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LED封装用材料的特性
保护半导体LED元件的晶片、导线、电极,不会受到外力、水份、气体、不纯物的影响,必需使用密封材料包覆LED元件。
此外为避免降低LED元件的发光效率,密封材料要求极高的透明性,尤其是最近几年随着LED元件的高辉度、高功率化,光量遽增、接点温度上升,加上液晶电视用LED背光照明模组与一般照明用途,都强烈要求LED元件长寿命化,因此LED元件密封材料的耐光、耐热性越来越受到重视。 LED用矽质密封材料可以分成两大类,分别是甲基矽(Methyl Silicon)与苯基矽(Phenyl Silicon)。
一般矽质密封材料属于「甲基矽」,折射率(refractive index)大约是1.4左右,为提高LED元件的发光效率,要求矽质密封材料具备更高的折射率。
主要原因是降低LED晶片与密封材料的折射率差异,再抑制折射就可以取出更多的光线,因此LED元件的密封材料,一般都是使用折射率为1.5~1.55,高折射率的「苯基矽」当作基材。
「甲基矽」与「苯基矽」的密封材料,在可视光领域与近紫外线领域,具有优秀的穿透性与透明性,若与一般有机透明树脂比较,它的耐热性非常优秀,即使曝露在回焊炉(reflow)或是高温环境下,也不易发生变色与硬度变化等问题。
经过130℃~200℃、200Hr耐热试验后,「环氧树脂」密封材料在130℃,特别是150℃时会发生明显的变色现象,相较之下矽质密封材料,则显示强大的耐变色特性,特别是「甲基矽」密封材料,即使曝露在200℃高温环境下,几乎没发现任何变色现象。
「苯基矽」密封材料,一直到150℃还保持无着色状态,最后是称为「矽混合(silicon hybrid)」的材料,则出现介于苯基矽与环氧树脂之间的变色倾向。若与「甲基矽」密封材料比较,「苯基矽」密封材料的高折射率,可以获得优秀的光线取出效率,不过它的耐热性不如「甲基矽」密封材料。
如表一所示「甲基矽」密封材料与「苯基矽」密封材料各具优点,必需依照要求特性选择。
「甲基矽」密封材料本质上具备很高的气体穿透性,不过吸湿率却非常低,密封应用的场合,配合甲基矽密封材料特有的接着性,理论上就能够有效保护基材。某些情况水份与气体的侵入,会造成电极或是萤光体变质,为避免发生这种问题,必需改用的具备高气体阻隔性的「苯基矽」密封材料,如表二。
(表一) 甲基矽与苯基矽的特性比较<◎: 极佳 ○: 佳>
|
甲基矽 |
苯基矽 |
折射率 |
1.4 |
>1.5 |
透明性 |
◎ |
◎ |
耐热变色性 |
◎ |
○ |
耐光变色性 |
◎ |
○ |
(表二) 矽质密封材料的水蒸气与氧气穿透率比较<样品厚度: 0.90~0.96mm>
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OE-6351 |
OE-6550 |
OE-6665 |
折射率(nD) |
1.41 |
1.53 |
1.53 |
硬度 |
53(JIS type A) |
57(JIS type A) |
70(Shore D) |
水蒸气穿透性 (g/m2/24Hr) |
104 |
19 |
12 |
氧气穿透性 (cm3/m2/24Hr/atm) |
>20,000 |
1,120 |
512 |
LED用矽质密封材料,大致上可以分成两大类,若依照硬度还可以再分成表三所示的三大类。
矽质密封材料的动态储藏弹性率介于1MPa~100MPa范围,一般将硬度接近橡胶的密封材料称作「弹性体(elastomer)」,比较柔软的密封材料称作「悬浮体(gel)」,比较硬的密封材料称作「树脂(resin)」。
(表三) 矽质密封材料的分类
|
悬浮体
低弹性率
(0.01~1MPa) |
弹性体
中弹性率
(1~100 MPa) |
树脂
高弹性率
(0.1~10GPa) |
甲基矽
(折射率1.4) |
JCR6110
OE-6250 |
JCR6112
JCR6140
EG-6301
OE-6336
OE-6351 |
----- |
苯基矽
(折射率1.5~1.55) |
OE-6450 |
OE-6520
OE-6550 |
OE-6635
OE-6630
OE-6665 |
矽质密封材料的弹性率越低、越柔软,对封装元件造成的应力也越小,低弹性率的矽质密封材料,能够防止热应力造成的变形、断裂、剥落,以及密封材料本身造成的龟裂等现象。
高硬度的矽质密封材料能够有效保护元件,不会受到外力影响引发变形,而且不容易发生柔软密封材料常见的不良现象,例如密封材料表面刮伤、沾黏其它元件、附着粉尘,因此对LED元件的晶粒性(dicing)非常有利。
表四~表七分别是Toray DowCorning公司开发的LED封装用矽材料特性一览,由表可知LED封装用材料种类繁多,必需依照使用方法与要求特性,选择最适当的封装材料。
此外为发挥相异封装材料的优点弥补缺点,某些情况晶片附近使用柔软、高折射率的封装材料,外侧使用硬质封装材料,或是矽质射出成型镜片。
(表四) 主要悬浮性密封材料特性一览
|
JCR 6190 |
JCR 6110 |
OE-6250 |
OE-6450 |
外观 |
半透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
混合比 |
单液型 |
10 : 1 |
1 : 1 |
1 : 1 |
黏度(25℃,ms‧s) |
3,900 |
2,100 |
450 |
1,740 |
标准硬化条件 |
70℃/1 Hr+
150℃/16Hr |
150℃/1Hr |
80℃/1 Hr |
100℃/1 Hr |
渗透度 |
170 |
200 |
45 |
45 |
折射率 |
1.42 |
1.42 |
1.41 |
1.54 |
(表五) 主要低硬度弹性系密封材料的特性一览
|
JCR 6101 |
JCR 6122 |
JCR6126 |
OE-6520 |
外观 |
半透明 |
透明 |
半透明 |
透明 |
混合比 |
单液型 |
1 : 1 |
10 : 1 |
1 : 1 |
黏度(25℃,ms‧s) |
5,900 |
350 |
87,000 |
2,000 |
标准硬化条件 |
70℃/1 Hr+
150℃/2Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
硬度(JIS type A) |
35 |
35 |
26 |
26 |
折射率 |
1.42 |
1.42 |
1.41 |
1.54 |
(表六) 主要高硬度弹性系密封材料的特性一览
|
JCR 6140 |
EG-6301 |
OE-6336 |
OE-6351 |
OE-6550 |
外观 |
透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
透明 |
混合比 |
1 : 1 |
1 : 1 |
1 : 1 |
1 : 1 |
1 : 1 |
黏度(25℃,ms‧s) |
3,100 |
3,400 |
1,450 |
2,700 |
4,000 |
标准硬化条件 |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/3Hr |
150℃/1Hr |
硬度(JIS type A) |
40 |
71 |
65 |
53 |
62 |
折射率 |
1.41 |
1.41 |
1.41 |
1.41 |
1.54 |
(表七) 主要树脂系密封材料的特性一览
|
OE-6665 |
OE-6630 |
OE-6635 |
外观 |
透明 |
透明 |
透明 |
混合比 |
1 : 20 |
1 : 4 |
1 : 3 |
黏度(25℃,ms‧s) |
2,220 |
2,500 |
5,000 |
标准硬化条件 |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
硬度(Shore-D) |
68 |
41 |
33 |
折射率 |
1.53 |
1.53 |
1.53 |
LED一体密封成型技术
以往矽密封材料主要是利用注入(dispense)方式灌入LED封装内部,接着再使用加热炉使矽质密封材料硬化成型。设有镜片的LED元件,是将矽质密封材料注入树脂或是矽质镜片下方,接着将镜片黏在已经硬化的矽质密封材料上,低量产性、低良品率、高制作成本,是这种方式主要缺点。
最近几年随着LED密封方式的多元化发展,为满足生产效率化以及提升产能的市场要求,国外LED封装业者已经陆续改采由模具构成的转印成型、射出成型方式,透过这类加工方式,能够一次高效率完成LED密封与光学镜片成型等加工作业。
《图一 传统LED封装方式》 |
图二是利用压缩成型方式,一体封装同时完成光学镜片制作的实际范例。具体步骤首先将矽材料注入基板与模具之间,抽真空去除气泡之后,矽密封材料再以高压成型。压缩成型方式可以制作球面、非球面、角形的任意形状的镜片,模具与矽材料之间使用离型(脱模)膜片,因此没有模具污染的困扰,即使经过一定循环次数,也不需要清洗模具,此外模具没有浇道(runner)、料头,因此矽密封材料几乎完全没有额外的损耗,而且加工制程非常容易全自动化。
《图二 利用压缩成型方式一体封装制作镜片》
|
转印(transfer)方式与射出(injection)成型方式,同样能够一体封装同时完成光学镜片的制作,图三是利用压缩成型方式转印方式,一次完成LED密封与光学镜片制作的实际范例。液晶电视的背光照明模组使用复数高辉度LED,要求高精度的配光控制,因此上述能够一次完成LED密封与光学镜片制作的新世代成型技术,备受LED封装业者高度期待。
一次完成LED密封与镜光学片制作的成型属于较新的手法,可能会发生传统注入方式密封制程不曾见过的问题,例如成型时容易产生令人困扰的剥落、龟裂、流痕(flow mark )、空隙(void)等问题。
《图三 利用转写成型与射出成型一体封装制作镜片》
|
新型一体封装材料的特性
矽质密封材料必需密贴保护基板,被设计成短时间加热、接着,因此要求不论是对基材或是模具,都必需具备很高的密贴性。脱模时的剥落、龟裂,主要是硬化时间不足、温度不足造成;基材污秽或是对基材接着性不足,会引发矽密封材料硬化不足、模具的脱模性不够充裕等问题。一般认为以下方式都可望改善这些问题。
‧延长硬化时间
‧使用更高硬化温度成型
‧清洗基板提高接着性
‧重新检讨基材
‧提高模具的脱模性(离型性)
流痕是LED密封材料流动期间,局部性硬化造成的现象,硬化温度太高、密封材料的硬化速度太快是主要原因,降低硬化温度,同时选择硬化时间比较迟缓的密封材料,都可以改善流痕现象。空隙的发生原因主要是:
‧事前的脱泡
‧成型时减压不足
‧基材残留水份或是化学成份
‧容易残留空气的LED元件造型
‧导线架与密封材料之间有间隙所造成
有效对策例如强化脱泡条件、基材预加热的干燥等等,如果还是没有改善的话,必需重新检讨基材与LED元件的造型。
「甲基矽」密封材料与「苯基矽」密封材料的成型性截然不同,「甲基矽」密封材料的成型性,对硬化前的黏度、硬化后的硬度依存性(dependency)很低,因此「甲基矽」密封材料注入高温模具硬化时,几乎不会发生低黏度化与软化问题,具有优秀的成型性与脱模性。
相较之下「苯基矽」密封材料在高温下,会减缓膨胀歪斜产生的应力,它的优秀耐久性被当作LED密封材料广泛使用,不过成型时黏度与硬度的依存性很大,密封材料容易从模具间隔渗漏,软化硬度降低后的密封材料,脱模时容易发生龟裂,因此成型时要求高度操作技术。
矽质密封材料几乎都是白金系触媒附加硬化型,它的增黏速度、硬化速度,与温度有很大的依存性,硬化温度上升10℃,增黏速度与硬化速度有倍增的倾向,成型温度改变,硬化时间会随着发生巨大变化,因此设定矽质密封材料的成型条件时,必需是密封材料流动期间,不会发生增黏与硬化,同时能够充分硬化的成型温度。
表八、表九是适合光学镜片一次成型用途的矽质密封材料特性一览,表中JIS type A硬度53、71的甲基矽矽质密封材料,以及Shore-D硬度40、70的苯基矽矽质密封材料已经商品化,正式提供客户选择使用。
(表八) 甲基矽一次成型用密封材料的特性一览
|
EG-6301 |
OE-6351 |
TX2429-2 |
混合比 |
1 : 1 |
1 : 1 |
1 : 1 |
黏度(25℃,ms‧s) |
3,400 |
2,700 |
4,000 |
成型条件
(压缩成型) |
110~130℃
1~5 min |
110~130℃
1~5 min |
130~150℃
2~5 min |
二次硬化条件 |
150℃/1Hr |
150℃/3Hr |
150℃/1Hr |
硬度(JIS type A) |
71 |
53 |
78 |
折射率 |
1.41 |
1.41 |
1.41 |
(表九) 苯基矽一次成型用密封材料的特性一览
|
OE-6630 |
KN23-13 |
OE-6665 |
KN21-12 |
混合比 |
1 : 4 |
1 : 2 |
1 : 20 |
1 : 10 |
黏度(25℃,ms‧s) |
2,500 |
6,800 |
2,220 |
15,800 |
成型条件
(压缩成型) |
110~130℃
2~5 min |
110~150℃
4~5 min |
120~150℃
4~5 min |
110~140℃
2~5 min |
二次硬化条件 |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
150℃/1Hr |
硬度(Shore-D) |
41 |
40 |
68 |
68 |
折射率 |
1.53 |
1.54 |
1.53 |
1.54 |
结语
以上介绍LED封装用矽材料的特性,与全新的LED封装技术,同时深入探讨新型一体封装用矽密封材料的特性。 LED高辉度化、高功率化、高可靠性的背后,矽质封装材料扮演提升LED性能绝对性角色,随着LED封装材料的进化,包含照明与显示器用途在内的LED市场,都获得莫大的效益。
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