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当技术变得不再神秘,LED封装领域该如何突围?

2016-01-19 01:22
雷本祖
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  中国是全球最大的LED应用市场,但在高端LED等领域发展相对滞后,产能不足,远远不能满足市场的需求,科锐、飞利浦、欧司朗、京瓷、住友电工、日亚化学等国外品牌厂商长期以来占据着国内高端市场。另外,高端LED材料的核心技术基本掌握在欧美企业手中,国内企业大都处于产业低端,在同国外企业竞争中难占上风。而且,一些领域同质化竞争趋势开始显现,以次充好、恶意降价等扰乱市场秩序的现象更进一步削弱了国内企业的市场竞争能力,从而限制了国内LED材料产业快速发展。

  LED封装材料的不断发展带动了相应封装技术的不断提升。封装材料对LED芯片的功能发挥具有重要的影响,散热不畅或出光率低均会导致芯片的功能失效,故封装材料必须具备热导率高、透光率高、耐热性好及耐UV(紫外光)屏蔽佳等特性。随着白光LED的快速发展,外层封装材料必须在可见光范围内保持高透明性,并对紫外可见光具有较好的吸收(以防止紫外可见光的辐射) 。

  传统的环氧树脂(EP)具有易变黄、内应力大及热稳定性差等缺点,故其不能满足白光LED的封装要求,取而代之的是性能优异的有机硅材料。有机硅封装材料因其结构同时兼有有机基团和无机基团,故其具有优异的热稳定性、耐水性及透光性,并且已成为国内外LED封装材料的重点研究方向;然而,有机硅仍存在着某些缺点(如耐UV老化性欠佳、热导率低等)。近年来,国内外研究者采用纳米技术对有机硅进行改性研究,并受到广泛关注。

  1、POSS改性EP封装材料

  EP是指分子中含有2个或2个以上活性环氧基的高分子化合物,能与胺、酸酐和PF(酚醛树脂)等发生交联反应,形成不溶且具有三维网状交联结构的聚合物 。因此,EP具有优异的粘接性、良好的密封性和低成本等优点,是LED和集成电路等封装用主要材料。然而,随着科技的快速发展,对封装材料的性能要求也越来越高,传统的EP封装材料存在着老化速率快、易变色及材料易脆等弊病,故改性EP封装材料势在必行。

  POSS是由硅、氧元素构成的无机内核和有机外围基团组成的、具有三维立体结构和含有机—无机杂化纳米笼形结构的化合物。与传统无机纳米粒子相比,POSS因分子结构特殊而具有良好的耐热性、结构稳定性及热力学性能,并且POSS分子结构还可根据需要进行“裁剪”与“组装”。因此,采用POSS改性EP,可克服传统EP封装材料的缺点。

  Xiao等首先合成了(3-氧化缩水甘油丙基)二甲基硅氧基POSS和乙烯基环氧环己烷二甲基硅氧基POSS,再与4,4’-二苯基甲烷和四甲基邻苯二甲酸混合后,制成相应的杂化材料。研究表明:随着同化温度的不断升高,POSS改性EP的硬度逐渐降低;虽然在低温时复合材料的热膨胀系数大于双酚A型EP(DGEBA),但其膨胀系数对温度的依赖性较小,并且其热膨胀系数仍然较低,从而能有效改善光稳定性及耐热性。

  Fu等采用含巯丙基的POSS改性EP。研究表明:虽然改性EP的Tg(玻璃化转变温度)有明显降低,但EP的高温光稳定性、耐热性和耐UV老化性明显提高。

  周利寅等以g-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷为基础,采用水解缩聚法制备了与DGEBA相容性较好的环氧倍半硅氧烷(SSQ-EP);然后将SSQ-EP与DGEBA进行杂化,改善了DGEBA耐热性差、易黄变等缺点,并能使DGEBA/SSQ-EP杂化材料保持较高的透光率。研究表明:当m(DGEBA):m(SSQ-EP)=1:1时,杂化材料的综合性能相对最佳(其折射率为1.51、透光率为92.07%且耐热老化性优异)。

  黎学明等将EP与含有环氧基的POSS交联、杂化,制备了环氧聚有机硅倍半硅氧烷(EP/POSS)杂化材料。研究表明:POSS与EP在UV固化过程中经快速原位杂化后形成杂化材料,获得的环氧聚有机硅倍半硅氧烷杂化材料具有透光率高、热膨胀系数小及耐UV老化性好等优点,克服了LED用EP材料柔性差、有机硅改性EP需高温固化等缺点,适用于LED的封装。

  2、有机硅封装材料

  虽然通过POSS可改善EP的耐热性、热稳定性及光稳定性等性能,但由于EP本身含有环氧基团,故其在高温时易被氧化,长期使用后会产生黄变现象,不能满足高性能LED封装材料的使用要求。与EP相比,有机硅材料则具有良好的透明性、耐高低温性、耐候性及疏水性等特点。目前普遍研究的有机硅封装材料主要是加成型硅树脂和加成型硅橡胶两种类型。这是由于其经硫化交联后不产生副产物且硫化物的尺寸较稳定。

  加成型硅树脂封装材料是以含乙烯基的硅树脂作为基础聚合物、含Si-H基的硅树脂或含氢硅油等作为交联剂,在铂催化剂存在下于室温或加热条件下进行交联固化制成。

  Kim等以乙烯基三甲氧基硅烷和二苯基二羟基硅烷等为原料,采用溶胶—凝胶缩合法制备了含氢低聚树脂(混有含苯基和乙烯基的低聚硅氧烷)。研究表明:提纯后的苯基硅树脂在固化反应中表现出低收缩率和高透明度,并且在440℃左右保持良好的热稳定性、较高的折射率,适合作为LED用有机硅封装材料。

  张伟等将乙烯基苯基硅油和含氢硅树脂、乙烯基硅树脂按比例混合后,在铂催化剂作用下进行固化,形成LED封装用有机硅树脂材料。研究表明:该材料具有折射率高(大于1.54)、透明度好、耐热性及热冲击稳定性能优异等特点,适用于LED封装用有机硅树脂材料。

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