纳米粉体的添加对LED封装性能的影响及其应用研究

童华南，李儆民

(陕西光电科技有限公司，陕西 西安 710000)

纳米粉体的添加对LED封装性能的影响及其应用研究

童华南，李儆民

(陕西光电科技有限公司，陕西 西安 710000)

通过KH560硅烷偶联剂对纳米氧化锆进行表面疏水处理后均匀分散至甲基硅树脂中，以显著提高甲基硅树脂的折光率从而提升复合甲基硅树脂的透光率。将复合甲基硅树脂与高折苯基硅树脂进行透光率的比较以及长期可靠性能的比较。通过实验结果可以得出，掺杂疏水纳米氧化锆的复合甲基硅树脂与高折苯基硅树脂透光率相同，长期可靠性能要明显优于高折苯基硅树脂。

苯基硅树脂；纳米氧化锆；老化性能；透光率

引言

白光LED作为新型的固体光源凭借其绿色节能、发光效率高等特点越来越受到人们的关注[1-3]。白光LED封装是构成LED的重要组成部分，虽然LED封装与其他半导体类封装大致一样，保证芯片不受外界环境影响以及提高导热散热能力等功能。但是LED封装还有更重要的作用是提高出光效率，保证可见光的输出[4]。优异的封装材料一般具备以下几个优点：高透明度、长期对热能和水气的稳定、良好的热稳定性以及高折射率。

目前传统的封装材料为环氧树脂以及有机硅树脂两大类，其中有机硅树脂又分为低折硅树脂和高折硅树脂两大类。环氧树脂由于其具有良好的水气隔离性能以及优异的粘接性能曾经是应用最为广泛的LED封装材料，但其耐紫外线和耐长期老化能力差等缺点渐渐的被市场所淘汰。有机硅材料则具备了透光率高、耐高低温性能优异、耐候性强、大大延长了LED的使用寿命，以及被认为是LED封装的最佳材料[5-7]。按照折射率可以把有机硅树脂分为低折硅树脂(1.41)和高折硅树脂(1.53)两类，由于折射率越高的材料出光效率也越高，于是高折硅树脂能够得到更高的封装光效。低折硅树脂的主要是甲基型硅材料，高折硅树脂则主要由苯基型硅材料组成。但由于苯基在长期老化后会有发黄的现象再加上价格也较甲基型硅树脂高，在一定范围里限制了其应用。目前通过引进高折射率的无机氧化物微粒而制备的无机超微颗粒复合型有机硅LED封装材料，具有折射率高、耐长期老化能力强、抗紫外辐射型强等优点。纳米氧化锌、氧化钛均被引入到硅树脂来提升封装胶的折射率，纳米氧化锆的引入除了可以提升封装胶的折射率之外还能一定程度上降低LED封装的结温，延长LED的使用寿命。在纳米二氧化锆的表面进行有机改性后能够增强其亲油性，使其稳定均匀分散在硅树脂中，提升了硅树脂的折射率和透光率[8-9]。

本文用硅烷偶联剂对纳米二氧化锆进行表面修饰，使其均匀分散在低折硅树脂中，并选取不同粒径的纳米二氧化锆研究其对复合硅树脂折射率以及透光率的提升，并对其进行大电流老化测试。

1 实验部分

1.1 主要原材料及仪器

低折甲基封装胶：型号OE-6370M、道康宁；高折苯基封转胶：型号OE-6630道康宁；纳米氧化锆，粒径0.4 μm，99.99%纯度，阿拉丁试剂；硅烷偶联剂KH560：国药集团；无水乙醇：分析纯；

真空烘箱: DZF-6050 型, 上海一恒科技股份有限公司；KQ2200DE型数控超声波清洗器；Zk82B型电热真空干燥箱；

1.2 疏水性纳米氧化锆的制备

称取250 ml无水乙醇为溶剂，将25g纳米氧化锆，一同放入250 ml三颈烧瓶中进行超声分散30 min，将分散均匀的三颈烧瓶放入水浴锅中后，装上回流冷凝装置，慢慢滴入HCI调节溶液pH值3～4，慢慢加入0.5 g KH560硅烷偶联剂。80 °C搅拌60 min后抽滤、甲苯洗涤，60 °C真空干燥24 h。

1.3 复合低折封装胶的制备

将低折硅树脂OE-6370与疏水性纳米氧化锆按照各种的比例高速均匀搅拌60 min，搅拌均匀后真空除泡。制成各种比例的复合低折封装胶。

2 结果与讨论

2.1 添加疏水性纳米氧化锆后对低折硅树脂性能的影响

纳米氧化锆的添加量对树脂性能的影响如表1，当纳米粉体添加量为2%以下时，复合低折硅树脂的透光率与高折硅树脂相当，随着纳米粉体的添加，复合硅树脂的折射率会适当增长，但当达到1.56后继续添加纳米粉体折射率也不会增加。当添加量超过2%时，复合硅树脂的透光率会持续下降。

表1 纳米氧化锆的添加量对树脂性能的影响

2.2 复合低折封装胶与高折封装胶老化性能对比

将掺杂2%疏水性纳米氧化锆的低折复合硅树脂与高折硅树脂进行大电流老化对比，在相同的芯片、荧光粉、支架的情况下，用双倍于额定电流的加速老化条件下，在700 h时，高折硅树脂与复合低折硅树脂的光衰大致相同。在700h之后复合低折硅树脂的光衰明显要优于高折硅树脂，具体情况如图1所示。

图1 掺杂2%疏水性纳米氧化锆的低折复合硅树脂与OE-6630老化性能对比Fig.1 Doped with 2% low discount of hydrophobic nano zireonia composite silicone compared with OE-6630 aging performance

2.3 复合低折封装胶与高折封装胶冷热冲击试验结果对比

掺杂2%疏水性纳米氧化锆的低折复合硅树脂与高折硅树脂的5050灯珠各取200颗放置冷热冲击试验箱中，从室温状态上升至120℃停留30 min,然后将至-40℃停留30 min。以此为一个回合，进行200次冷热冲击试验，复合甲基硅树脂的死灯率要比高折硅树脂高5%。主要原因是由于复合甲基硅树脂的交联密度低于高折硅树脂，在冷热冲击的过程中对于胶体内应力的释放复合甲基硅树脂要优于高折硅树脂，具体情况如图2所示。

图2 掺杂2%疏水性纳米氧化锆的低折复合硅树脂与OE-6630冷热冲击死灯率比较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 结论

1)经过疏水性处理的纳米氧化锆粉体加入到甲基硅树脂中后，添加量在4%以下时增稠效果不明显，粘度增加缓慢；当添加量到2%复合甲基硅树脂的透光率与高折硅树脂透光率相当。当粉体添加量大于2%时，复合甲基硅树脂的透光率会低于高折硅树脂。

2)复合甲基硅树脂与高折硅树脂在进行大电流老化对比试验时，700 h之前复合甲基硅树脂的光衰与高折硅树脂光衰基本持平，在700 h之后复合甲基硅树脂的光衰要明显优于高折硅树脂。

3)复合甲基硅树脂的内应力的释放要优于高折硅树脂，在实际使用中主要体现在灯珠在进行冷热冲击实验时，使用复合甲基硅树脂的灯珠死灯率要明显优于使用高折硅树脂的灯珠，从而提升了产品的可靠性。

[1] LI H. T., HSU C. W. CHEN K.C. Enhancement of Light Efficiency of LED using a Novel High Refractive Encapsulant[C]//58th IEEE Electron. Compon. Technol. Conf. 2008: 1926-1930.

[2] MING T L, SHANG P Y, MING Y L, et al. High power LED package with vertical structure [J]. Microelectron Reliab, 2012, 52:878-883.

[3] CHEN I Y, GUO M Z, YANG K S, et al. Enhanced cooling for LED lighting using ionic wind [J]. Int J Heat Mass Transfer, 2013, 57:285-291.

[4] 方沅蓉,王景鹤.导热硅橡胶的研究进展[J].有机硅材料,2008,22(2):100-104.

[5] ZHOU Y., TRAN N., LIN Y. C., et al. Onecomponent,Low-temperature, and Fast Cure Epoxy Encapsulant with High Refractive Index for LED Applications[J]. IEEE Trans. Adv. Packag, 2008, 31 (3):484-489.

[6] OKUNO A, MIYAWAKI Y, Oyama N, et al. Unique white LED packaging systems[J]. Electronic Materials and Packaging, 2006, 16(3): 1-5.

[7] NORRIS A W, BAHADUR M,YOSHITAKE M,et al, Novel silicone materials for LED packaging[J]. Pro Spie, 2005,19(12):1-8.

[8] WHITAKER T. Osram Improves Red, Green LED Performance(2010).

[9] CHEN C W, YANG X S, CHIANG A S T. An AQUE OUS process for the production of fully dispersible t-ZrO2nano crystals[J].Taiwan Inst Chem Eng,2009,40:296-301.

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