辜信实 黄增彪 佘乃东
(广东生益科技股份有限公司,广东 东莞 523039)
发光二极管(LED)是一种可以将电能直接转换为光能的半导体器件。其特点是节能、环保、使用寿命长。LED是21世纪最具有发展前景的一种新型固体光源,LED的迅速发展和广泛应用,将引发照明领域的一场革命。
近年来,LED的结构也有了变化,由带引脚的结构发展到芯片式结构(Chip-LED),使表面贴装LED成为现实,进一步推动电子产品轻薄短小化。表面贴装型LED是将发光元件直接贴装在PCB的电极上,经树脂封装而成的,其基本结构如图1所示。
图1 芯片式LED基本结构
安装LED的PCB基板,在加工和使用过程中,在热处理和长期光照情况下,由于老化、变色,导致光反射率大幅度下降,影响到电子产品的工作质量和使用寿命。
对芯片式LED而言,传统FR-4覆铜板已很难满足其使用要求。开发一种具有耐热老化和耐光老化性能的新型覆铜板、势在必行!
作为安装芯片式LED的PCB基板,必须具有高耐热性高反射率,而且在热处理和光照条件下,反射率下降幅度越小越好!基本要求如下:
(1)Tg:210℃(DMA)。
(2)反射率要求,见表1。
表1 反射率要求
(3)反射率测试方法:采用柯尼卡美能达(Konica Minolta)分光测色计CM-3600a,测试波长为460 nm,n=5的平均值。样品尺寸:(50×50) mm,蚀刻除铜。
Tg是反映基板随温度升降而产生的一种物理变化。在常温下,基板为刚性的“玻璃态”。
当温度升高到某一个区域时,基板由“玻璃态”转变为“高弹态”,此时的温度称为基板的玻璃化温度(Tg)。换句话说,Tg是基板保持刚性的最高温度(℃)。
基板的Tg取决于树脂的组成。传统FR-4覆铜板一般采用二官能的溴化环氧树脂、并以双氰胺作固化剂,Tg一般在130 ℃左右。近年来,为了提高Tg,业界普遍采用或部分采用多官能的诺伏拉克环氧树脂。由于诺伏拉克环氧树脂结构中含有两个以上的环氧基,固化物交联密度高,有利于Tg的提高,基板的耐热性、耐化性、尺寸稳定性等相应得到改善。环氧树脂的化学结构如图2所示。
图2 环氧树脂的化学结构
在固化剂方面,FR-4一般采用双氰胺。若采用诺伏拉克树脂或三嗪树脂取代双氰胺,效果会更理想。
前面提到,基板在加工和使用过程中,在热处理和长期光照条件下,由于老化、变色,导致反射率大幅度下降,影响到电子产品的工作质量和使用寿命。一般的环氧树脂含有苯环结构,如图2所示。在热或光的作用下,特别是紫外线的作用下,容易老化、变色。
实践证明,为了改善基板的耐热老化和耐光老化性能,采用或部分采用脂环族环氧树脂或带杂环环氧树脂,是一条行之有效的途径。脂环族环氧树脂有二官能树脂和多官能树脂。其化学结构如图3所示。
图3 脂环族环氧树脂的化学结构
脂环族环氧树脂具有良好的耐热性、力学性能及电性能,尤其是高温电性能及耐弧性。由于结构中不含苯环,因而具有优秀的耐紫外线和耐候性。
在树脂中添加钛白粉等白色无机颜料,有利于白度和反射率的提高。
钛白粉,化学名称二氧化钛。分子式为TiO2,外观为白色粉末。钛白粉的耐光性好,具有很强的着色力和遮盖力,与树脂配合后不易粉化,不易变色。钛白粉有金红石型和锐钛型两类产品。其中,金红石型钛白粉具有优秀的耐候性,在大气条件下反射率长期稳定。锐钛型钛白粉具有极优秀的反射率,但耐久性不如金红石型钛白粉。
钛白粉可以单独使用,也可以与其它白色粉料配合使用。
芯片式LED用白色覆铜板制造流程,如图4所示。
图4 覆铜板制造流程
针对芯片式LED对覆铜板特殊要求,特别是在高耐热性和高反射率这两方面,我们采用重点攻关和综合开发的工作方法,在较短的时间内取得了较好的效果。
Tg是耐热性的一项重要指标,但不是唯一的指标。产品的耐热性应体现在Tg、Td、T-300、PCT及耐焊性等技术指标上。换句话说:产品的耐热性是上述各项指标的综合体现。
开发结果表明,制品具有优秀的耐热性。结果如表2所示。为了说明问题,表中并列传统FR-4覆铜板,作平行对比。
表2 制品耐热性
开发品和FR-4,分别在三种不同条件(A态、热处理及紫外线照射)处理后,反射率的变化,如图5~图7所示。
图5 A态的反射率
图6 热老化后的反射率
图7 光老化后的反射率
表3 开发品相关性能
芯片式LED用白色覆铜板的开发,表明了在新品自主开发道路上,我们又迈出了可喜的一步。这类覆铜板的成功开发,不仅填补了国内的空白,同时对国内LED的技术发展和水平提高,将起到积极的推动作用。
鉴于这类覆铜板、业界尚无统一标准,我们希望在新品开发的同时,标准的开发也要同步进行。