Optimal eingebettet - Wacker Chemie AG


Optimal eingebettet

Auf die steigende Nachfrage nach Einbettungsmaterialien für Leuchtdioden reagiert WACKER mit einem Portfolio von vier neuen Spezialsiliconen. Diese Vergussmassen sind auf die unterschiedlichen LED-Typen und ihre Produktionsprozesse abgestimmt. So können sie die Lichtausbeute der LED und die Kosteneffizienz bei deren Herstellung erhöhen.

Eine mit Silicon vergossene LED wird zur Qualitätskontrolle entnommen und in ein Probeschälchen gelegt.

Leuchtdioden – kurz LEDs genannt – werden immer leistungsfähiger und effizienter. Weiße Leuchtdioden können heute aus einem Watt elektrischer Leistung einen Lichtstrom von weit über 100 Lumen erzeugen. Mit diesen Lichtausbeuten übertrumpfen sie alle traditionellen Lampen. Seit einigen Jahren ersetzen weiße Leuchtdioden zunehmend herkömmliche Leuchtmittel – entsprechend stark wächst der Markt. Laut einer Studie der Boston Consulting Group werden im Jahr 2020 sechs von zehn Leuchtmitteln, die über den Ladentisch gehen, Leuchtdioden sein. Bei professionellen Leuchtmitteln liegt der Anteil sogar bei 80 Prozent.

„Mit unseren Materialien wollen wir Leuchtdioden neben einer möglichst hohen Lichtausbeute eine lange Lebensdauer verleihen.“

Dr. Jeong-Han Kim Leiter des Center of Electronics Excellence

Leuchtmittel auf LED-Basis sind jedoch immer noch relativ teuer. Daher ist die Industrie bestrebt, die Kosteneffizienz weiter zu steigern – sie will ihren Kunden letztendlich mehr Lumen pro Dollar anbieten. „Wege zu diesem Ziel sind die Optimierung des technischen Aufbaus der Leuchtdioden, schnellere Produktionsverfahren und der Einsatz von Materialien, die den Leuchtdioden neben einer möglichst hohen Lichtausbeute eine lange Lebensdauer verleihen“, betont Dr. Jeong-Han Kim, der Leiter des Center of Electronics Excellence in Seoul. In dieser konzerneigenen Forschungsrichtung werden die von WACKER hergestellten Silicone fit gemacht für die Bedürfnisse der ostasiatischen Elektronik- und Leuchtmittelindustrie.

Herz einer Leuchtdiode ist der lichtemittierende Halbleiterchip. Zu seinem Schutz und zur Optimierung der Lichtauskopplung wird der Chip verkapselt. Oftmals dient die dazu verwendete Vergussmasse zugleich als Träger für Lumineszenzfarbstoffe, mit denen die Farbe des abgestrahlten Lichts gezielt eingestellt werden kann. Die Vergussmasse beeinflusst sowohl die Taktzeiten der Produktion als auch die Qualität der Leuchtdiode.

In Korea entwickelt

Displays an der Börse von Hongkong: Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können Leuchtdioden in vielen verschiedenen Farben leuchten.

Auf die steigende Nachfrage nach geeigneten Einbettungsmaterialien – besonders für leistungsstarke und für hocheffiziente weiße Leuchtdioden – reagiert WACKER mit einem Portfolio von qualitativ hochwertigen Siliconvergussmassen, das am Center of Electronics Excellence (CoEE) in Seoul entwickelt wurde. Dieses Portfolio umfasst die vier neuen Produkte LUMISIL® 590, LUMISIL® 591, LUMISIL® 740 und LUMISIL® 770, die auf die unterschiedlichen Bauformen, Anwendungen und Betriebsbedingungen moderner Leuchtdioden abgestimmt sind.

Packaging per Verguss

Eine Leuchtdiode – gemeint ist das zum Einbau in eine Schaltung geeignete elektronische Bauelement, das sogenannte LED-Package – umfasst neben dem lichtemittierenden Halbleiterchip sämtliche elektrischen, mechanischen, thermischen und optischen Schnittstellen zur Umgebung. Heute sind mehrere Verfahren gebräuchlich, in denen Chips zu Packages aufgebaut werden. Zentraler Schritt all dieser als Packaging bezeichneten Aufbauverfahren ist der Verguss des empfindlichen Chips.

Am Center of Electronics Excellence in Seoul entwickeln WACKER-Forscher Einkapselungsmaterialien speziell für Leuchtdioden.

Leuchtdioden werden im Betrieb heiß. Sie entwickeln umso mehr Wärme, je höher die elektrische Leistung ist, mit der sie betrieben werden. Die freigesetzte Wärme kann die Vergussmasse beträchtlich erhitzen. Zugleich wirkt das vom Chip emittierte Licht auf die Vergussmasse ein. Hitze und Licht aber lassen das Einbettungsmaterial altern, wobei die Alterungsgeschwindigkeit und das Ausmaß der Schädigungen erheblich vom verwendeten Material abhängen. Die Verkapselung kann allmählich brüchig werden, damit ihre Schutzfunktion verlieren, zunehmend weniger transparent werden und sich verfärben. In der Folge verschlechtert sich die Lichtausbeute. Damit die Leuchtdiode eine hohe Lebensdauer erreicht, muss die Vergussmasse diesen Belastungen dauerhaft standhalten.

Silicone sind für ihre Beständigkeit gegenüber Hitze, Temperaturwechsel, Licht, UV-Strahlung und vielen chemischen Einflüssen bekannt. „Hierin sind sie den Epoxidharzen, die im großen Umfang zur Verkapselung der LED-Chips eingesetzt werden, deutlich überlegen“, erklärt Dr. Hyun-Kwan Yang, der als Entwickler am CoEE tätig ist. Infolge ihrer Nachgiebigkeit sind Siliconelastomere zudem in der Lage, Vibrationen zu dämpfen sowie thermomechanische Spannungen auszugleichen. Sie können weiterhin hochtransparent formuliert werden und ihre Fließeigenschaften lassen sich bedarfsgerecht einstellen. „Aus allen diesen Gründen“, fährt Dr. Yang fort, „ist der Anteil der Silicone am Markt der LED-Vergussmassen in den letzten Jahren deutlich gestiegen.“

Haftung ohne Vorbehandlung

Aufbau einer LED mit Siliconlinse: 1) Siliconlinse - Das Silicon wird in einem Arbeitsgang aufgetropft und bildet die optische Linse, die die Lichtbrechung optimiert. 2) Golddraht - Stellt den Kontakt des Chips zur Anode beziehungsweise Kathode her. 3) Siliconverkapselung - Das Silicon schützt die eigentliche Leuchtdiode vor Feuchtigkeit und anderen Einflüssen. 4) Reflektor - Sorgt für den richtigen Abstrahlwinkel des Lichts. 5) LED-Chip - Bei Leuchtdioden handelt es sich um Halbleiter-Bauelemente. Wird durch sie Strom geleitet, emittieren sie Licht. 6) Kühlkörper - Leuchtdioden werden im Betrieb sehr heiß – über 120 Grad Celsius – und müssen deshalb gekühlt werden.

Alle vier Produkte sind zweikomponentig formuliert, lassen sich problemlos in automatisierten Dispensverfahren applizieren und ermöglichen daher eine kostengünstige Massenproduktion. Sie härten bei Raumtemperatur durch eine platinkatalysierte Additionsreaktion zu hochtransparenten Siliconelastomeren aus. Zudem wurden sie so eingestellt, dass sie auf dem Halbleiterchip sowie auf den gebräuchlichen Reflektor- und Gehäusesubstraten haften, ohne dass diese vorbehandelt werden müssen.

Unterschiede zwischen den einzelnen Typen bestehen vor allem im Brechungsindex und in der Härte ihrer Vulkanisate. LUMISIL® 590 und LUMISIL® 591 zeichnen sich durch einen Brechungsindex von 1,53 aus und zählen zur Gruppe der High Refractive Index Encapsulants. Sie basieren auf phenylsubstituierten Polysiloxanen. LUMISIL® 740 und LUMISIL® 770 dagegen weisen den für Polydimethylsiloxane, also für gewöhnliche Silicone typischen Brechungsindex von 1,41 auf und gehören zu den Normal Refractive Index Encapsulants.

Hohe Netzwerkdichte

Auch industrielle Herstellungsprozesse – wie das Auftropfen des Silicons auf den LED-Chip – werden im WACKER-Forschungszentrum in Korea simuliert, um die passende Rezeptur für spezifische Anwendungen zu finden.

Ein Charakteristikum von LUMISIL® 591 ist die besonders hohe Netzwerkdichte seines Vulkanisats. Es ist mit einer Härte von 40 Shore D das härteste der vier neuen Siliconprodukte. Die Härten der drei anderen Vergussmassen liegen m mittleren bis höheren Shore A-Bereich.

Der Brechungsindex entscheidet über den Anteil des Lichts, der vom LED-Chip in die Vergussmasse eintreten kann. Die Grenzfläche zwischen Chip und Verkapselungsmaterial stellt eine Hürde für den Übertritt des emittierten Lichtes dar. Grund ist der große Unterschied zwischen den Brechungsindizes beider Werkstoffe – die verbauten Halbleitermaterialien haben einen Brechungsindex, der größer als 2 ist. Daher bleibt ein Großteil des Lichts im Innern des Halbleiterkristalls infolge Totalreflexion gefangen. Je kleiner der Brechungsindex- Unterschied ist, das heißt, je höherbrechend die Verkapselung ist, desto mehr Licht kann übertreten. Daher sind LUMISIL® 590 und LUMISIL® 591 zur Fertigung hocheffizienter Leuchtdioden prädestiniert.

Normalbrechende Siliconvergussmassen widerstehen thermischen und Lichtbelastungen besser als phenylsubstituierte Silicone – sie verspröden und vergilben nur äußerst langsam. So verkraftet das Vulkanisat von LUMISIL® 740 eine 1.000-stündige Lagerung bei 245 Grad Celsius ohne merkliche Vergilbung und mit nur vergleichsweise geringen mechanischen Schäden. Es ist daher das Material der Wahl für den Verguss von Multi-Chip-on-Board-Leuchtdioden, in denen mehrere Hochleistungs-LEDs dicht gepackt und ohne Gehäuse auf der Platine montiert sind. Solche Arrays erzeugen so viel Wärme, dass andere Vergussmassen schnell Risse bekommen würden.

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.