用于LED封裝的高折射率單組分低溫快速固化環(huán)氧體系

光學透明封裝劑是LED、CMOS傳感器和光學器件封裝的關鍵材料，為LED die和其他光學芯片的封裝提供了所需的物理和機械保護，對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械、電氣性能，是LED應用中最常用的環(huán)氧樹脂封裝劑。然而，這種類型的封裝劑具有限制其應用的缺點。

首先，DGEBA/MHHPA型封裝劑在室溫下不穩(wěn)定，需要低溫儲存。為了避免這種低溫儲存，它通常為雙組分，需要現場混合和脫氣。這不僅給最終用戶帶來不便，還可能導致操作錯誤，導致應用程序效果不佳。

其次，DGEBA/MHHPA系統(tǒng)需要在高溫下長時間固化，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)模生產效率的角度來看，這種固化條件也是一個缺點。

第三，環(huán)氧/酸酐體系的折射率比基于其他典型環(huán)氧樹脂的體系高約1.53–1.54，但仍遠低于LED die片的折射率。當光以特定入射角從die進入封裝劑時，這種折射率的差異會導致總的內部反射，從而導致LED封裝的低光提取。除了低光輸出外，捕獲的光還將能量轉化為熱量，這給封裝帶來了更多問題。如今，隨著大功率LED越來越受歡迎，并被認為是未來的光源，這些問題變得更加嚴重。

UV固化環(huán)氧樹脂體系在室溫下是穩(wěn)定的，因此可以作為單組分產品。UV固化環(huán)氧樹脂體系可能比DGEBA/MHHPA體系獲得更高的折射率。但是，當需要良好的透明度時，UV固化環(huán)氧樹脂系統(tǒng)通常用于涂料應用。在LED應用中，封裝劑要厚得多，需要更強烈的紫外線暴露或熱后固化，從而導致發(fā)黃問題。包裝行業(yè)也不愿為大規(guī)模生產需求配備昂貴的紫外線固化設備。在熱固化類別中，據報道，當使用潛陽離子催化劑時，環(huán)氧樹脂的陽離子聚合是導致室溫穩(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應用。關于透明陽離子環(huán)氧樹脂體系的信息非常有限。

文獻信息：

本文設計了一種具有高折射的陽離子低溫固化的新型單組分透明環(huán)氧樹脂封裝劑。

文獻內容：

1、陽離子熱固化體系

Nacure Super XC-7231是一種六氟化銻銨。它具有良好的低溫固化能力。當在DGEBA中使用時，按重量計1%，該系統(tǒng)在室溫下穩(wěn)定至少6個月。并且該引發(fā)劑是100%固體，在固化過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。而光學透明度對于LED和其他光學封裝劑是重要的。因此，需要低水平的引發(fā)劑來保持變色最小。然而，引發(fā)劑的水平應該達到一定的水平，以便聚合以合理可行的速度進行。根據制造商的建議，在固化DGEBA時分別嘗試了0.25、0.5和1.0phr（每百克樹脂）的XC-7231。

發(fā)現在1.0phr引發(fā)劑水平下，固化材料在150℃下熱后固化數小時后變黃。根據前面的討論，1.0phr的引發(fā)劑水平太高，無法保持合理的光學透明。而在0.25phr水平下，引發(fā)劑不足以進行所需的聚合。在0.5phr引發(fā)劑水平下，表明在所需的速度下進行了適當的聚合。因此，選擇0.5phr作為聚合的引發(fā)劑水平。

2、脂環(huán)族樹脂對聚合反應的影響

脂環(huán)族環(huán)氧樹脂具有比DGEBA更高的陽離子聚合反應活性。添加CEL 2021P導致較低的起始溫度和峰值溫度，表明較高的反應性。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陽離子引發(fā)劑水平下，添加脂環(huán)族樹脂不會增加最終交聯(lián)密度。進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，可以得出結論，即使沒有脂環(huán)族樹脂，在120℃固化30分鐘也足以使純DGEBA實現完全聚合。三種體系相似的熱穩(wěn)定性進一步證實了這一結論。

當添加量脂環(huán)族樹脂CEL2021P為5wt%時，也用0.25phr陽離子引發(fā)劑加入到DGEBA中，起始溫度降低，反應熱增加，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不足以在當前固化條件下，即在120℃下30分鐘實現完全聚合。比較圖4中0.5 phr和0.25 phr的系統(tǒng)的熱譜圖，0.5 phr的體系確實顯示出更好的熱穩(wěn)定性。

3、透光性

當使用合適的催化劑時，DGEBA/MHHPA封裝劑的優(yōu)點之一是其良好的光學透明度。在瞄準更高的折射率的同時，陽離子密封劑需要保持盡可能多的透射。

將陽離子固化的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行比較。在350nm以上，這兩種體系具有相當的透射率，這意味著與酸酐固化的體系相比，陽離子固化的DGEBA在可見光和近紅外區(qū)域中具有同樣良好的透明度。

4、折射率

陽離子固化的體系比酸酐固化的DGEBA具有更高的折射率。陽離子體系是由DGEBA的均聚反應產生的，在網絡中沒有酸酐結構的情況下，陽離子體系具有更高密度的芳香結構，從而導致更高的折射率。脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的加入對折射率有負面影響。這可以用CEL2021P的飽和結構來解釋。當CEL2021P結合到交聯(lián)網絡中時，芳香環(huán)結構的密度降低，導致最終產物的折射率降低。因此，在陽離子DGEBA體系中加入脂環(huán)族樹脂是有爭議的，當使用它來提高反應性以使折射率的下降最小化時需要小心。

折射率是LED封裝材料的一個重要光學特性。與典型的環(huán)氧樹脂封裝劑（約1.5）相比，LED die具有更高的折射率（大于1.8）。當光入射角等于或大于臨界角時，在LED die中產生的光被完全反射回來，或者換句話說，被困在die內部，導致光輸出低。因此，封裝劑的折射率越大，LED器件的光提取就越高。

研究結論

1、由六氟化銻銨引發(fā)的DGEBA陽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。它的低溫和快速固化能力有助于節(jié)省能源和提高生產率。

3、使用這種陽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、未來的工作將集中在新封裝劑的長期穩(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?；诮Y果，可能需要添加劑，如增粘劑、抗氧化劑、抗紫外線劑，以進一步優(yōu)化封裝劑配方。