產品是以矽－氧（si－o）鍵為主鏈結構的，c－c鍵的鍵能為347kj/mol，si－o鍵的鍵能在有機矽中為462kj/mol，所以有機矽產品的熱穩定性高，高溫下（或輻射照射）分子的化學鍵不斷裂、不分解。有機矽不但可耐高溫，而且也耐低溫，可在乙個很寬的溫度範圍內使用。
無論是化學效能還是物理機械效能，隨溫度的變化都很小。
耐候性：有機矽產品的主鏈為－si－o－，無雙鍵存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。有機矽具有比其他高分子材料更好的熱穩定性以及耐輻照和耐候能力。
有機矽中自然環境下的使用壽命可達幾十年。
電氣絕緣性能：有機矽產品都具有良好的電絕緣效能，其介電損耗、耐電壓、耐電弧、耐電暈、體積電阻係數和表面電阻係數等均在絕緣材料中名列前茅，而且它們的電氣效能受溫度和頻率的影響很小。因此，它們是一種穩定的電絕緣材料，被廣泛應用於電子、電氣工業上。
有機矽除了具有優良的耐熱性外，還具有優異的拒水性，這是電氣裝置在濕態條件下使用具有高可靠性的保障。
生理惰性：聚矽氧烷類化合物是已知的最無活性的化合物中的一種。它們十分耐生物老化，與動物體無排異反應，並具有較好的抗凝血效能。
低表面張力和低表面能：有機矽的主鏈十分柔順，其分子間的作用力比碳氫化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氫化合物粘度低，表面張力弱，表面能小，成膜能力強。這種低表面張力和低表面能是它獲得多方面應用的主要原因：
疏水、消泡、泡沫穩定、防粘、潤滑、上光等各項優異效能。
1.1.3有機矽化合物的用途
由於有機矽具有上述這些優異的效能，因此它的應用範圍非常廣泛。它不僅作為航空、尖端技術、軍事技術部門的特種材料使用，而且也用於國民經濟各行業，其應用範圍已擴到：建築、電子電氣、半導體、紡織、汽車、機械、皮革造紙、化工輕工、金屬和油漆、醫藥醫療等行業。
其中有機矽主要起到密封、粘合、潤滑、絕緣、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等功能。
隨著有機矽數量和品種的持續增長，應用領域不斷拓寬，形成化工新材料界獨樹一幟的重要產品體系，許多品種是其他化學品無法替代而又必不可少的。
1.2 led封裝用有機矽材料特性簡介
led封裝用有機矽材料的要求：光學應用材料具有透光率高，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特殊要求，一般甲基型別的矽樹脂25℃時折射率為1.41左右，而苯基型別的矽樹脂折射率要高，可以做到1.
54以上，450 nm波長的透光率要求大於95％。在固化前有適當的流動性，成形好；固化後透明、硬度、強度高，在高濕環境下加熱後能保持透明性。
主要技術指標有：折射率、粘度、透光率、無機離子含量、固化後硬度、線性膨脹係數等等。
1.2.1 材料光學透過率特性
石英玻璃、矽樹脂和環氧樹脂的透過率如圖1 所示。矽樹脂和環氧樹脂先注入模具, 高溫固化後脫模, 形成厚度均勻為5 mm 的樣品。可以看到, 環氧樹脂在可見光範圍具有很高的透過率, 某些波長的透過率甚至超過了95% , 但環氧樹脂在紫外光範圍的吸收損耗較大, 波長小於380 nm 時, 透過率迅速下降。
矽樹脂在可見光範圍透過率接近92%, 在紫外光範圍內要稍低一些, 但在320 nm時仍然高於88%, 表現出很好的紫外光透射性質; 石英玻璃在可見光和紫外
圖1 5 種不同封裝材料的光透過率
光範圍的透過率都接近95%, 是所有材料裡面紫外光透過率最高的。對於紫外led封裝, 石英玻璃具有最高的透過率, 有機矽樹脂次之, 環氧樹脂較差。然而儘管石英玻璃紫外光透過率高, 但是其熱加工溫度高, 並不適用於led芯區的密封, 因此在led封裝工藝中石英玻璃一般僅作為透鏡材料使用。
由於石英玻璃的耐紫外光輻射和耐熱性能已經有很多報道 , 僅對常用於密封led芯區的環氧樹脂和有機矽樹脂的耐紫外光輻射和耐熱性能進行研究。
1.2.2耐紫外光特性
研究了環氧樹脂a 和b 以及有機矽樹脂a 和b 在封裝波長為395 nm和375 nm 的led 晶元時的老化情況, 如圖2所示。實驗中, 每個led的樹脂塗層厚度均為2 mm。可以看到, 環氧樹脂材料耐紫外光輻射效能都較差, 連續工作時, 紫外led輸出光功率迅速衰減, 100 h 後輸出光功率均下降到初始的50% 以下; 200 h 後, led 的輸出光功率已經非常微弱。
對於脂環族的環氧樹脂b, 在375 nm 的紫外光照射下衰減比395 nm時要快, 說明對紫外光波長較為敏感, 由於375 nm的紫外光光子能量較大, 破壞也更為嚴重。雙酚類的環氧樹脂a 在375 nm 和395 nm 的紫外光照射下都迅速衰減, 衰減速度基本一致。儘管雙酚類的環氧樹脂a 在375 nm和395 nm時的光透過率要略高於脂環族類的環氧樹脂b, 但是由於環氧樹脂a 含有苯環結構, 因此在紫外光持續照射時,衰減要比環氧樹脂b 要快。
圖2 環氧樹脂和矽樹脂的紫外老化
儘管雙酚類的環氧樹脂a 在375 nm和395 nm時的光透過率要略高於脂環族類的環氧樹脂b, 但是由於環氧樹脂a 含有苯環結構, 因此在紫外光持續照射時,衰減要比環氧樹脂b 要快。測量老化前後led晶元的光功率, 發現老化後led 的光功率基本上沒有衰減。這說明, 光功率的衰減主要是由紫外光對環氧樹脂的破壞引起的。
環氧樹脂是高分子材料, 在紫外線的照射下, 高分子吸收紫外光子,紫外光子光子能量較大, 能夠開啟高分子間的鍵鏈。因此, 在持續的紫外光照射下, 環氧樹脂的主鏈慢慢被破壞, 導致主鏈降解, 發生了光降解反應, 性質發生了變化。實驗表明, 環氧樹脂不適合用於波長小於380 nm的紫外led晶元的封裝。
相對環氧樹脂, 矽樹脂表現出了良好的耐紫外光特性。經過近1 500 h 老化後, led輸出光功率雖然有不同程度的衰減, 但是仍維持在85%以上, 衰減低於15%。這可能與矽樹脂和環氧樹脂間的結構差異有關。
矽樹脂的主要結構包括si 和o, 主鏈si-o-si 是無機的, 而且具有較高的鍵能; 而環氧樹脂的主鏈主要是c-c 或c-o, 鍵能低於si-o。由於鍵能較高, 矽樹脂的效能相對要穩定。因此, 矽樹脂具有良好的耐紫外光特性。
1.2.3 耐熱性
led 封裝對材料的耐熱性提出了更高的要求。從圖3可以看出, 環氧樹脂和矽樹脂具有較好的承受紫外光輻照的能力。因此, 對其熱穩定性進行了研究。
圖3 表示這兩種材料在高溫老化後mm- 1厚度時透過率隨時間的變化情況。可以看到, 環氧樹脂的耐熱性較差, 經過連續6天的高溫老化後, 各個波長的透過率都發生了較大的衰減, 紫外光範圍的衰減尤其嚴重, 環氧樹脂樣品顏色從最初的清澈透明變成了黃褐色。
圖3 環氧樹脂和矽樹脂的150 e 高溫老化
矽樹脂表現出了優異的耐熱性能。在150 e 的高溫環境下, 經過14 days 的老化後, 可見光範圍的樣品mm- 1厚度時透過率只有稍微的衰減, 在紫外光範圍也僅有少量的衰減, 顏色仍然保持著最初的清澈透明。與環氧樹脂不同, 矽樹脂以si-o-si 鍵為主鏈, 由於si-o 鍵具有較高的鍵能和離子化傾向, 因此具有優良的耐熱性。
1.2.4光衰特性
傳統封裝的超高亮度白光l ed ,配粉膠一般採用環氧樹脂或有機矽材料。如圖4所示,分別用環氧樹脂和有機矽材料配粉進行光衰實驗的結果。可以看出,用有機矽材料配粉的白光l ed 的壽命明顯比環氧樹脂的長很多。
原因之一是用有機矽材料和環氧樹脂配粉的封裝工藝不一樣, 有機矽材料烘烤溫度較低,時間較短,對晶元的損傷也小;另外, 有機矽材料比環氧樹脂更具有彈性,更能對晶元起到保護作用。
圖4 環氧樹脂與有機矽材料配粉的白光l ed 光衰特性
1.2.5 苯基含量的影響
提高led封裝材料折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高光量子效率，封裝材料的折射率是乙個重要指標，越高越好。矽樹脂中苯基含量越大，就越硬，折射率越高（合成的幾乎全苯基的矽樹脂折射率可達1.57），但因熱塑性太大，無實際使用價值，苯基含量一般以20%~50%（質量分數）為宜。
實驗發現苯基含量為40%時（質量分數）矽樹脂的折射率約1.51，苯基含量為50%時矽樹脂的折射率大於1.54，如圖5所示。
所合成的都是高苯基矽樹脂，苯基含量都在45%以上，其折射率都在1.53以上，其中一些可以達到1.54以上。
LED封裝材料基礎知識
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LED封裝材料簡介
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