改性纳米粒子(SiO2P95)对LED封装用有机硅橡胶的性能研究(2)
在大功率LED封装材料中，有机硅橡胶由于其自身耐热老化性、低吸水率、耐紫外老化性、高透光率等特点一直拥有着不可替代的地位。但是未经改性或补强的有机硅材料仍存在如折射率低和力学强度低等缺点。纯有机硅材料已经无法满足基于紫外光激发的高功率白光LED的发展[2]。本课题中选用SiO2和P95两种纳米材料与有机硅橡胶进行复合，以提高有机硅材料的折射率、力学强度、耐紫外老化以及导热性能等。
1.2 LED封装用有基硅橡胶纳米复合材料概述
LED封装的主要任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并起到提高取光效率的作用。随着LED芯片及材料技术的突破，LED封装技术也得到了突破性提高。1962年通用电气公司开发出第一种实用的可见光LED，当时采用玻璃管式封装。在以后的几十年间，LED的封装形式发生了重大变化。20世纪90年代出现了引脚式封装，它是最先研发成功投放市场的封装结构，也是LED封装最方便、最经济的解决方案，主要采用环氧树脂作为封装材料，用于电流较小(20~30mA)、功率较低(小于0.1W)的LED的封装；其缺点是封装热阻较大(一般高于100K/W)，寿命较短[3]。2002 年开发出表面贴片封装式LED( SMD－LED)，SMD－LED由于具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高的特点，逐渐被市场接受。随着LED芯片功率进一步提高，出现了单颗芯片功率达到1 W的LED，被称为功率型LED。功率型LED的封装呈现出封装材料新化、封装工艺新型化、封装形式集成化等发展趋势。国外在功率型LED方面的研究成果比较突出，单颗5W系列、Luxeon系列、Norlux系列产品在LED行业具有很强的竞争力。
在迄今的30多年中，90%的LED采用双酚A型环氧树脂封装，这是因为该材料具有透光率高、折射率大、力学性能好、耐腐蚀、电性能优异、成本较低、固化时不产生小分子物质、收缩率低、贮存稳定性好、可室温固化、操作简便等优点[4]；但它固化后交联密度高、内应力大、脆性大、耐冲击性差、使用温度一般不超过150℃，故应用受到一定限制。随着LED的发展，LED能够发出波长更短的光，如蓝光、绿光和基于紫外线的白光。而环氧树脂在短波辐射和热作用下会严重退化，不可避免地发生变黄现象，难以满足新型LED的封装要求[5]。D.L. Barton等人发现，150℃左右环氧树脂的透明度降低，LED光输出减弱，在135~ 145℃范围内树脂严重退化，对LED寿命有重要的影响。在大电流下，散热不良会导致芯片结点温度迅速上升，加速器件光衰，封装材料甚至会碳化，在器件表面形成导电通道，使器件失效。实际应用表明，传统的透明环氧树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯等作为透镜材料时，除耐光老化性、耐温性、耐热冲击性明显不足外，还会出现与内封装材料界面不相容的问题，使LED器件在经过高低温循环实验后，发光效率急剧降低[6]。
有机硅具有优异的热稳定性、耐候性、耐高低温性、高透光性、低吸湿性和绝缘性，这是由于有机硅的主链是由-Si(Me)2-O-通过化学键键链而成，其侧基则通过硅与有机基团相连。聚合物链上既含有“无机结构”，又含有“有机基团”，这种特殊的组成和独特的分子结构使其集无机物的功能与有机物的特性于一身，从而体现出有机硅聚合物所特有的性能。而其特性则主要与有机硅的独特结构有关，如：Si-O键长为0.193nm，比C-C(0.154nm)的长，键对侧基转动的位阻小；Si-O-Si的键角(145°)比C-C-H 及H-C-H(109°)的大，使得Si-O之间容易转动，链段非常柔顺，这些使得有机硅在低温下，也能保持良好的性能，决定了有机硅材料可以在一个很宽的温度范围内工作(-50~250℃) [7]；有机硅主链为Si-O-Si，侧基为甲基朝外排列，聚合物的分子链呈现螺旋状，这种特殊的杂链分子结构赋予了有机硅许多不同于其他聚合物的优异性能，其中一个很重要的性质就是赋予有机硅低的表面能21~22(mN/m)，具有良好的疏水性；聚硅氧烷具有较低的表面张力及柔顺性，能促进溶液经气孔渗透进入材料表皮内部，极大地增大聚合物体系的渗透率；硅原子的电子结构特殊，具有空的d 轨道，决定了硅化物与碳化合物具有不同的成键能力：即硅原子能与π电子或孤对电子形成共轭，从而使Si-O键具有部分双键性质与C-O(344.4kJ/mol)相比其键能(422.5kJ/mol)要大得多[8]。这些特点使有机硅透光率高，热稳定性好，耐紫外光性强，内应力小，吸湿性低，明显优于环氧树脂，成为LED封装材料的理想选择。尤其是随着高亮度长寿命白光LED及无铅回流焊接工艺的出现与发展，有机硅LED封装材料受到国内外研究者的关注, 并成为当前LED封装材料新的发展趋势和研究热点[9]。