LED高耐硫膠水設(shè)計(jì)運(yùn)用案例分享
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不論燈珠形式，不論何種燈具，硫化發(fā)黑和鹵素發(fā)黑是LED終端經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)問題，通常是LED支架反射銀層與環(huán)境中硫元素或者鹵素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的外觀發(fā)黑，這種發(fā)黑通常不可逆，造成非常大的光衰。
而導(dǎo)致發(fā)黑的硫或鹵素來源非常普遍，除了燈具中常用的部分關(guān)鍵零部件，還有就是燈具所處的大氣環(huán)境。從圖二和圖三可以看到，即使我們可以在燈具中避免使用含有危害元素的材料，我們也無法避免大氣中的硫元素侵入。
圖二 燈具中可能含有危害元素的材料
圖三 環(huán)境中可能有害元素來源
硫化導(dǎo)致的燈珠發(fā)黑通過儀器檢測比較容易判斷，進(jìn)而找到源頭進(jìn)行有效管控。如圖四元素分析測試，在發(fā)黑區(qū)域檢測到明顯的硫元素存在，而在膠體中沒有硫元素存在，同時(shí)檢測到燈盤的光油上面有硫元素，了解到根本原因及污染源，就比較容易解決問題。
圖四 硫化發(fā)黑燈珠元素分析
硫化發(fā)黑，是因?yàn)殂y和硫元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了硫化銀，不僅改變了銀的特性，也破壞了鍍銀層規(guī)整的物理結(jié)構(gòu)，從外觀看到發(fā)黑的現(xiàn)象。從硫化發(fā)黑的反應(yīng)機(jī)理來看，環(huán)境中的硫化氫和銀反應(yīng)的活性最高，通常環(huán)境中含有0.2ppb就會(huì)導(dǎo)致銀層發(fā)黑。
同時(shí)從硫化氫的反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系圖中可以看到，當(dāng)燈珠點(diǎn)亮溫度超過50°C，隨著溫度升高，反應(yīng)速率線性提高。這就指導(dǎo)我們在設(shè)計(jì)燈具時(shí)一定要避免采用會(huì)釋放硫化氫的材料，同時(shí)注意散熱，避免燈珠長時(shí)間處于較高的溫度。
導(dǎo)致發(fā)黑的異常元素除了硫之外，鹵素也會(huì)和銀層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致銀層發(fā)黑。
通常含氯有機(jī)物在熱、光、力、氧等作用下，首先分解放出氯化氫(HCl)，若不能及時(shí)清除放出的HCl，則會(huì)加速其后有機(jī)物的熱降解，繼續(xù)生成大量HCl。Ag在電、熱以及有氧的條件下，會(huì)與HCl發(fā)生氧化還原反應(yīng):
4Ag+4HCl+o2=4AgCl+2H2o
同等條件下Ag與Br的反應(yīng)活性高于Cl，并且生成的AgBr見光分解，也是大部分溴化導(dǎo)致的發(fā)黑很難通過元素測試發(fā)現(xiàn)溴元素。
此外，因?yàn)楹芏喾庋b廠用合金線替代金線，硫化或者鹵素導(dǎo)致的線材發(fā)黑的失效也是常有發(fā)生，從金屬的電勢和表面電離能來看，我們可以看到金的活性要比銀低的多，不容易發(fā)生硫化或者鹵化反應(yīng):
a.電勢而言:ΦAg+/Ag=0.7991V、ΦAu+/Au=1.68V。
b.電離能而言:Ag=731、Au=890。
所以就活潑性而言，Ag要比Au大。這也是合金線比金線更容易被氧化變黑的原因。燈珠中合金線先被鹵化或者硫化生成鹵化銀或者硫化銀，會(huì)造成以下影響:生成鹵化銀或者硫化銀使得合金線電阻增大，導(dǎo)電性降低，進(jìn)而影響合金線與芯片焊點(diǎn)及芯片的導(dǎo)電性能，造成芯片發(fā)熱增大，進(jìn)而加速了支架鍍銀層黑化。
所有的檢測、分析、原理解釋都是為了尋找解決方案，以上內(nèi)容可以給燈具廠和封裝廠在方案設(shè)計(jì)的時(shí)候提供一定的參考。而對(duì)于封裝材料尤其是膠水和支架材料供應(yīng)商，為了加強(qiáng)銀材發(fā)黑的預(yù)防，必須弄清楚異常元素侵入燈珠的路徑，從圖七中可以看到，支架縫隙、封裝膠本體以及封裝膠與支架的接觸面都是異常元素進(jìn)入燈珠的主要途徑，對(duì)于支架供應(yīng)商而言，就要想辦法縮小支架塑料材和金屬材之間的縫隙，尤其是控制過完回流焊以后的縫隙大小。降低硫或者鹵素元素通過膠體滲透的思路基本相似，以下就以硫化改善為例，結(jié)合我們設(shè)計(jì)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)做一些介紹:
①通過提高膠水固化后的網(wǎng)絡(luò)密度，降低交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格大小。
大家普遍采用的方式就是提高膠水固化交聯(lián)度，這也是最有效最直接的方式，但通過這種途徑調(diào)整的膠水固化后膠水模量偏高，同等條件下會(huì)降低膠水的耐冷熱沖擊性能，調(diào)整到一定程度就會(huì)達(dá)到極限。而通過有機(jī)硅中間體設(shè)計(jì)，使得配方在固化過程中形成大小球結(jié)構(gòu)，大小球直接通過網(wǎng)絡(luò)互穿連接，這樣堆積密度可以大大提高，同時(shí)因?yàn)榇笮∏蛑g的可控滑動(dòng)，對(duì)冷沖的影響幾乎可以忽略。從實(shí)際測試的數(shù)據(jù)來看，相同硬度下，該方案有3-5%的抗硫化提升。
②改善膠水和支架界面的附著力。常規(guī)的附著力助劑都是小分子
雖然可提升附著力，但是在高溫或高濕下，小分子會(huì)發(fā)生部分遷移，導(dǎo)致附著力下降。如果選擇一些大分子的附著力助劑，就需要解決其和有機(jī)硅本體相容性的問題，相容性不好就會(huì)導(dǎo)致不同批次膠水之間的差異性。
③提高膠水固化過程中對(duì)支架縫隙的填充性。
如果用一些小分子或者短鏈高分子進(jìn)行填充，會(huì)對(duì)配方的其他特性造成明顯影響，比如揮發(fā)份變高、局部脆化等。通過在配方中加入特定結(jié)構(gòu)的超支化有機(jī)硅中間體，可以很好地兼顧填充性和機(jī)械特性。
未來應(yīng)用發(fā)展趨勢
主流LED封裝膠產(chǎn)品趨勢依然會(huì)繼續(xù)圍繞抗硫化、耐熱、耐冷熱沖擊三個(gè)方面進(jìn)行提升，同時(shí)大家都在積極開發(fā)一些藍(lán)海市場的有機(jī)硅產(chǎn)品，比如信越布局的芯片封裝和薄膜封裝產(chǎn)品，慧谷化學(xué)布局的薄膜封裝熱熔膠產(chǎn)品。此外，還有一些更加細(xì)分應(yīng)用的產(chǎn)品有明顯的終端需求：
1、超高耐熱低折膠水，主要用于高功率密度COB上，長期使用局部溫度保守估計(jì)在250°C以上。
2、UV固化有機(jī)硅膠水，可將現(xiàn)有的加熱固化部分或者全部改為UV固化。
提高LED出光封裝材料，燈珠的出光和光取出率息息相關(guān)，目前來看，單純從封裝膠實(shí)現(xiàn)1%亮度提升對(duì)于封裝廠都是非常有吸引力，這也是封裝硅膠未來的一個(gè)技術(shù)方向。
LED封裝膠與市面通用產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)比
從功能來看，有機(jī)硅主要應(yīng)用于密封、粘合、潤滑、表面活性、脫模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。隨著有機(jī)硅材料種類的持續(xù)增長，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，形成化工新材料界獨(dú)樹一幟的重要產(chǎn)品體系，許多品種是其他化學(xué)品無法替代而又必不可少的。
LED封裝硅膠要求產(chǎn)品同時(shí)具有光色特性、電學(xué)特性、機(jī)械特性、高耐熱特性以及和多種材料的界面匹配特性，而這些匹配材料包括不同材質(zhì)的金屬材料和非金屬材料。所有這些特性不僅要考慮即時(shí)特性，更要關(guān)注長期老化后的性能水平。
從材料需求來看，LED封裝硅膠無疑屬于難度極高的有機(jī)硅材料行列。與此同時(shí)，因?yàn)長ED整個(gè)行業(yè)還處于高度競爭階段，為了在市場上設(shè)計(jì)出有差異化的產(chǎn)品，出現(xiàn)了不同特性需求的LED封裝硅膠，主流產(chǎn)品的更新?lián)Q代也是非常快速，這就需要不斷地加大研發(fā)投入。
以上兩個(gè)方面會(huì)加速LED封裝硅膠供應(yīng)鏈快速洗牌，未來可能進(jìn)入全價(jià)值鏈強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的模式。
從材料需求來看，LED封裝硅膠無疑屬于難度極高的有機(jī)硅材料行列。與此同時(shí)，因?yàn)長ED整個(gè)行業(yè)還處于高度競爭階段，為了在市場上設(shè)計(jì)出有差異化的產(chǎn)品，出現(xiàn)了不同特性需求的LED封裝硅膠，主流產(chǎn)品的更新?lián)Q代也是非常快速，這就需要不斷地加大研發(fā)投入。
以上兩個(gè)方面會(huì)加速LED封裝硅膠供應(yīng)鏈快速洗牌，未來可能進(jìn)入全價(jià)值鏈強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的模式。
（本文來源：阿拉丁新聞中心）
