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LED环氧封装材料的光老化与制备研究认领

被引量： 4

作者：

邓镇涛

学位授予单位：

深圳大学

摘要：

基于RGB技术的发光二极管（LED）器件是通过红、绿、蓝（RGB）三基色LED灯或芯片混合实现白光和全颜色发光,以其高显色指数、高可靠性以及大显色范围等优势广泛应用于白光照明和显示领域。在器件的封装材料方面,双酚A环氧树脂具有低成本和综合性能优良的优势,广泛应用于LED封装,而脂环族环氧树脂耐紫外老化性能优良,固化收缩率低,因此常用于户外型LED封装。然而,目前RGB LED器件面临因封装材料老化引起的显色偏差和成型过程中翘曲变形的问题,严重限制了器件的市场推广和应用前景,因此本论文分别围绕封装材料的老化和翘曲等问题,开展了环氧树脂封装材料光老化性能研究,进行了封装材料制备改性研究,对于解决RGB LED器件成型和使用中的问题具有较重要的实际意义和产业应用前景。首先,针对RGB LED器件在使用一段时间后出现色衰、显色偏差的问题,对双酚A环氧树脂（DGEBA）和脂环族环氧树脂（ECC）两个环氧体系进行老化研究,结合器件的性能和封装材料结构表征以及量子化学理论计算,揭示封装材料的老化机理。利用阵列光谱仪、ATR-FTIR和XPS进行了表征,结果表明蓝光诱导LED封装材料表面发生降解老化反应,涉及的老化反应有后固化反应、活性氢的氧化反应和C-C、C-O-Ω（Ω代表苯环或C）或酯基的断链重排反应,并提出可能的老化反应过程;量子化学理论计算结果进一步表明DGEBA环氧体系主链中C-O-Ω的C-O键最易断裂,可能的老化反应过程为C-O-Ω结构中C-O键断裂重排形成Ω-O-Ω结构,或者断裂后二级C上的H原子发生氧化反应形成羰基或酯基结构;在ECC环氧体系中,酯基中C-O键更容易断裂,可能的老化反应过程为酯基中C-O键断裂后发生重排形成羰基结构和C-O-C结构,或者二级C上的H原子发生氧化反应形成羰基或酯基结构。然后,根据封装材料老化机理研究结果,DGEBA环氧体系中C-O-Ω结构易受蓝光诱导发生断链重排和氧化反应,推测与苯环易吸收蓝光有关,因此采用不含苯环结构的氢化双酚A环氧树脂（HBADGE）对DGEBA体系进行共混改性来研究苯环的影响,对两种纯树脂和10 wt%、20 wt%和30%wt HBADGE含量的复合材料的热力学性能和光学性能等进行了表征,结果表明HBADGE的含量为30 wt%时,复合树脂体系的增韧效果较好,且体系的透过率也有明显增加。通过蓝光老化试验及对两种纯树脂透过率的表征表明,随老化时间增加,HBADGE体系在蓝光区域的透过率先下降而192 h后趋于稳定,DGEBA体系则在192 h后仍有下降的趋势,表明含有苯环的DGEBA环氧体系吸收蓝光发生断链重排和氧化反应,导致树脂体系的蓝光透过率降低,进一步验证了环氧封装材料的老化机理。再者,针对LED环氧封装材料在使用过程中易受热应力而发生翘曲的现象,在环氧树脂基体中添加负热膨胀系数的填料,以降低封装材料的热膨胀系数（CTE）。采用微波水热-烧结法制备了负热膨胀纳米粉体磷酸钨锆（ZWP）,并制备了ZWP/DGEBA复合材料。通过红外、XRD、场发射SEM、TMA、DMA等手段对粉体和复合材料的结构和性能进行了表征,结果表明相比普通水热法,微波水热法制备的ZWP粉体尺寸小且均匀,具备更优良的负热膨胀性能,在30～70℃温度范围的CTE约为-23.8 ppm/K,120～180℃温度范围的CTE约为-4.6 ppm/K;TMA表征结果表明ZWP粉体对DGEBA体系的热膨胀系数有显著降低效果,且效果随ZWP含量的增加而增加,40 wt%ZWP含量复合材料在玻璃态（30～90℃）的热膨胀系数下降约42.7%（约30.5 ppm/K）,此外10 wt%含量的ZWP/DGEBA复合材料的综合性能较好。最后,针对RGB LED器件的COB（chip-on-board,板上封装）封装中PCB（printed circuit board,印刷电路板）易因封装胶固化收缩应力等而发生严重翘曲的问题,从封装胶配方组分和成型工艺的优化设计方面进行了新型低应力翘曲COB封装胶的研制。COB封装工艺包括模压和后固化步骤,模压步骤要求配方能快速固化成型,因此对配方中稀释剂、促进剂和增韧剂三个影响快速固化成型的组分进行正交设计优化实验,最终得出最佳稀释剂、促进剂和增韧剂的比例。而后固化步骤要求配方具备低的固化收缩内应力和热应力,因此对配方中固化参数R值、硅微粉填料和增韧剂三个影响固化应力的因素进行正交设计优化实验,并以计算的应力值SI为参考指标,利用DMA和TMA分别表征固化产物的模量、玻璃化转变温度Tg、玻璃态CTE和橡胶态CTE,求出相应的SI值,最终确定最佳的固化比R值、硅微粉填料和增韧剂。此外,通过硅微粉尺寸的筛选发现粒径2.70μm的硅微粉具备较好的加工性能和低应力性能。后固化工艺优化条件为90℃2 h+110℃2 h+130℃2 h。PCB板固化实验及表征结果表明3种优化配方胶固化完成后PCB板翘曲率均低于0.1%,明显低于现有3A-B胶封装PCB板的翘曲率（0.346%）,且其他综合性能优良。

摘要译文

关键词：

RGB LED; 环氧封装材料; 光老化; COB封装; 低应力

学位年度：

2020

学位类型：

硕士

学科专业：

化学工程（专业学位）

导师：

贵大勇屠孟龙

中图分类号：

TQ323.5[环氧树脂及塑料⑨];TN312.8

学科分类号：

080501[材料学];081702[化学工艺]

D O I：

10.27321/d.cnki.gszdu.2020.001353