用于LED封裝的高折射率單組分低溫快速固化環(huán)氧體系

光學(xué)透明封裝劑是LED、CMOS傳感器和光學(xué)器件封裝的關(guān)鍵材料，為L(zhǎng)ED die和其他光學(xué)芯片的封裝提供了所需的物理和機(jī)械保護(hù)，對(duì)于提高光提取效率同樣重要。傳統(tǒng)上，用酸酐如MHHPA固化的DGEBA，由于其成本效益、良好的透明度和其他機(jī)械、電氣性能，是LED應(yīng)用中最常用的環(huán)氧樹(shù)脂封裝劑。然而，這種類型的封裝劑具有限制其應(yīng)用的缺點(diǎn)。

首先，DGEBA/MHHPA型封裝劑在室溫下不穩(wěn)定，需要低溫儲(chǔ)存。為了避免這種低溫儲(chǔ)存，它通常為雙組分，需要現(xiàn)場(chǎng)混合和脫氣。這不僅給最終用戶帶來(lái)不便，還可能導(dǎo)致操作錯(cuò)誤，導(dǎo)致應(yīng)用程序效果不佳。

其次，DGEBA/MHHPA系統(tǒng)需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間固化，這限制了其在具有溫度敏感部件的LED器件中的使用。從節(jié)能和大規(guī)模生產(chǎn)效率的角度來(lái)看，這種固化條件也是一個(gè)缺點(diǎn)。

第三，環(huán)氧/酸酐體系的折射率比基于其他典型環(huán)氧樹(shù)脂的體系高約1.53–1.54，但仍遠(yuǎn)低于LED die片的折射率。當(dāng)光以特定入射角從die進(jìn)入封裝劑時(shí)，這種折射率的差異會(huì)導(dǎo)致總的內(nèi)部反射，從而導(dǎo)致LED封裝的低光提取。除了低光輸出外，捕獲的光還將能量轉(zhuǎn)化為熱量，這給封裝帶來(lái)了更多問(wèn)題。如今，隨著大功率LED越來(lái)越受歡迎，并被認(rèn)為是未來(lái)的光源，這些問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。

UV固化環(huán)氧樹(shù)脂體系在室溫下是穩(wěn)定的，因此可以作為單組分產(chǎn)品。UV固化環(huán)氧樹(shù)脂體系可能比DGEBA/MHHPA體系獲得更高的折射率。但是，當(dāng)需要良好的透明度時(shí)，UV固化環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)通常用于涂料應(yīng)用。在LED應(yīng)用中，封裝劑要厚得多，需要更強(qiáng)烈的紫外線暴露或熱后固化，從而導(dǎo)致發(fā)黃問(wèn)題。包裝行業(yè)也不愿為大規(guī)模生產(chǎn)需求配備昂貴的紫外線固化設(shè)備。在熱固化類別中，據(jù)報(bào)道，當(dāng)使用潛陽(yáng)離子催化劑時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂的陽(yáng)離子聚合是導(dǎo)致室溫穩(wěn)定的單組分體系的候選者。然而，這些優(yōu)秀的作品并非用于光學(xué)應(yīng)用。關(guān)于透明陽(yáng)離子環(huán)氧樹(shù)脂體系的信息非常有限。

文獻(xiàn)信息：

本文設(shè)計(jì)了一種具有高折射的陽(yáng)離子低溫固化的新型單組分透明環(huán)氧樹(shù)脂封裝劑。

文獻(xiàn)內(nèi)容：

1、陽(yáng)離子熱固化體系

Nacure Super XC-7231是一種六氟化銻銨。它具有良好的低溫固化能力。當(dāng)在DGEBA中使用時(shí)，按重量計(jì)1%，該系統(tǒng)在室溫下穩(wěn)定至少6個(gè)月。并且該引發(fā)劑是100%固體，在固化過(guò)程中不需要去除溶劑。

封裝劑的變色是由于聚合物氧化引起的，并且被系統(tǒng)中存在的催化劑加速，催化劑濃度越高，變色越快。而光學(xué)透明度對(duì)于LED和其他光學(xué)封裝劑是重要的。因此，需要低水平的引發(fā)劑來(lái)保持變色最小。然而，引發(fā)劑的水平應(yīng)該達(dá)到一定的水平，以便聚合以合理可行的速度進(jìn)行。根據(jù)制造商的建議，在固化DGEBA時(shí)分別嘗試了0.25、0.5和1.0phr（每百克樹(shù)脂）的XC-7231。

發(fā)現(xiàn)在1.0phr引發(fā)劑水平下，固化材料在150℃下熱后固化數(shù)小時(shí)后變黃。根據(jù)前面的討論，1.0phr的引發(fā)劑水平太高，無(wú)法保持合理的光學(xué)透明。而在0.25phr水平下，引發(fā)劑不足以進(jìn)行所需的聚合。在0.5phr引發(fā)劑水平下，表明在所需的速度下進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木酆稀Ｒ虼?，選擇0.5phr作為聚合的引發(fā)劑水平。

2、脂環(huán)族樹(shù)脂對(duì)聚合反應(yīng)的影響

脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂具有比DGEBA更高的陽(yáng)離子聚合反應(yīng)活性。添加CEL 2021P導(dǎo)致較低的起始溫度和峰值溫度，表明較高的反應(yīng)性。但在0.5phr引發(fā)劑水平下添加或不添加CEL 2021P的情況下，熱后固化后的硬度相似。這意味著在0.5phr陽(yáng)離子引發(fā)劑水平下，添加脂環(huán)族樹(shù)脂不會(huì)增加最終交聯(lián)密度。進(jìn)一步比較所有三種體系在0.5phr引發(fā)劑水平下的初始硬度和熱后固化后的硬度，可以得出結(jié)論，即使沒(méi)有脂環(huán)族樹(shù)脂，在120℃固化30分鐘也足以使純DGEBA實(shí)現(xiàn)完全聚合。三種體系相似的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。

當(dāng)添加量脂環(huán)族樹(shù)脂CEL2021P為5wt%時(shí)，也用0.25phr陽(yáng)離子引發(fā)劑加入到DGEBA中，起始溫度降低，反應(yīng)熱增加，如表II所示。由于更快的聚合，初始硬度也從D 64增加到83。但該硬度84仍低于極限硬度89，表明添加5wt%的CEL2021P不足以在當(dāng)前固化條件下，即在120℃下30分鐘實(shí)現(xiàn)完全聚合。比較圖4中0.5 phr和0.25 phr的系統(tǒng)的熱譜圖，0.5 phr的體系確實(shí)顯示出更好的熱穩(wěn)定性。

3、透光性

當(dāng)使用合適的催化劑時(shí)，DGEBA/MHHPA封裝劑的優(yōu)點(diǎn)之一是其良好的光學(xué)透明度。在瞄準(zhǔn)更高的折射率的同時(shí)，陽(yáng)離子密封劑需要保持盡可能多的透射。

將陽(yáng)離子固化的DGEBA體系的透明性與具有良好透射性能的酸酐固化體系的透射進(jìn)行比較。在350nm以上，這兩種體系具有相當(dāng)?shù)耐干渎剩@意味著與酸酐固化的體系相比，陽(yáng)離子固化的DGEBA在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域中具有同樣良好的透明度。

4、折射率

陽(yáng)離子固化的體系比酸酐固化的DGEBA具有更高的折射率。陽(yáng)離子體系是由DGEBA的均聚反應(yīng)產(chǎn)生的，在網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有酸酐結(jié)構(gòu)的情況下，陽(yáng)離子體系具有更高密度的芳香結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致更高的折射率。脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂的加入對(duì)折射率有負(fù)面影響。這可以用CEL2021P的飽和結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。當(dāng)CEL2021P結(jié)合到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的密度降低，導(dǎo)致最終產(chǎn)物的折射率降低。因此，在陽(yáng)離子DGEBA體系中加入脂環(huán)族樹(shù)脂是有爭(zhēng)議的，當(dāng)使用它來(lái)提高反應(yīng)性以使折射率的下降最小化時(shí)需要小心。

折射率是LED封裝材料的一個(gè)重要光學(xué)特性。與典型的環(huán)氧樹(shù)脂封裝劑（約1.5）相比，LED die具有更高的折射率（大于1.8）。當(dāng)光入射角等于或大于臨界角時(shí)，在LED die中產(chǎn)生的光被完全反射回來(lái)，或者換句話說(shuō)，被困在die內(nèi)部，導(dǎo)致光輸出低。因此，封裝劑的折射率越大，LED器件的光提取就越高。

研究結(jié)論

1、由六氟化銻銨引發(fā)的DGEBA陽(yáng)離子聚合可用于制備具有高折射率的單組分低溫快速固化封裝劑。討論了聚合反應(yīng)和所得封裝劑體系的性能。

2、該單組分封裝劑提供了易于處理和方便的存儲(chǔ)。它的低溫和快速固化能力有助于節(jié)省能源和提高生產(chǎn)率。

3、使用這種陽(yáng)離子體系代替酸酐固化的DGEBA，可以有效地提高封裝的LED器件的光輸出。

4、未來(lái)的工作將集中在新封裝劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究上，包括水分穩(wěn)定性、熱老化和紫外線老化效應(yīng)?；诮Y(jié)果，可能需要添加劑，如增粘劑、抗氧化劑、抗紫外線劑，以進(jìn)一步優(yōu)化封裝劑配方。