透镜和密封材料的选择

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED芯片是被密封的，目的是实现机械保护和化学保护，密封材料还起到如前面所述的光学作用。有时透镜和密封材料是分开的，不存在光耦合，仅起到光束成形的作用。两个名词“透镜”和“密封材料”在原理上是指特性和作用不同的两部分。“透镜”用于改变光束的空间方向，而“密封材料”用于保护LED芯片并增强光提取。当分开的环氧树脂单体和固化剂在混合后发生聚合，则生成物被称为双组分。

LED芯片是被密封的，目的是实现机械保护和化学保护（特别是为了抗潮湿），密封材料还起到如前面所述的光学作用。有时透镜和密封材料是分开的，不存在光耦合，仅起到光束成形的作用。两个名词“透镜”和“密封材料”在原理上是指特性和作用不同的两部分。“透镜”用于改变光束的空间方向，而“密封材料”用于保护LED芯片并增强光提取。下文可能会交替使用两个名词，因为如前所述，它们可能是用一种材料构成的单一部分。正如前文所讨论的，从光学的角度来看，选择透镜材料时要依据它们的两个重要特性，即高透明度和高折射率。此外，由于密封位于芯片的正上方，有时还包含金连接丝，为了平衡和减轻CTE失配应力，密封必须是软的。全封装器件随后将在200～250℃的条件下焊接于母板上。焊接时，要保证密封材料的光学特性不受影响，这一点非常重要。最后，密封材料必须能承受热老化（在100～150℃的工作条件下）和可能发生的光学老化（来自于环境的连续紫外线辐射）。热老化和光学老化可导致透镜的不透明度逐渐增加。详细的密封材料分子结构式和一般特性信息见文献[LIC 05]。满足上述要求的最常用的聚合物包括环氧树脂、硅酮和丙烯酸树脂。

硬环氧树脂可用单体原料聚合物的网状聚合工艺获得，原料聚合物中要含有至少两种环氧功能的胺类或酸性固化剂（网络用聚合工艺产生）（见图5-15），环氧树脂的链长和功能的多少影响着最终机械性能。此化学反应用网状固化剂和可选的催化加速剂实现：

单体+固化剂→硬环氧树脂（3维网络）

有多种固化剂并不直接决定物理材料的最终性质但会影响硬化条件（时间、温度等）。最常用的固化剂为胺类固化剂。当分开的环氧树脂单体和固化剂在混合后发生聚合，则生成物被称为双组分。对于单组分生成物，混合是在制造阶段进行的，并最好低温（-20～-40℃）保存以防止使用前的反应。两种情况下的反应都是热激活的。

硅酮的机械性能不同于环氧树脂。这些聚合物由硅-氧键网络构成（见图5-16）。硅酮通常在很宽的温度范围内（一般在-40～260℃）是非常软的聚合物，并且具有非常好的温度稳定性。最后，类似于环氧树脂，硅酮有非常好的抗潮湿能力。硅酮粘合剂一般分为两类：①冷凝单组分系统[被称为RTV（室温硫化）]，这类系统在大气湿度下固化并在反应中释放出乙酸；②由铂催化的双组分系统。这两类聚合物的聚合也是热激活的。

图5-15 几种成分的标准环氧功能

图5-16 一种硅酮聚合物的化学结构式

图5-17 丙烯酸聚合

最后，丙烯酸树脂和丙烯酸酯的机械性能与环氧树脂的接近（硬度D约为75），但固化时间通常很短（几分钟）。它们也包括单组分和双组分两种类型，利用室温紫外线暴露法，许多丙烯酸粘合剂可在十分短的时间内固化（见图5-17）。

过去，最常用的LED密封材料一直是环氧树脂材料，因为它符合前面提到的所有标准，并广泛用于封装和另一些应物——聚甲基丙烯酸用中，是成本相对较低的聚合物。丙烯酸树脂和丙烯酸酯也甲酯的化学结构式是低成本的聚合物，可以在室温或紫外辐射条件下固化，但与环氧树脂相似，它们的温度和紫外暴露的稳定性也不强。随着高亮度LED的通用化，如温度和紫外辐射稳定性等性能日益受到限制，目前硅酮的使用越来越普遍，虽然它成本高且折射率为中等大小（约1.6）。对于LED应用，硅酮通常按照其肖氏硬度（Shore Hardness）分为凝胶和树脂。凝胶为非常软的材料（肖氏硬度A为20～70）并用作磷光体的基体和密封材料。树脂为硬一些的材料（肖氏硬度D约为50），通常用于制造透镜。还存在一些材料，它们的特性介于凝胶和树脂之间。

透镜和密封材料的选择

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