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LED封装材料基础知识

Date: 2018-12-26
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LED封装材料主要有环氧树脂,聚碳酸脂,聚甲基丙烯酸甲脂,玻璃,有机硅材料等高透明材料。其中聚碳酸脂,聚甲基丙烯酸甲脂,玻璃等用作外层透镜材料;环氧树脂,改性环氧树脂,有机硅材料等,主要作为封装材料,亦可作为透镜材料。而高性能有机硅材料将成为高端LED封装材料的封装方向之一。下面将主要介绍有机硅封装材料。
提高LED封装材料折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高光量子效率,封装材料的折射率是一个重要指标,越高越好。提高折射率可采用向封装材料中引入硫元素,引入形式多为硫醚键、硫脂键等,以环硫形式将硫元素引入聚合物单体,并以环硫基团为反应基团进行聚合则是一种较新的方法。最新的研发动态,也有将纳米无机材料与聚合物体系复合制备封装材料,还有将金属络合物引入到封装材料,折射率可以达到1.6-1.8,甚至2.0,这样不仅可以提高折射率和耐紫外辐射性,还可提高封装材料的综合性能。


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1.1有机硅化合物--聚硅氧烷简介
有机硅封装材料主要成分是有机硅化合物。有机硅化合物是指含有Si-O键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其中,以硅氧键(-Si-0-Si-)为骨架组成的聚硅氧烷,是有机硅化合物中为数最多,研究最深、应用最广的一类,约占总用量的90%以上。


1.1.1结构
其结构是一类以重复的Si-O键为主链,硅原子上直接连接有机基团的聚合物,其通式为R’---(Si R R’  ---O)n--- R”,其中,R、R’、R”代表基团,如甲基,苯基,羟基,H,乙烯基等;n为重复的Si-O键个数(n不小于2)。
有机硅材料结构的独特性: 
(1) Si原子上充足的基团将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来; 
(2) C-H无极性,使分子间相互作用力十分微弱; 
(3) Si-O键长较长,Si-O-Si键键角大。 
(4) Si-O键是具有50%离子键特征的共价键(共价键具有方向性,离子键无方向性)。 


1.1.2性能
由于有机硅独特的结构,兼备了无机材料与有机材料的性能,具有表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质,并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性。 
耐温特性:有机硅产品是以硅-氧(Si-O)键为主链结构的,C-C键的键能为347kJ/mol,Si-O键的键能在有机硅中为462kJ/mol,所以有机硅产品的热稳定性高,高温下(或辐射照射)分子的化学键不断裂、不分解。有机硅不但可耐高温,而且也耐低温,可在一个很宽的温度范围内使用。无论是化学性能还是物理机械性能,随温度的变化都很小。 
耐候性:有机硅产品的主链为-Si-O-,无双键存在,因此不易被紫外光和臭氧所分解。有机硅具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力。有机硅中自然环境下的使用寿命可达几十年。 
电气绝缘性能:有机硅产品都具有良好的电绝缘性能,其介电损耗、耐电压、耐电弧、耐电晕、体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅,而且它们的电气性能受温度和频率的影响很小。因此,它们是一种稳定的电绝缘材料,被广泛应用于电子、电气工业上。有机硅除了具有优良的耐热性外,还具有优异的拒水性,这是电气设备在湿态条件下使用具有高可靠性的保障。 
生理惰性:聚硅氧烷类化合物是已知的最无活性的化合物中的一种。它们十分耐生物老化,与动物体无排异反应,并具有较好的抗凝血性能。 
低表面张力和低表面能:有机硅的主链十分柔顺,其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多,因此,比同分子量的碳氢化合物粘度低,表面张力弱,表面能小,成膜能力强。这种低表面张力和低表面能是它获得多方面应用的主要原因:疏水、消泡、泡沫稳定、防粘、润滑、上光等各项优异性能。 


1.1.3有机硅化合物的用途
由于有机硅具有上述这些优异的性能,因此它的应用范围非常广泛。它不仅作为航空、尖端技术、军事技术部门的特种材料使用,而且也用于国民经济各行业,其应用范围已扩到:建筑、电子电气、半导体、纺织、汽车、机械、皮革造纸、化工轻工、金属和油漆、医药医疗等行业。
其中有机硅主要起到密封、粘合、润滑、绝缘、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等功能。
随着有机硅数量和品种的持续增长,应用领域不断拓宽,形成化工新材料界独树一帜的重要产品体系,许多品种是其他化学品无法替代而又必不可少的。


1.2 LED封装用有机硅材料特性简介
LED封装用有机硅材料的要求:光学应用材料具有透光率高,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特殊要求,一般甲基类型的硅树脂25℃时折射率为1.41左右,而苯基类型的硅树脂折射率要高,可以做到1.54以上,450 nm波长的透光率要求大于95%。在固化前有适当的流动性,成形好;固化后透明、硬度、强度高,在高湿环境下加热后能保持透明性。
主要技术指标有:折射率、粘度、透光率、无机离子含量、固化后硬度、线性膨胀系数等等。


1.2.1 材料光学透过率特性
硅树脂和环氧树脂先注入模具, 高温固化后脱模, 形成厚度均匀为5 mm 的样品。可以看到, 环氧树脂在可见光范围具有很高的透过率, 某些波长的透过率甚至超过了95%, 但环氧树脂在紫外光范围的吸收损耗较大, 波长小于380 nm 时, 透过率迅速下降。硅树脂在可见光范围透过率接近92%, 在紫外光范围内要稍低一些, 但在320 nm时仍然高于88%, 表现出很好的紫外光透射性质。

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