LED封裝用有機(jī)硅材料的要求：光學(xué)應(yīng)用材料具有透光率高，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特殊要求，一般甲基類型的硅樹脂25℃時(shí)折射率為1.41左右，而苯基類型的硅樹脂折射率要高，可以做到1.54以上，450 nm波長(zhǎng)的透光率要求大于95％。在固化前有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，成形好；固化后透明、硬度、強(qiáng)度高，在高濕環(huán)境下加熱后能保持透明性。

主要技術(shù)指標(biāo)有：折射率、粘度、透光率、無機(jī)離子含量、固化后硬度、線性膨脹系數(shù)等等。

1.2.1 材料光學(xué)透過率特性

石英玻璃、硅樹脂和環(huán)氧樹脂的透過率如圖1 所示。硅樹脂和環(huán)氧樹脂先注入模具, 高溫固化后脫模, 形成厚度均勻?yàn)? mm 的樣品。可以看到, 環(huán)氧樹脂在可見光范圍具有很高的透過率, 某些波長(zhǎng)的透過率甚至超過了95% , 但環(huán)氧樹脂在紫外光范圍的吸收損耗較大, 波長(zhǎng)小于380 nm 時(shí), 透過率迅速下降。硅樹脂在可見光范圍透過率接近92%, 在紫外光范圍內(nèi)要稍低一些, 但在320 nm時(shí)仍然高于88%, 表現(xiàn)出很好的紫外光透射性質(zhì); 石英玻璃在可見光和紫外

光范圍的透過率都接近95%, 是所有材料里面紫外光透過率最高的。對(duì)于紫外LED封裝, 石英玻璃具有最高的透過率, 有機(jī)硅樹脂次之, 環(huán)氧樹脂較差。然而盡管石英玻璃紫外光透過率高, 但是其熱加工溫度高, 并不適用于LED芯區(qū)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。由于石英玻璃的耐紫外光輻射和耐熱性能已經(jīng)有很多報(bào)道 , 僅對(duì)常用于密封LED芯區(qū)的環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅樹脂的耐紫外光輻射和耐熱性能進(jìn)行研究。

1.2.2耐紫外光特性

研究了環(huán)氧樹脂A 和B 以及有機(jī)硅樹脂A 和B 在封裝波長(zhǎng)為395 nm和375 nm 的LED 芯片時(shí)的老化情況, 如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中, 每個(gè)LED的樹脂涂層厚度均為2 mm�？梢钥吹�, 環(huán)氧樹脂材料耐紫外光輻射性能都較差, 連續(xù)工作時(shí), 紫外LED輸出光功率迅速衰減, 100 h 后輸出光功率均下降到初始的50% 以下; 200 h 后, LED 的輸出光功率已經(jīng)非常微弱。對(duì)于脂環(huán)族的環(huán)氧樹脂B, 在375 nm 的紫外光照射下衰減比395 nm時(shí)要快, 說明對(duì)紫外光波長(zhǎng)較為敏感, 由于375 nm的紫外光光子能量較大, 破壞也更為嚴(yán)重。雙酚類的環(huán)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。盡管雙酚類的環(huán)氧樹脂A 在375 nm和395 nm時(shí)的光透過率要略高于脂環(huán)族類的環(huán)氧樹脂B, 但是由于環(huán)氧樹脂A 含有苯環(huán)結(jié)構(gòu), 因此在紫外光持續(xù)照射時(shí),衰減要比環(huán)氧樹脂B 要快。

盡管雙酚類的環(huán)氧樹脂A 在375 nm和395 nm時(shí)的光透過率要略高于脂環(huán)族類的環(huán)氧樹脂B, 但是由于環(huán)氧樹脂A 含有苯環(huán)結(jié)構(gòu), 因此在紫外光持續(xù)照射時(shí),衰減要比環(huán)氧樹脂B 要快。測(cè)量老化前后LED芯片的光功率, 發(fā)現(xiàn)老化后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(duì)環(huán)氧樹脂的破壞引起的。環(huán)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, 能夠打開高分子間的鍵鏈。因此, 在持續(xù)的紫外光照射下, 環(huán)氧樹脂的主鏈慢慢被破壞, 導(dǎo)致主鏈降解, 發(fā)生了光降解反應(yīng), 性質(zhì)發(fā)生了變化。實(shí)驗(yàn)表明, 環(huán)氧樹脂不適合用于波長(zhǎng)小于380 nm的紫外LED芯片的封裝。相對(duì)環(huán)氧樹脂, 硅樹脂表現(xiàn)出了良好的耐紫外光特性。經(jīng)過近1 500 h 老化后, 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, 衰減低于15%。這可能與硅樹脂和環(huán)氧樹脂間的結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。硅樹脂的主要結(jié)構(gòu)包括Si 和O, 主鏈Si-O-Si 是無機(jī)的, 而且具有較高的鍵能; 而環(huán)氧樹脂的主鏈主要是C-C 或C-O, 鍵能低于Si-O。由于鍵能較高, 硅樹脂的性能相對(duì)要穩(wěn)定。因此, 硅樹脂具有良好的耐紫外光特性。

1.2.3 耐熱性

LED 封裝對(duì)材料的耐熱性提出了更高的要求。從圖3可以看出, 環(huán)氧樹脂和硅樹脂具有較好的承受紫外光輻照的能力。因此, 對(duì)其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。圖3 表示這兩種材料在高溫老化后mm- 1厚度時(shí)透過率隨時(shí)間的變化情況�？梢钥吹�, 環(huán)氧樹脂的耐熱性較差, 經(jīng)過連續(xù)6天 的高溫老化后, 各個(gè)波長(zhǎng)的透過率都發(fā)生了較大的衰減, 紫外光范圍的衰減尤其嚴(yán)重, 環(huán)氧樹脂樣品顏色從最初的清澈透明變成了黃褐色。

硅樹脂表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐熱性能。在150 e 的高溫環(huán)境下, 經(jīng)過14 days 的老化后, 可見光范圍的樣品mm- 1厚度時(shí)透過率只有稍微的衰減, 在紫外光范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(huán)氧樹脂不同, 硅樹脂以Si-O-Si 鍵為主鏈, 由于Si-O 鍵具有較高的鍵能和離子化傾向, 因此具有優(yōu)良的耐熱性。

1.2.4光衰特性

傳統(tǒng)封裝的超高亮度白光L ED ,配粉膠一般采用環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅材料。如圖4所示,分別用環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅材料配粉進(jìn)行光衰實(shí)驗(yàn)的結(jié)果�？梢钥闯�,用有機(jī)硅材料配粉的白光L ED 的壽命明顯比環(huán)氧樹脂的長(zhǎng)很多。原因之一是用有機(jī)硅材料和環(huán)氧樹脂配粉的封裝工藝不一樣, 有機(jī)硅材料烘烤溫度較低,時(shí)間較短,對(duì)芯片的損傷也小;另外, 有機(jī)硅材料比環(huán)氧樹脂更具有彈性,更能對(duì)芯片起到保護(hù)作用。

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一個(gè)重要指標(biāo)，越高越好。硅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硅樹脂折射率可達(dá)1.57），但因熱塑性太大，無實(shí)際使用價(jià)值，苯基含量一般以20%~50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為宜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)苯基含量為40%時(shí)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硅樹脂的折射率約1.51，苯基含量為50%時(shí)硅樹脂的折射率大于1.54，如圖5所示。所合成的都是高苯基硅樹脂，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(dá)到1.54以上。