納米粉體的添加對LED封裝性能的影響及其應用研究

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LED封裝性能的影響及其應用研究

童華南，李儆民

(陜西光電科技有限公司，陜西 西安 710000)

通過KH560硅烷偶聯劑對納米氧化鋯進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合甲基硅樹脂的透光率。將復合甲基硅樹脂與高折苯基硅樹脂進行透光率的比較以及長期可靠性能的比較。通過實驗結果可以得出，摻雜疏水納米氧化鋯的復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能、發光效率高等特點越來越受到人們的關注[1-3]。白光LED封裝是構成LED的重要組成部分，雖然LED封裝與其他半導體類封裝大致一樣，保證芯片不受外界環境影響以及提高導熱散熱能力等功能。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]。優異的封裝材料一般具備以下幾個優點：高透明度、長期對熱能和水氣的穩定、良好的熱穩定性以及高折射率。

目前傳統的封裝材料為環氧樹脂以及有機硅樹脂兩大類，其中有機硅樹脂又分為低折硅樹脂和高折硅樹脂兩大類。環氧樹脂由于其具有良好的水氣隔離性能以及優異的粘接性能曾經是應用最為廣泛的LED封裝材料，但其耐紫外線和耐長期老化能力差等缺點漸漸的被市場所淘汰。有機硅材料則具備了透光率高、耐高低溫性能優異、耐候性強、大大延長了LED的使用壽命，以及被認為是LED封裝的最佳材料[5-7]。按照折射率可以把有機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有發黃的現象再加上價格也較甲基型硅樹脂高，在一定范圍里限制了其應用。目前通過引進高折射率的無機氧化物微粒而制備的無機超微顆粒復合型有機硅LED封裝材料，具有折射率高、耐長期老化能力強、抗紫外輻射型強等優點。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封裝的結溫，延長LED的使用壽命。在納米二氧化鋯的表面進行有機改性后能夠增強其親油性，使其穩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]。

本文用硅烷偶聯劑對納米二氧化鋯進行表面修飾，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復合硅樹脂折射率以及透光率的提升，并對其進行大電流老化測試。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及儀器

低折甲基封裝膠：型號OE-6370M、道康寧；高折苯基封轉膠：型號OE-6630道康寧；納米氧化鋯，粒徑0.4 μm，99.99%純度，阿拉丁試劑；硅烷偶聯劑KH560：國藥集團；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調節溶液pH值3～4，慢慢加入0.5 g KH560硅烷偶聯劑。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。制成各種比例的復合低折封裝膠。

2 結果與討論

2.1 添加疏水性納米氧化鋯后對低折硅樹脂性能的影響

納米氧化鋯的添加量對樹脂性能的影響如表1，當納米粉體添加量為2%以下時，復合低折硅樹脂的透光率與高折硅樹脂相當，隨著納米粉體的添加，復合硅樹脂的折射率會適當增長，但當達到1.56后繼續添加納米粉體折射率也不會增加。當添加量超過2%時，復合硅樹脂的透光率會持續下降。

表1 納米氧化鋯的添加量對樹脂性能的影響

2.2 復合低折封裝膠與高折封裝膠老化性能對比

將摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復合硅樹脂與高折硅樹脂進行大電流老化對比，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，高折硅樹脂與復合低折硅樹脂的光衰大致相同。在700h之后復合低折硅樹脂的光衰明顯要優于高折硅樹脂，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合硅樹脂與OE-6630老化性能對比Fig.1 Doped with 2% low discount of hydrophobic nano zireonia composite silicone compared with OE-6630 aging performance

2.3 復合低折封裝膠與高折封裝膠冷熱沖擊試驗結果對比

摻雜2%疏水性納米氧化鋯的低折復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箱中，從室溫狀態上升至120℃停留30 min,然后將至-40℃停留30 min。以此為一個回合，進行200次冷熱沖擊試驗，復合甲基硅樹脂的死燈率要比高折硅樹脂高5%。主要原因是由于復合甲基硅樹脂的交聯密度低于高折硅樹脂，在冷熱沖擊的過程中對于膠體內應力的釋放復合甲基硅樹脂要優于高折硅樹脂，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 結論

1)經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%以下時增稠效果不明顯，粘度增加緩慢；當添加量到2%復合甲基硅樹脂的透光率與高折硅樹脂透光率相當。當粉體添加量大于2%時，復合甲基硅樹脂的透光率會低于高折硅樹脂。

2)復合甲基硅樹脂與高折硅樹脂在進行大電流老化對比試驗時，700 h之前復合甲基硅樹脂的光衰與高折硅樹脂光衰基本持平，在700 h之后復合甲基硅樹脂的光衰要明顯優于高折硅樹脂。

3)復合甲基硅樹脂的內應力的釋放要優于高折硅樹脂，在實際使用中主要體現在燈珠在進行冷熱沖擊實驗時，使用復合甲基硅樹脂的燈珠死燈率要明顯優于使用高折硅樹脂的燈珠，從而提升了產品的可靠性。

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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