Optimal eingebettet - Wacker Chemie AG


Optimal eingebettet

Belastung durch blaues Licht

In einem einzigen Arbeitsgang wird das flüssige Silicon auf die LED aufgetropft. Es bettet den Chip ein und bildet zugleich dessen optische Linse. So trägt LUMISIL® auch zur Vereinfachung von Herstellungsprozessen bei.

In der Praxis werden die Einkapselungsmaterialien simultan durch Hitze und Licht – im Falle weißer Leuchtdioden vor allem durch blaues Licht – belastet. Eine Möglichkeit, den dadurch ausgelösten Alterungsprozess im Labor nachzustellen, bietet der Blue-Flux-Test. Hierbei werden plättchenförmige Prüfkörper der ausgehärteten Vergussmassen bei 85 Grad Celsius mit blauen Leuchtdioden bestrahlt, die mit einer Leistung von fünf Watt betrieben werden. In bestimmten Zeitabständen werden Lichtdurchlässigkeit und Vergilbung der Prüfplättchen gemessen. Tests zeigen, dass LUMISIL® 770 auch nach 1.000 Stunden seine hohe Lichtdurchlässigkeit beibehält. Wie bei jedem Kunststoff sind auch beim Silicon leichte Vergilbungen messbar. Sie sind aber fürs bloße Auge nicht sichtbar und fallen deshalb nicht weiter ins Gewicht.

Auch korrosive Gase lassen Leuchtdioden altern. Besonders auffällig ist dies bei der Einwirkung von Schwefelwasserstoff, der vor allem durch die Abgasbelastung in großen Städten entsteht und für Außenbeleuchtungs-Anwendungen zum Problem werden kann. Im Innern der LED-Packages sind etliche Oberflächen mit Silber beschichtet, damit sie das auftreffende Licht in Richtung zur Vergussmasse reflektieren. Silber läuft aber dunkel an, sobald Schwefelwasserstoff anwesend ist – Spuren des Gases genügen. Ursache ist die Bildung von schwarzem Silbersulfid. Diese Schwefelkorrosion kann so stark sein, dass sie durch die Verkapselung hindurch sichtbar ist. Die Einkapselung soll daher auch als Barriere gegen Schwefelwasserstoff und andere Gase wirken, aus denen sich Schwefelwasserstoff bilden kann.

Der Schwefel-Korrosionstest zeigt, dass die beiden hochbrechenden Silicone eine besonders gute Gas-Barriere darstellen – eine Folge der in der Molekülstruktur vorhandenen Phenylgruppen. „Am besten schneidet LUMISIL® 591 ab“, berichtet Dr. Yang, der das Silicon im Entwicklungszentrum in Seoul umfassenden anwendungstechnischen Tests unterzogen hat. „Die Lichtleistung der mit diesem besonders harten Material verkapselten LEDs nahm im Test am wenigsten mit der Einwirkungsdauer schwefelhaltiger Gase ab.“ Bei diesem Produkt wirke sich zusätzlich die außerordentlich hohe Netzwerkdichte hemmend auf die Gasdiffusion aus.

Bonddrähte gefährdet

ANWENDUNGSBEREICHE

  • Ist eine Leuchtdiode für den Betrieb bei hoher Leistung vorgesehen und soll ihr Lichtstrom maximiert werden, empfiehlt sich wegen der im Betrieb auftretenden hohen Hitze- und Lichtbelastung der Verguss mit LUMISIL® 740 oder LUMISIL® 770.
  • LUMISIL® 740 eignet sich besonders für die Chip-on-Board-Technologie. Ein zusätzliches Plus ist ihr extrem niedriger Gehalt an flüchtigen Komponenten.
  • Steht dagegen ein möglichst hoher Brechungsindex für die Optimierung der Lichtausbeute im Vordergrund, sind LUMISIL® 590 und LUMISIL® 591 die Vergussmassen der Wahl.
  • LUMISIL® 591 ist insbesondere für die Verkapselung von Single-Chip-LEDs maßgeschneidert, wie sie für die Hintergrundbeleuchtung der Displays von Smartphones, Laptops oder Fernsehgeräten benötigt werden. Hier kommt neben dem hohen Brechungsindex auch ihre vorzügliche Barriere-Wirkung gegen schwefelhaltige Gase zum Tragen.

Leuchtdioden müssen auch beständig gegen Temperaturwechsel sein. Besonders im Flugzeug, im Automobil oder in der Straßenbeleuchtung sind sie immer wieder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. Diese können wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verbauten Materialien zu mechanischen Spannungen führen. Besonders gefährdet sind die dünnen Bonddrähte. Ihr Abriss bedeutet, dass die Leuchtdiode sofort ausfällt. Daher misst die LED-Branche der Thermoschockbeständigkeit eine große Bedeutung bei.

Um zu prüfen, inwieweit die neuen Siliconvergussmassen zur Thermoschockbeständigkeit beitragen, wurden LED-Chips mit den neuen Siliconprodukten vergossen und die auf diese Weise hergestellten Packages im branchenüblichen Temperaturwechseltest untersucht. In diesem Test wird die zu untersuchende Leuchtdiode in einer Prüfapparatur im Halbstundentakt immer wieder zügig von –45 auf +125 Grad Celsius aufgeheizt bzw. abgekühlt. Nach etlichen Temperaturzyklen wird geprüft, ob die LED noch leuchtet.

In solchen Tests schnitten LUMISIL® 740, LUMISIL® 770 und LUMISIL® 590 – also die Produkte, deren Vulkanisate eine mittlere Härte erreichen und daher entsprechend flexibel sind – am besten ab: Die mit ihnen verkapselten LEDs verkrafteten über 1.000 Zyklen. „Mit dem sehr harten LUMISIL® 591 (40 Shore D) überlebten die LEDs immerhin 950 Zyklen“, berichtet Entwicklungsingenieur Dr. Yang. „Damit ist das Silicon HRI-Wettbewerbsmaterialien vergleichbarer Härte überlegen.“

Eine weitere Besonderheit von LUMISIL® 740 und LUMISIL® 770 ist ihr äußerst niedriger Gehalt an flüchtigen Substanzen, den WACKER durch eine Vorbehandlung der eingesetzten Rohstoffe erzielt. Die LED-Industrie ist bestrebt, flüchtige Verbindungen zu vermeiden, da diese in ihren Produktionsprozessen Störungen verursachen können. Die beiden neuen normalbrechenden NRI-Silicone bringen hier die größtmögliche Sicherheit.