LED封装硅胶技术.docx

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LED封装硅胶技术

LED封装硅胶技术

前言

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂或硅胶封装起来。

灯珠贴片LED

LAMP-LED

SMD-LED

与LED相关的几个名词解释：

1）光通量

　　由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。

光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm）。

2）发光强度

　　光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。

不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。

发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角（该物体表面对点光源形成的角）内发射出的光通量。

1cd=1lm/1sr（sr：

立体角的球面度单位）。

3）亮度

　　亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。

单位为坎德拉/平方米[cd/m2]，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。

4）色温（ColorTemperature）

　　当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度=摄氏度+273.15）表示。

5）显色性（Colorrenderingproperty）

　　原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。

　　光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。

通常叫做"显色指数"（Ra）。

显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。

Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。

　　Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

一、LED灯简介

随着国家推出淘汰白炽灯的政策后，取而代之的就是LED灯产品的发展，作为新时代的照明产品，LED灯具具有节能环保等优点，被大众一致看好。

目前LED市内照明的应用已经十分广泛，其中LED路灯的发展就是这方面的佼佼者。

LED灯主要优点如下：

1、环保：

无污染、耐紫外线、红外线和热辐射；

2、低能耗设计，150小时耗电才一度，台灯在提供足够照明的情况下，功率越小越好。

采用半导体技术制作的光源具有极高的光电转化效率，让提供的电能，能最大限度的变成光亮；直流供电，有效的消除了额外电磁损耗，进一步降低了整体的能耗，使整机功率不到；

3、长寿命光源，10年不用换灯泡，是普通灯泡的100倍；

4、发光源不含钨、汞等有毒重金属。

半导体发光源没有白炽灯里的钨丝也没有荧光灯、节能灯里面的汞；

5、安全。

12V低压直流供电，无容易破碎的玻璃部件，保证使用者的安全；36V是人体能够感觉的到的最小电压，小于36V的电源对人体是安全的。

甚至不需要3C认证。

直流供电，杜绝了高频交流电的电磁辐射污染；

6、无频闪，不炫目，无紫外线。

半导体光源采用直流供电，没有交流供电产生的频闪，高级导光板将光线柔化处理，直视不炫目，半导体光源光谱可控，完全杜绝伴随产生的紫外线，长时间使用眼不痛。

7、偏高色温，清凉光感，让你学习不易累。

色温较高，看起来光的颜色更凉，就像秋天里的晴天，最适合阅读。

可见LED灯性能之卓越，相信站在高端的性能之下，价格是不会影响LED灯具的发展的，而且随着技术提高，成本降低，其价格一定还会下降，迅速普及到大家的生活中。

二、LED硅胶介绍

LED硅胶是LED光电行业有机硅胶材料的总称。

由于环氧的抗臭氧能力较弱以致于胶体变黄，影响透光效果，而硅胶材料具有的抗大气老化、紫外老化等优异性能，在高端的产品应用上环氧树脂己被LED硅胶材料所取代。

分类

1）按分子链基团的种类分：

可分为甲基系有机硅胶与苯基系有机硅胶。

目前LED光电市场上所广泛应用的大多数是甲基系有机硅胶，苯基系有机硅胶由于成本较高，只在高要求的领域中使用。

2）按使用领域分：

可分为LED灯珠封装用有机硅胶与LED应用产品灌封用硅胶。

LED灯珠封装用有机硅胶包括透镜填充硅胶和LED固晶硅胶等，LED应用产品灌封用硅胶价格比较低，主要是防水之用，如LED水低灯灌封硅胶、太阳能LED灯密封硅胶、LED显示屏保护硅胶、LED模组透明硅胶等。

、性能特征

　　LED硅胶产品的基本结构单元是由硅－氧链节构成的，侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。

因此，在大功率LED硅胶产品的结构中既含有"有机基团"，又含有"无机结构"，这种特殊的组成和分子结构使它集有机物的特性与无机物的功能于一身。

与其他高分子材料相比，LED硅胶产品的最突出性能是：

1、耐温特性

　　LED硅胶产品是以硅－氧（Si－O）键为主链结构的，C－C键的键能为千卡/克分子，Si－O键的键能在LED硅胶中为121千卡/克分子，所以LED硅胶产品的热稳定性高，高温下（或辐射照射）分子的化学键不断裂、不分解。

大功率LED硅胶不但可耐高温，而且也耐低温，可在一个很宽的温度范围内使用。

无论是化学性能还是物理机械性能，随温度的变化都很小。

2、耐候性

　　LED硅胶产品的主链为－Si－O－，无双键存在，因此不易被紫外光和臭氧所分解。

大功率LED硅胶具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力。

LED硅胶中自然环境下的使用寿命可达几十年。

3、电气绝缘性能

　　LED硅胶产品都具有良好的电绝缘性能，其介电损耗、耐电压、耐电弧、耐电晕、体积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅，而且它们的电气性能受温度和频率的影响很小。

因此，它们是一种稳定的电绝缘材料，被广泛应用于电子、电气工业上。

LED硅胶除了具有优良的耐热性外，还具有优异的拒水性，这是电气设备在湿态条件下使用具有高可靠性的保障。

4、生理惰性

　　聚硅氧烷类化合物是已知的最无活性的化合物中的一种。

它们十分耐生物老化，与动物体无排异反应，并具有较好的抗凝血性能。

5、低表面张力和低表面能

大功率LED硅胶的主链十分柔顺，其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氢化合物粘度低，表面张力弱，表面能小，成膜能力强。

这种低表面张力和低表面能是它获得多方面应用的主要原因：

疏水、消泡、泡沫稳定、防粘、润滑、上光等各项优异性能。

三、LED硅胶用途

　　LED硅胶在光电行业己被广泛应用，它因优异的性能而受到广大LED生产厂商的青睐。

LED硅胶在光电行业的应用分类可以分为以下几大类：

　　在大功率LED、贴片式LED灯珠上，从芯片的固定、白光LED灯珠的上混合荧光粉、透镜式的填充等都是由LED硅胶所担任的。

（1）固晶用LED硅胶：

芯片固定俗称固晶胶，常混合银粉以提高导热效果，所以市场上称为固晶银胶。

（2）LED混荧光粉硅胶：

白光LED是由蓝光LED芯片表面均匀覆盖一层黄色荧光分，蓝色光线通过荧光粉以达到白光效果，这就需要用到LED混荧光粉硅胶。

（3）表面填充LED硅胶：

在LED灯珠上的表面硅胶目的是保护LED芯片，常见的有大功率LED透镜内填充、透镜模封、贴片式平面封装、COB式大面积不规格封装等。

四、LED大功率硅胶的性能测试

主要测试有冷热冲击测试、黄变测试、折射率测试、透光率测试、耐湿热测试、加速老化测试等。

一）收缩率，要求收缩率为零。

并且产品有非常优秀的耐冷热循环温差。

-50到200度，产品的粘接性，收缩率，抗撕、抗张等指标都无任何变化。

这就对原料的挥发性物质含量有非常严格的要求，通常要求挥发分必须小于1%。

二）热膨胀系数。

根据有机硅的特性，只要温度在-50到200度之间，该数据忽略不计。

三）粘接性能。

四）耐老化性。

如果采用有机硅来做填充，只要在非人为破坏的情况下，可以保持十年以上的粘接等性能不变化。

五）各电性能指标，导热率，颜色（不黄变），产品流动性，黏度，等这些都是可以调整的。

六）透光率。

七）抗紫外。

八）不变黄。

九）低杂质含量。

十）温度范围：

-55～260°C。

十一）光衰。

测试项目

测试的对象

测试方法

合格标准

外观

硅胶

肉眼观察加显微镜观察

颜色为透明无色（也有呈雾装的，固化后变透明），没有明显的杂质。

密度

硅胶

通常的密度测量方法

相溶性

硅胶

和荧光粉混合后是否沉淀

在混合后到使用前不能够沉淀（一般为半个小时左右）

亮度

封装好的LED

封装好后在标准情况下点亮进行测试

结合力

封装好的LED

固化好后进行观察

在固化好后就要进行剥离实验（将SMD从中间剪断挑落硅胶），检测硅胶与PPA（SMD支架基材）的结合力

导热性能

封装好的LED

盐雾实验

封装好的LED

老化实验

色温

封装好的LED

封装好后在标准情况下点亮进行测试

黄变

封装好后长时间点亮进行观察

硅胶不能明显黄变。

亮度

（光衰）

封装好后长时间点亮（一般1000h）进行亮度测试

结合力

固化好后以及长时间点亮后进行观察

在长期点再进行剥离实验。

可靠性实验

过回流焊

封装好的LED

相比生产工艺多一倍甚至数倍的回流焊次数

主要是检验胶是否容易脱落，是否黄化。

冷热冲击实验

零下40度15-20分钟然后80度15-20分钟一个循环，100个循环后检查胶的状况以及光衰

测试项目主要是结合力，其它如老化测试项目。

高温高湿实验

80度下湿度为80％次序电量100h以上

测试项目主要是结合力，其它如老化测试项目。

加速实验

封装好的LED

主要是加大电流使功率加大缩短实验时间（一周左右）

如老化实验各项目。

环境实验

封装好的LED

将封装好的LED放在具体的使用环境下进行老化实验

如老化实验各项目。

五、大功率LED封装关键技术

（一）低热阻封装工艺

对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。

（二）高取光率封装结构与工艺

　　在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：

芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。

因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。

通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。

此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。

因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。

为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。

目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。

硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。

研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。

随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。

　　荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。

其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光