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LED封装用有机硅材料的制备与性能

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基于LED新型照明光源无论是在能源节约或是减少环境污染等方面均有着传统照明光源所无法达到的优势,故针对新型LED照明光源的应用与研究,将是解决全球能源危机的重要手段。虽然,随着全球科技的不断发展,使得功率型白光LED制造技术有了较为显著的发展,并且在先进技术的支撑下,使得如今的LED照明光源无论是在发光效率、亮度或是功率等诸多方面均有了显著提升。

1 LED封装用有机硅材料的制备与性能

为保障照明安全,首要之务便是要使用高折光指数且具有较强耐紫外与耐热老化能力的低应力封装材料,来提升照明器件的光输入功率与使用寿命。目前,国内所使用的封装材料大多数以环氧树脂为主,由于环氧树脂本身的特性,使得其在固化后不仅会呈现出极高的交联密度,而且因材料本身的内应力较大而呈现出较强的脆性,继而使得封装材料无法承受较大的冲击。不仅如此,环氧树脂材料的透明度还会受温度、蓝光以及紫外线照射的影响。相关实验表明,当环氧树脂处于150左右的环境时,其透明度便会降低,继而削弱LED的光输出,而在135~145的环境下,树脂又将出现严重退化的现象,继而减少LED灯的使用寿命。除此之外,若环氧树脂遭遇强大电流还会发生碳化,继而使得器件表面形成导电通道并导致器件失效。相比环氧树脂,有机硅在LED器件中的运用则有着相对较为稳定的性能,加之该材料所具有的耐热与耐候性能进而能保证良好的透明性,但因有机硅材料本身的价格较为昂贵,故使得该相关器件的造价也偏高,尤其是对大功率的LED而言,其造价更是不菲,这便直接影响到了大功率LED器件的规模化生产。而如今,我们又在有机硅的基础上研究出了另一封装材料,即加成型有机硅橡胶,针对此材料,通过实验可以发现,此材料不仅有着较高的纯度与透明性,且基于材料本身特性而具有阻燃功能,不仅如此,该材料在硫化过程中不会产生其他的副产物,收缩率极低,所以适合作为白光LED器件的封装材料。

2实验部分

2.1实验原料

复合硅树脂,乙烯基聚硅氧烷,含氢聚硅氧烷,催化剂,稀释剂。

2.2实验步骤

将定量的复合硅树脂与乙烯基聚硅氧烷和含氢聚硅氧烷按适当比例在室温下混合均匀,得到无色透明的液体。而后将适量的催化剂与稀释剂添加至上述聚合物中继续搅拌,经过0.5h的搅拌反应后便完成了有机硅封装材料的制备。后取少量复合物置放于载玻片之上,经过1h150的固化处理,便可得到无色透明的有机硅厚膜。

3结果与讨论

3.1催化剂的影响

有机硅封装材料采用的催化剂为金属络合物。因催化剂中具有催化作用的金属浓度不同,封装材料固化的时间方面亦有差异,如催化剂中金属浓度为10~15μg/g,室温固化的时间应适当延长,而当催化剂中金属浓度高于此标准并在15~35μg/g,则需适当缩短室温固化时间,但是固化时间并非是随着催化剂中金属浓度的增多而缩短,而是会先缩短再延长。因此,针对有机硅封装材料的制备过程,需结合催化剂中金属的浓度来合理调节固化时间

3.2复合硅树脂对体系透光率的影响

虽然加成型有机硅封装材料本身具有较好的弹性,但硬度却较低,故为增强有机硅聚合物硬度需适当添加补强剂。本文所使用的补强剂为有机硅复合树脂,而据实验表明,封装材料的硬度会随着有机硅复合树脂添加量的增加而增大,但封装材料的硬度系数在增大同时,其透光率却会遭到一定程度的影响。如据图1所示,加成型有机硅封装材料的透光率会随着复合树脂含量的增高而降低。而硅树脂含量在20%以下的情况下,样品的透光率能可达90%以上。可见,在硅树脂含量为1~20%,机硅封装材料将能保持最佳的硬度及透过率。

 

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1 硅树脂含量对封装材料透过率的影响

3.3红外光谱

有机硅聚合物的SiCH=CH2SiH,在催化剂作用下,发生硅氢化反应。随着反应的持续进行,有机硅聚合物中的乙烯基含量与硅氢基浓度将会逐渐减少,而反应达到一定程度后乙烯基和含氢便会趋近于稳定或消失。因此,可基于红外线光谱图对固化不同阶段的乙烯基与硅氢基进行监测。

SiH2161cm-1处有伸缩振动吸收峰,处于该峰值的SiH键也将具有最强的硬度,而在650~700cm-1则为甲基对称变形振动吸收,而基于该吸收峰为单吸收带,故其特征也以尖锐为主,如图2。此外,SiH键的804cm-1875-1处则是甲基平面摇摆振动吸收峰,该峰可能与SiC伸展振动吸收峰重叠,而重叠的部分也是峰强最强之处,但在反应基本完成后,此部分将出现较弱的峰强。届时,乙烯基含量亦将随之变弱。由此可见,SiH含量与乙烯基含量之间并非呈现出等比关系。

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3.4耐热性,有机硅主链

SiOSi属于无机结构”,其键能远远超出CC键能,具体可达到462kJ/mol,所以保证有机硅聚合物较强的热稳定性。与此同时,基于SiO原子之间的电负性差异极大,加之键本身有存在较强的极性,故能在屏蔽链烃基同时提高氧化稳定性,以免有机硅聚合物在不完全燃烧的情况下生成二氧化硅,继而导致自熄现象发生。

硅树脂在体系中能够增加体系的硬度。通过对硅树脂材料的体系耐热性分析我们可以得知,400是样品的起始分解温度,而随着起始分解温度的逐步升高,其损失的质量相比环氧树脂相对较少,主要是因有机硅聚合物中主链Si-O键上的甲基与乙烯基分解所导致,而其顺序则是乙烯基先分解,随后是甲基。与此同时,Si-O-Si键在热作用下将会发生断裂,继而生成环体分子,D3D4等。由此可见,当封装材料的有机硅复合树脂含量在20%的情况下,当其处于400及以下的环境时将不会发生降解现象,且基于有机硅符合树脂本身还具有良好的耐热性,故于大功率白光LED器件中的应用尤为适宜。

4结论

总之,有机硅于LED器件中的运用有着较为稳定的性能,加之该材料本身所具有的耐热与耐候性以及良好的透明性,但材料本身的价格较为昂贵,故使得相关器件的造价也偏高,尤其是对大功率的LED而言,其造价更是不菲,这便直接影响到了大功率LED器件的规模化生产。通过对封装用有机硅材料的制备及性能的相关研究可以得知,催化剂与固化温度可以改变封装材料的透光率。因此,针对有机硅封装材料于LED器件中的具体运用亦可根据此发现来增加LED的光通量,以切实提升有机硅封装材料于LED器件中的实际应用效果,有效扩大有机硅封装材料的应用范围。

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