LED封止用シリコーン樹脂に関する研究

LED（発光ダイオード）は省エネ・環境保護、長寿命、低使用電圧、スイッチング時間短縮などの特徴を持ち、照明、ディスプレイ、バックライトなど多くの分野で広く使用されています。現在、より高輝度、高演色性、高耐候性、高発光均一性を備えた成熟した技術方向に発展しています。.

LEDパッケージングの重要性

LED産業チェーンは上流・中流・下流に分けられ、それぞれLEDチップ、LEDパッケージング、LED照明応用となります。LED産業チェーンにおける上下流を結ぶLEDパッケージングは、産業チェーン全体において重要な役割を果たしています。.

LEDはLEDチップ、ボンディングワイヤー、LEDリードフレーム、導電性接着剤、封止材料などで構成されており、封止材料はLEDの性能と寿命に影響する重要な要素の一つです。.

LED封止材料としてシリコーン材を選択する理由

現在、光透過性への特殊な要求から、市場で主に使用されている材料はエポキシ樹脂、シリコーン、ポリカーボネート、ガラス、ポリメタクリル酸などの高透明性材料です。しかし、これらの材料の多くは硬化して加工が不便なため、基本的に外側レンズ材料として使用されています。.

従来のLED用エポキシ樹脂封止材料は、内部応力の大きさ、耐熱性の低さ、経年劣化しやすいなどの欠点があり、発展し続けるLEDパッケージング材料のニーズを満たせず、シリコーン材料またはシリコーン改良材料に徐々に置き換えられつつあります。.

シリコーン材料は低応力材料であり、高い耐紫外線性と耐老化性を備えており、LED封止材料として理想的です。シリコーン樹脂の光透過率はLEDデバイスの発光強度と効率に比例し、光透過率が高いほどLEDデバイスの発光強度と効率の向上に寄与します。窒化ガリウムチップは屈折率が高く（約2.2）、一般的なシリコーン材料の屈折率は1.4しかないため、シリコーン材料の屈折率を上げることでチップの屈折率との差を減らし、界面反射・屈折による光損失を低減し、LEDデバイスの光効率を高めることができます。.

LEDパッケージング用改良型エポキシ樹脂

エポキシ樹脂は高い屈折率と光透過性を持ち、機械的特性と接着性も非常に優れているため、市場にはまだ一部の製品が残っています。シリコーン官能基を導入してエポキシ樹脂を改良することで、エポキシ樹脂の耐高温性能と耐衝撃性を向上させ、製品の収縮率と熱膨張を低減し、過酷な環境下でも製品の応用範囲を拡大できます。反応メカニズムによれば、シリコーン改良エポキシ樹脂は物理的混合と化学的共重合の二つの方法に分けられます。.

化学的共重合法は、シリコーンポリマー上のヒドロキシ基やアルコキシ基などの活性基を利用して、エポキシ樹脂上のエポキシ基と反応させ、改良を目的とした共重合体を生成します。2007年に既にこの方法を用いて、シリコーン共重合体改良エポキシ封止材料をLED製品に適用する研究が行われ、実験によりこの封止プロセス法が封止材料の耐衝撃性および耐高低温度性を顕著に向上させ、収縮率と熱膨張係数を大幅に低減できることが証明されました。.

シリコーンエポキシ樹脂は、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂の両方の利点を反映できるため、近年より広く使用されています。機械的特性、接着性、耐老化性、耐紫外線性、屈折率、光出力などで優れた性能を示し、LEDパッケージング材料の今後の研究方向であり、重要な進展をもたらすことは確実です。.

LED封止用シリコーン樹脂

1. シリコーン材料の特性

シリコーンポリマーは主鎖としてSi-O結合を持ち、有機基がシリコン原子に結合しています。例えば、R3 SiO1/2（M）、R3 SiO2/2（D）、R3 SiO3/2（T）、R3 SiO2（Q）などの鎖構造が一定の割合で結合されています。Si-O結合エネルギーは高く、優れた耐高温性や耐放射線性を可能にし、Si-O結合角は大きいため、材料の分子鎖を柔軟にします。シリコーン材料は耐熱性と黄変防止性に優れた性質を持ち、屋外環境での使用が可能です。シリコーン材料は改良が容易で、屈折率を向上させる硫黄、ベンゼン、フェノール、エポキシ基などの官能基を側鎖に導入することで、封止材料の屈折率を向上させ、LEDデバイスの発光効率を高めることができます。.

2. シリコーン樹脂の合成

屈折率により、低屈折率（1.4）と高屈折率（1.5）の2種類に分類されます。シリコーン材料の屈折率が高いほど光取り出し効率が向上するため、シリコーン材料の屈折率は可能な限り高める必要があります。.

シリコーン樹脂は一般的に有機シランを原料とし、溶媒存在下での加水分解および重縮合によって調製される。合成の原材料は一般にクロロシランまたはアルコキシシランである。具体的なプロセスは以下の通りである：第一に、シランが一定条件下でシラノールへ加水分解され、第二に、シラノール自体が重縮合反応を起こし、第三に、水洗による中和と濃縮により低分子を除去し、シリコーン樹脂を得る。.

シリコーンゴム封止材料

また、LED用シリコーン封止材料は金型成形用液状シリコーンゴムからも製造可能です。液状シリコーンゴム封止材料は、ビニル基含有直鎖状ポリシロキサンを基礎ポリマーとし、ビニルシリコーン樹脂を補強フィラーとし、水素含有シリコーンオイルを架橋剤として構成されます。成形用シリコーンゴムは加硫工程で副生成物を発生せず、収縮率が極めて小さく、高い架橋密度を有することから、多くの分野で広く採用されています。白色LEDデバイスの封止材料として成形用シリコーンポリマーを使用することで、コスト削減とLEDの寿命向上効果が得られます。低粘度液状シリコーンゴムは優れた浸透性を備えています。.

GaNベースの高出力白色LEDは現在の開発の焦点です。高発熱、短波長などの特性を持ち、封止材料の性能に厳格な要件が求められます。同時に、高屈折率、耐紫外線性、耐熱老化性、低応力を備えた封止材料を使用することで、LEDの発光出力を著しく向上させ、製品のポットライフ（封止樹脂の作業時間）の延長も可能です。また、高出力LEDデバイスの開発においても、シリコーン封止材料には高透明性・高屈折率・耐紫外線老化性・耐熱老化性を備えた製品の早期開発が求められています。シリコーン材料の屈折率が低い、接着性が劣る、機械的強度が低いといった課題に対し、エポキシ変性法により両者の利点を組み合わせる、または無機材料とのハイブリッド化によってシリコーン材料の屈折率向上が図られています。.