实现最优封装 - Wacker Chemie AG


实现最优封装

为了应对日益增长的LED封装胶需求,瓦克开发出了四款新型专用有机硅。这些封装胶专为各种类型的LED灯及其相关生产工艺而定制,可提高LED灯的光视效能,进而提升LED灯的生产成本效益。

为了控制产品质量,技术人员将采用有机硅封装的LED样品放入测试盘中。

发光二极管LED正变得越发强大而高效。如今,白光LED灯的光视效能可达100流明/瓦以上,远远超过任何传统灯具。近几年来,越来越多的传统灯具正被白光LED灯取代,LED照明市场也取得了快速发展。波士顿咨询公司(Boston Consulting Group)开展的一项研究表明,到2020年,每10个零售灯具中,将有6个是LED灯。而在专业灯具领域,这一比例将高达80%。

“我们的材料能够延长LED灯的使用寿命,同时最大限度地提高光视效能。”

Jeong-Han Kim博士 卓越电子中心负责人

不过,LED灯的照明成本仍然相对较高,业界正在努力提高成本效益,从而让客户花的每一分钱都物超所值。“我们的策略包括优化LED技术、开发更快的生产工艺、使用能够延长LED灯使用寿命的先进材料,同时最大限度地提高光视效能。”位于首尔的卓越电子中心(COEE)负责人Jeong-Han Kim博士介绍道。该中心是瓦克下属的一个研发机构,主要负责定制瓦克有机硅产品,以满足东亚地区电子和照明行业的特殊需求。

LED灯的核心部件是发光半导体芯片,它需要采用封装胶进行保护,同时优化外部耦合效率。封装胶通常还用作发光颜料的载体,而发光颜料则用于调节发射光的色彩。封装胶不仅会影响生产周期,也会影响LED灯的质量。

研发在韩国

香港证券交易所的显示屏:选择不同的半导体材料和掺杂元素,能够使LED灯发出许多不同颜色的光。

为了应对日益增长的LED封装胶需求,尤其是适合高效、高亮度白光LED灯的封装胶,瓦克首尔卓越电子中心(COEE)开发出了高品质有机硅封装胶产品组合。该产品组合包括四款新产品:LUMISIL® 590、LUMISIL® 591、LUMISIL® 740和 LUMISIL® 770。它们都是根据现代LED灯的不同设计、应用和工况而定制的。

成型封装

LED是一种适合安装在电路中的电子元件,即LED封装组件。它由半导体芯片以及所有相关的电学、热学、光学和机械元器件组成。目前,有多种不同的LED封装工艺,但无论是哪种工艺,最关键的一步都是敏感芯片的封装。

瓦克首尔卓越电子中心的研发专家开发出LED专用封装材料。

LED在工作期间的温度会变得很高,并会产生越来越多的热量,耗电量也随之升高。芯片释放的热量还会使封装胶的温度显著升高。与此同时,封装胶还暴露在芯片发出的光中。在光、热的共同作用下,封装材料会老化,损伤的速度和程度主要取决于材料的类型。随着老化加剧,封装胶会逐渐变脆,然后失去其保护功能,透明度越来越低,同时还会发生黄变。所有这些因素都会降低光视效能。如果想要延长LED芯片的使用寿命,封装胶必须能够长期承受上述应力。

有机硅因其出色的耐热性、耐温度波动性以及耐光性而闻名,同时还拥有极其出众的耐紫外线辐射性和耐化学品性。“从这一方面而言,有机硅远胜于被广泛用于LED芯片封装的环氧树脂。”瓦克卓越电子中心开发人员Hyun-Kwan Yang博士说道。由于具有良好的柔韧性,有机硅弹性体还可以起到减震和吸收热机械应力的作用。此外,有机硅可以达到极高的透明度,其流动性能也可以根据需要进行调节。“由于这些原因,有机硅在LED封装胶市场所占份额近年来大幅增加。”Yang博士补充道。

无需预处理即可粘合

有机硅透镜的结构

这四款产品均为双组分配方,可通过自动点胶工艺很方便地完成封装操作,从而提高大规模生产的成本效益。它们通过铂催化加成反应在室温条件下固化,形成高度透明的有机硅弹性体。此外,这几款产品都已经经过优化,能够与半导体芯片以及传统反射器和封装壳体基材粘合,而无需进行预处理。

不同牌号产品之间的主要区别在于折射率及其硫化后的硬度。LUMISIL® 590和LUMISIL® 591的折射率为1.53,被称为“高折射率封装胶”,其主要成分为苯基取代聚硅氧烷。LUMISIL® 740和LUMISIL® 770的折射率为1.41,属于典型的传统有机硅,被称作“正常折射率封装胶”。

高交联密度

韩国瓦克研发中心还模拟工业化生产过程(例如通过点胶工艺直接将有机硅滴在LED芯片上),以便找到适合特定应用的有机硅配方。

LUMISIL® 591的特点是硫化胶的交联密度特别高。其硬度为D40,为四种新产品之最。其他三款封装胶的硬度为邵氏A,度数从中到高不等。

有多少光能够从LED芯片进入封装胶取决于折射率。半导体芯片材料的折射率大于2,与封装材料的折射率差异很大,二者之间的界面会阻碍发射光透射。大部分光会因为全内反射效应而被限制在半导体晶体内部。折射率差异越小,即封装胶的折射率越大,能够透射出的光就越多。因此,LUMISIL® 590和LUMISIL® 591是生产高效LED的理想选择。

与苯基取代有机硅相比,正常折射率的有机硅封装胶具有更好的耐热性和耐光性,其脆化和黄变速度非常慢。例如,LUMISIL® 740硫化后可在245 °C下储存1,000个小时而不会发生明显黄变,机械损伤也相对较小,因而是板载多芯片LED封装的理想之选,这种LED由多个高性能LED芯片紧凑地封装并安装在电路板上,无需电气外壳。这种阵列会产生大量热量,其他封装胶可能很快就会出现裂缝。

蓝光引起的应力

液体有机硅只需一步操作即可滴在LED上,在完成芯片封装的同时,还可形成光学透镜。因此,LUMISIL®有助于简化生产流程。

事实上,封装材料同时暴露在光、热下,尤其是白光LED灯芯片发射的蓝光。因此造成的老化过程可在实验室通过蓝光通量测试进行模拟:在85 °C下用5瓦的蓝光LED灯照射圆盘状硫化胶试样。每隔一定的时间,测量测试盘的透光率和黄变程度。测试表明,即使在经过1,000小时之后,LUMISIL® 770仍可保持高透光率。与其他聚合物一样,有机硅中轻微的黄变也是能够检测到的,但通过肉眼很难察觉,可以忽略不计。

腐蚀性气体也会使LED灯老化。硫化氢造成的影响尤其显著,这种气体主要源自大城镇的汽车尾气,会给室外照明设施造成问题。在LED封装组件内部,许多表面都经过镀银处理,这样可将入射光反射至封装胶。但是,如果银与硫化氢相遇,会生成黑色的硫化银,因此即便是微量的硫化氢也会使银层立即失去光泽。这种硫腐蚀现象可能会很严重,甚至透过封装胶层就可以看到。因此,封装胶层还应当能够阻止硫化氢和其他可生成硫化氢的气体进入。

硫腐蚀试验表明,这两款高折射率有机硅都可以形成特别有效的气体阻隔层,这是因为在其分子结构中含有苯基。“LUMISIL® 591表现出最佳的阻隔性能。”Yang博士介绍说。他在首尔卓越电子中心负责对有机硅进行广泛的应用测试。“在测试中,采用这款高硬度材料封装的LED灯,随其与含硫气体接触的时间增加,光输出量降低最少。”他还补充道,这款产品的交联密度极高,对气体的扩散还具有额外的抑制效果。

薄弱环节:键合丝

应用领域

  • 对于大功率和高光通量LED灯,推荐使用LUMISIL® 740或LUMISIL® 770,因为这类LED灯在工作期间要承受高温和高强度光照。
  • LUMISIL® 740特别适用于板载芯片技术。其另一个优点是挥发性有机化合物(VOC)含量极低。
  • 另一方面,如果想要折射率尽可能高,以提高光视效能,LUMISIL® 590和LUMISIL® 591是首选材料。
  • LUMISIL® 591专为封装单芯片LED而定制,比如可用于智能手机、笔记本电脑和电视机的背光显示屏。除了折射率高,这两款产品在上述应用中还有另一大优势:它们对含硫气体具有优异的阻隔效果。

LED灯还必须能够耐受温度变化。在飞机、汽车或街道照明中,它们会一直面临剧烈的温度波动,由于安装材料的热胀冷缩性不同,温度波动会产生机械应力。纤细的键合丝尤其脆弱,一旦断裂,LED灯会立即熄灭。因此,LED行业十分重视材料的抗热冲击性。

为了弄清楚究竟需要使用多少新型有机硅封装胶才能形成足够的抗热冲击性,卓越电子中心的研发团队采用新型有机硅产品封装LED芯片,然后采用行业标准温度循环测试对得到的LED封装组件进行了检验。在测试中,LED灯被置于试验台中,然后以半小时为周期反复迅速冷却至-45 °C,再加热至+125 °C。经过数次热循环之后,再测试LED灯是否还能点亮。

在上述测试中,硫化胶能达到中等硬度、因此相对柔软的LUMISIL® 740、LUMISIL® 770和LUMISIL® 590表现最佳:采用这三款产品封装的LED灯可经受超过1,000次热循环。“采用硬度很高的LUMISIL® 591(邵氏D40)封装时,LED灯也能经受950次热循环。”Yang博士解释道,“因此,有机硅优于具有同等硬度的其他高折射率(HRI)封装材料。”

LUMISIL® 740和LUMISIL® 770的另一个特点是:它们的挥发物含量极低——瓦克是通过对原料进行预处理实现了这一点。LED行业力求避免会对生产工艺造成干扰的挥发性有机化合物。从这一方面来说,这两款新型正常折射率(NRI)有机硅可确保LED灯具有最高的安全性。