Étude sur la résine en silicone pour l'encapsulation des LED

La LED (diode électroluminescente) présente des caractéristiques d'économie d'énergie, de respect de l'environnement, de longue durée de vie, de basse tension d'utilisation et de temps de commutation court, et est largement utilisée dans l'éclairage, l'affichage, le rétroéclairage et de nombreux autres domaines. Actuellement, elle évolue vers des technologies matures de plus grande luminosité, haute couleur, haute résistance aux intempéries et haute uniformité lumineuse.

 

Pourquoi l'encapsulation des LED est-elle importante ?

La chaîne d'approvisionnement de l'industrie LED peut être divisée en amont, intermédiaire et aval, qui sont respectivement les puces LED, l'encapsulation LED et les applications d'éclairage LED. En tant qu'élément intermédiaire dans la chaîne d'approvisionnement de l'industrie LED, l'encapsulation joue un rôle important dans l'ensemble de la chaîne.

 

La LED est composée d'une puce LED, d'un fil de connexion, d'un support LED, d'adhésifs conducteurs, de matériaux d'encapsulation, etc., parmi lesquels les matériaux d'encapsulation sont l'un des facteurs clés affectant les performances et la durée de vie de la LED.

Pourquoi utiliser du silicone pour l'encapsulation des LED ?

Actuellement, en raison des exigences spécifiques en matière de transmission lumineuse, les principaux matériaux utilisés sur le marché sont la résine époxy, le silicone, le polycarbonate, le verre, le polyméthacrylate et d'autres matériaux haute transparence. Cependant, comme la plupart de ces matériaux sont durcis et difficiles à usiner, ils sont généralement utilisés comme matériaux pour les lentilles externes.

 

Les matériaux traditionnels d'encapsulation en résine époxy pour LED présentent des défauts tels qu'une contrainte interne élevée, une faible résistance à la chaleur et une tendance au vieillissement, ne pouvant satisfaire les besoins croissants des matériaux d'encapsulation LED, et sont progressivement remplacés par des matériaux en silicone ou des matériaux modifiés au silicone.

 

 

Les matériaux en silicone sont des matériaux à faible contrainte avec une haute résistance aux UV et au vieillissement, ce qui en fait des matériaux idéaux pour l'encapsulation LED. La transmittance lumineuse de la résine de silicone est proportionnelle à l'intensité lumineuse et à l'efficacité des dispositifs LED ; plus la transmittance est élevée, plus elle favorise l'augmentation de l'intensité lumineuse et de l'efficacité des dispositifs LED. Étant donné que les puces au nitrure de gallium ont un indice de réfraction élevé (environ 2,2) et que l'indice de réfraction des matériaux en silicone généraux n'est que de 1,4, améliorer l'indice de réfraction des matériaux en silicone peut réduire la différence avec l'indice de réfraction de la puce, diminuer la perte lumineuse causée par la réflexion et la réfraction à l'interface, et améliorer l'efficacité lumineuse des dispositifs LED.

 

Résine époxy modifiée pour l'encapsulation des LED

La résine époxy a un indice de réfraction et une transmittance lumineuse élevés, et ses propriétés mécaniques et adhésives sont assez bonnes, c'est pourquoi certains produits de ce type restent sur le marché. En introduisant des groupes fonctionnels de silicone pour modifier les résines époxy, les performances à haute température et la résistance aux chocs des résines époxy peuvent être améliorées, le retrait et la dilatation thermique des produits peuvent être réduits, et la gamme d'applications des produits peut être élargie, même dans des environnements difficiles. Selon le mécanisme de réaction, les résines époxy modifiées au silicone peuvent être divisées en deux méthodes : le mélange physique et la copolymérisation chimique.

 

La méthode de copolymérisation chimique utilise les groupes actifs sur le polymère de silicone, tels que les groupes hydroxyle et alcoxy, pour réagir avec les groupes époxy de la résine époxy afin de produire un copolymère à des fins de modification. Dès 2007, cette méthode a été utilisée pour mener des recherches sur l'utilisation de matériaux d'encapsulation à base de résine époxy modifiée par copolymère de silicone pour les produits LED, et leurs expériences ont démontré que cette méthode d'encapsulation pouvait améliorer significativement la résistance aux chocs et la résistance aux températures élevées et basses des matériaux d'encapsulation, et réduire considérablement le retrait et le coefficient de dilatation thermique.

 

La résine époxy-silicone a récemment été plus largement utilisée car elle peut refléter les avantages à la fois de la résine époxy et de la résine de silicone. Elle a montré d'excellentes performances en termes de propriétés mécaniques, d'adhésion, de résistance au vieillissement, de résistance aux UV, d'indice de réfraction, de flux lumineux, etc. C'est une direction de recherche future pour les matériaux d'encapsulation LED et connaîtra certainement des progrès significatifs.

 

Résine de silicone pour l'encapsulation des LED

1 Caractéristique des matériaux en silicone

Les polymères de silicone ont des liaisons Si—O comme chaîne principale, et des groupes organiques sont connectés aux atomes de silicium, par exemple, R3 SiO1 /2(M) 、R3 SiO2 /2(D) 、R3 SiO3 /2(T) 、R3 SiO2(Q) et d'autres segments de chaîne sont combinés dans une certaine proportion ; l'énergie de liaison Si-O est élevée, ce qui leur confère une meilleure résistance à la chaleur ou aux radiations, et l'angle de liaison Si-O est large, ce qui peut rendre la chaîne moléculaire du matériau flexible. Les matériaux en silicone possèdent d'excellentes propriétés en termes de résistance à la chaleur et d'anti-jaunissement, ce qui leur permet d'être utilisés dans des environnements extérieurs. Les matériaux en silicone sont faciles à modifier, et des groupes fonctionnels améliorant l'indice de réfraction, tels que des groupes soufre, benzène, phénol et époxy, peuvent être introduits dans la chaîne latérale pour augmenter l'indice de réfraction des matériaux d'encapsulation et améliorer le rendement lumineux du dispositif LED.

2 Synthèse de la résine de silicone

Selon son indice de réfraction, on peut le diviser en deux types : indice de réfraction bas (1,4) et indice de réfraction élevé (1,5). Étant donné que plus l'indice de réfraction du matériau en silicone est élevé, plus l'efficacité d'extraction de la lumière est importante, il convient d'augmenter autant que possible l'indice de réfraction du matériau en silicone.

 

Les résines de silicone sont généralement préparées à partir d'organosilanes par hydrolyse et polycondensation en présence de solvants. La matière première de la synthèse est généralement du chlorosilane ou de l'alcoxysilane. Le processus spécifique est le suivant : premièrement, le silane est hydrolysé en silanol dans certaines conditions ; deuxièmement, le silanol subit une réaction de polycondensation ; troisièmement, il est neutralisé par lavage à l'eau et concentré pour éliminer les petites molécules afin d'obtenir de la résine de silicone.

 

Matériaux d'encapsulation en caoutchouc de silicone

Les matériaux d'encapsulation LED en silicone peuvent également être fabriqués à partir de caoutchouc de silicone liquide moulé. Le matériau d'encapsulation en caoutchouc de silicone liquide est constitué de polysiloxane linéaire contenant du vinyle comme polymère de base, de résine de silicone vinylique comme charge de renforcement et d'huile de silicone contenant de l'hydrogène comme agent de réticulation. Le caoutchouc de silicone de moulage ne produit pas de sous-produits lors du processus de vulcanisation, présente un taux de rétrécissement très faible et possède également une densité de réticulation élevée, ce qui le rend largement utilisé dans de nombreux domaines. L'utilisation de polymères de silicone moulés comme matériaux d'emballage pour les dispositifs LED blancs a pour effet de réduire les coûts et d'améliorer la durée de vie des LED. Le caoutchouc de silicone liquide à faible viscosité possède une excellente capacité de pénétration.

 

 

La LED blanche de puissance à base de GaN est au centre du développement actuel. Elle présente les caractéristiques de chaleur élevée, de longueur d'onde lumineuse courte, etc., et impose des exigences plus strictes sur les performances des matériaux d'encapsulation. Parallèlement, l'utilisation de matériaux d'encapsulation à indice de réfraction élevé, résistants aux UV, vieillissant à la chaleur et à faible contrainte peut améliorer considérablement la puissance de sortie lumineuse de la LED et prolonger également la durée de vie du produit en pot. En même temps, le développement de dispositifs LED haute puissance exige également que les matériaux d'encapsulation en silicone développent rapidement des produits avec une transparence élevée, un indice de réfraction élevé, une résistance au vieillissement UV et au vieillissement thermique. Compte tenu des problèmes des matériaux en silicone, tels qu'un faible indice de réfraction, une faible adhérence et une résistance mécanique limitée, la méthode de modification par époxy est utilisée pour combiner les avantages des deux ou pour le mélanger avec des matériaux inorganiques afin d'améliorer l'indice de réfraction des matériaux en silicone.