CN103408945B - 可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物、基座配方及其发光二极管元件 - Google Patents

可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物、基座配方及其发光二极管元件 Download PDF

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Abstract

本发明有关于一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，包含有：(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷、(B)含硅氢键的聚硅氧烷、(C)含保护机能填料组合、及(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂，其中该保护机能填料组合可选择为一高导热材料、一阻燃剂、一耐老化材料、一抗紫外线材料、一阻气材料、一热膨胀抑制材料及/或一耐高温材料，可使用于发光二极管元件的底座、灯杯及/或封装体的材料配方，以有效提升发光二极管元件的使用寿命及稳定性者。

Description

可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物、基座配方及其发光二极管元件
技术领域
本发明有关于一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，可应用于发光二极管元件的底座、灯杯及/或封装体的材料配方。
背景技术
在发光二极管元件(LED；lightemittingdiode)发展上，已有众多业界或学者针对LED的材质特性而开发出可有效提升LED元件使用稳定度或使用寿命的制造材质。例如台湾专利案第I373478号「硬化性树脂组成物、LED封装及其制造方法、以及光半导体」、美国专利案US7,615,387号「Additioncuringsiliconecompositioncapableofproducingacuredproductwithexcellentcrackresistance」及美国专利案第7,705,104号「Additioncurablesiliconresincompositionforlightemittingdiode」。
而先前的材料研发一般都锁定在LED的封装体，鲜少有针对LED元件的基座、底座及/或灯杯来进行材料的开发。惟，由于LED封装体的新材料中常使用到硅氧烷系材料，但硅氧烷系材料通常又很难与其它系材料有良好的粘接。
且，由于LED元件的封装体与基座经常使用不同材料，其冷热收缩率大不相同，因此，现有的底座或灯杯配方在高温、高湿的环境下容易因为粘接不牢靠或收缩率不一致而发生构件脱离或裂胶等问题，严重影响到LED元件的使用稳定度及使用寿命。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物、基座配方及其发光二极管元件，可以改善现有LED元件在使用材料配方上的缺点，进而可提升LED元件的使用稳定度及使用寿命。
为此，本发明提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，包含有：(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(1)所示：R1 nSiO(4-n)/2(1)；(B)含硅氢键的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(2)所示：R3 aHbSiO(4-a-b)/2(2)；(C)含保护机能填料组合；及(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该组成(A)的结构式(1)中的ｎ的范围为1至2。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该保护机能填料组合可选择为一高导热材料、一阻燃剂、一耐老化材料、一抗紫外线材料、一耐高温材料、一阻气材料、一热膨胀抑制材料(ThermalExpansionInhibitor)及其组合式的其中之一者。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该保护机能填料组合可选择为一氧化铝、一氧化铬、一氮化硅、一碳化硅、一氢氧化铝、一氧化锌、一氧化钛、一有机氯化物、一有机溴化物、一赤磷、一磷酸酯、一卤代磷酸酯、一氮系阻燃剂、一有机卤单体、一有机磷单体、一二氧化硅、一金属氧化物、一碳酸钙、一纳米碳管(CarbonNanotube)、一纳米碳纤(NanoFiber)、一石墨烯(Graphene)、一氮化硼、一金属氮化物、一碳纤维、一石墨、一钻石、一碳、一陶瓷、一纳米云母(NanoMica)、一反钙钛矿结构氮锰化合物(Anti-PerovskiteStructureMn3XN(X=Ge、Zn、Sn、Cu、Ge))或其组合式的其中之一者。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该(B)含硅氢基的聚硅氧烷系为一含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，且该(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷含量为1至99重量％，(B)含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷含量为1至40重量％，(C)含保护机能填料组合为1至90重量％，及(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂含量为有效的催化量至多500重量ppm，以整体聚硅氧烷重量为基准。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂含量以1至50ppm为较佳。
本发明一实施例中，提供一种可应用于发光二极管元件的聚硅氧烷组合物，其中该(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂系可选择为一铂系催化剂、一钯系催化剂或一铑系催化剂。
本发明又可以提供一种可应用于发光二极管元件的基座配方，该基座配方包含有前述的聚硅氧烷组合物。
本发明又可以提供一种发光二极管元件，包含有一基座，该基座为具备前述的聚硅氧烷组合物所制成者。
本发明一实施例中，提供一种发光二极管元件，其中该基座包括有一底座、一灯杯或一底座/灯杯。
本发明一实施例中，提供一种发光二极管元件，尚包括有一封装体，而该封装体为使用前述的聚硅氧烷组合物所制成者。
附图说明：
图1为本发明发光二极管组件及其基座一较佳实施例的构造剖面图。
图2本发明发光二极管组件及其基座又一实施例的构造剖面图。
其中，附图标记：
10发光二极管元件11基座
111底板115灯杯
13导线架131第一导线架
132第二导线架15发光二极管
17连接线19封装体
20发光二极管元件29封装体
具体实施方式
于本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料的组合物中，组成：
(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，具有整体平均组成如结构式(1)所示：
R1 nSiO(4-n)/2(1)
式中，R1可为彼此独立地不具取代基或具取代基的单价烃基、烷氧基、羟基。其中该取代基系可选自卤基、烷基、环烷基、芳基及烷氧基的组群。
n为正数，且0≦n≦2。
于本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料的组合物中，组成：
(B)含硅氢键的聚硅氧烷，具有整体平均组成如结构式(2)所示：
R3 aHbSiO(4-a-b)/2(2)
式中，R3系彼此独立地为不具取代基或具取代基的单价烃基、烷氧基、羟基，但不包括烯基。其中该取代基系可选自卤基、烷基、环烷基、芳基及烷氧基的组群。
a及b为正数。
根据本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料的组合物中，可添加组成：
(C)含高导热材料、阻燃剂、耐老化材料、抗紫外线材料、耐高温材料、一阻气材料、一热膨胀抑制材料(ThermalExpansionInhibitor)及上述各种组合式的各种保护机能填料。例如可选择系为：一氮化硅(Si3N4)、一碳化硅(SiC)、一氢氧化铝(Al(OH)3)、一有机氯化物、一有机溴化物、一赤磷、一磷酸酯、一卤代磷酸酯、一氮系阻燃剂、一有机卤单体、一有机磷单体、一二氧化硅(SiO2)、一金属氧化物、一碳酸钙、一纳米碳管(CarbonNanotube)、一纳米碳纤(NanoFiber)、一石墨烯(Graphene)、一氮化硼、一金属氮化物、一碳纤维、一石墨、一钻石、一碳、一陶瓷、一纳米云母(NanoMica)、一反钙钛矿结构氮锰化合物(Anti-PerovskiteStructureMn3XN(X=Ge、Zn、Sn、Cu、Ge))及其上述各种组合式的其中之一。而金属氧化物中又以一氧化铝(Al2O3)、一氧化铬(Cr2O3)、一氧化锌(ZnO2)、一氧化钛(TiO2)较为适合，但不以此为限。金属氮化物则以一氮化铝(AlN)较为适合，但不以此为限。
于本发明一实施例中，组成(C)的碳化硅(SiC)用量为重量比2%到20%，氧化铝(Al2O3)用量为重量比10%到100%，氢氧化铝(Al(OH)3)用量为重量比5%到50%，氧化锌(ZnO2)用量为重量比1%到10%，氧化钛(TiO2)用量为重量比1%到10%，阻燃剂用量为重量比5%到80%。
根据本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料的材料组合物，可添加组成：
(D)烯氢硅烷化反应催化剂，其系可选自一铂系、一钯系或一铑系催化剂，该等催化剂可以选择单一种类催化剂或组合二种以上的不同催化剂使用。
于本发明中，组成(D)催化剂的用量不特别受限制，通常为有效的催化量即可。以整体聚硅氧烷的重量为基准，组成(D)催化剂的用量至多为500ppm，较佳为0.1至100ppm，更佳为1至50ppm。
本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料的组合物适用于LED元件的基座(底座、灯杯)及/或封装体。本发明的另一目的为提供一种用于LED元件的基座(底座、灯杯)材料配方，该基座(底座、灯杯)材料配方包含本发明的可加热成型的聚硅氧烷与保护机能填料的组合物。
具体实施例
以下将借由具体实施例说明本发明，惟不限制本发明。于本发明实施例中，A代表含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，B代表含硅氢键的聚硅氧烷，C代表含导热，阻燃，耐老化，耐温等各种保护机能填料组合，D代表烯氢硅烷化反应催化剂。
在本发明一具体实施例中，B是以可代表含硅氢键的笼状、网状或链状的聚硅氧烷为较佳，但不以此为限。
测试样本的制作
(1).将调配完成的底座或灯杯配方材料灌入相对应模型中，然后加热至完全硬化，脱模取出待用；
(2).将相同材料系的封装胶调配好后灌入(1)中做好的灯杯(或支架)中。经60°C/1小时、120°C/2小时的热交联及硬化，以制得一测试样本。
特性评估
(1)、红墨水测试（Redinktest）
取灌封和硬化后LED灯样品浸入Merck红墨水中，在80°C下加热24小时，加热完成后，取出灌封和硬化后LED灯样品以清水冲洗，待擦干后以光学显微镜观察有无红墨水渗入。
O：在光学显微镜下未观察到红墨水渗入。
X：在光学显微镜下可观察到红墨水渗入。
(2)、回焊测试(reflowtest)
取灌封和硬化后LED灯样品，在260°C下进行回焊，每次3分钟，共进行20次，之后以光学显微镜观察。
O：在光学显微镜下未观察到裂胶、胶体起泡、灌封胶与和硬化后LED灯杯接着面脱附(peeling)或起泡等情形；
X：在光学显微镜下可观察到裂胶、胶体起泡、灌封胶与和硬化后LED灯杯接着面脱附或起泡等其中一种情形。
(3)、高温高湿后的冷热循环测试
取灌封和硬化后LED灯样品，先在85°C/85%相对湿度的条件下放置160小时，再经温度120°C及-40°C各30分钟冷热循环1000次。之后，以光学显微镜观察。
O：在光学显微镜下未观察到裂胶、胶体起泡、灌封胶与和硬化后LED灯杯接着面脱附(peeling)或起泡等情形；
X：在光学显微镜下可观察到裂胶、胶体起泡、灌封胶与和硬化后LED灯杯接着面脱附或起泡等其中一种情形。
合成实施例
实施例中的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料组合物可适用于LED元件的基座(底座及/或灯杯)的材料配方：
(A).含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷
取30%盐酸水溶液100克加入反应瓶中，之后再加入400克乙醇及甲基苯基二甲氧基硅烷50克、乙烯基三甲氧基硅烷30克、苯基三甲氧基硅烷306克，二苯基二甲氧基硅烷60克，六甲基二硅氧烷15克得到一反应混合物；
将该反应混合物于40到90°C之间进行反应2到6小时后，反应完成后，以水清洗至中性，再减压去除溶剂；
然后加入浓硫酸（H2SO4）5克，再次减压加热脱水后，中和及以水清洗至中性，再减压去除去水份得到一含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷100克。
(B).含硅氢键的聚硅氧烷
取30%盐酸水溶液100克加入反应瓶中，之后再加入400克乙醇及甲基苯基二甲氧基硅烷50克、四氢基二甲基二硅氧烷50克、苯基三甲氧基硅烷250克，二苯基二甲氧基硅烷40克，六甲基二硅氧烷10克得到一反应混合物；
将该反应混合物于40到90°C之间进行反应2到6小时后，反应完成后，以水清洗至中性，再减压去除溶剂；
然后加入浓硫酸（H2SO4）5克，再次减压加热脱水后，中和及以水清洗至中性，再减压去除去水份得到一含硅氢键的聚硅氧烷100克。
(C).含高导热材料、阻燃剂、耐老化材料、抗紫外线材料、耐高温材料及上述各种组合式的各种保护机能填料
将SiC－5克、Al2O3－50克、Al(OH)3－30克、ZnO2－2克、TiO2－5克及阻燃剂30克混合均匀后，加入旋转蒸发炉中脱掉水份。
(D).烯氢硅烷化反应催化剂
其系选自一铂系、一钯系或一铑系催化剂，该等催化剂可以单独或组合二种以上的不同催化剂使用。
（实施例1）
取(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷88克；
(B)含硅氢基的聚硅氧烷为一含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，且该含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷10克；
(C)含高导热材料、阻燃剂、耐老化材料、抗紫外线材料、耐高温材料及上述各种组合式的各种保护机能填料200克；
(D)含烯基，氢基硅烷化反应的催化剂50ppm。
经充分混合后再真空脱泡，以制得基座(底座及/或灯杯)的配方材料。
（实施例2至6）
如表1所示配方的组成重量(克)，并经充分混合后再真空脱泡，以制得实施例2至6的基座(底座及/或灯杯)配方。
(表1)
将上述实例1至6制得的基座(底座及/或灯杯)配方制作成片状测试样本，并与比较例1（PPA灯杯；聚邻苯二甲酰胺灯杯）及2（Epoxy灯杯；环氧树脂灯杯）同样以如上述所述的特性评估方法，对各样本进行红墨水测试、回焊测试、高温高湿后的冷热循环测试(-40°C/120°C)，评估结果如表1所示。
如表1所示，以本发明的可加热成型的聚硅氧烷组合物制得的基座(底座或灯杯)与同系封装胶(封装体)配合使用实例1至6，系同时使用聚硅氧烷为基础材料系及加入至少一种保护机能填料。加热硬化成支架或灯杯后再灌注相同材料的硅氧烷封装胶或封装，以光学显微镜观察并未发现有红墨水渗入，且经回焊测试及经高温高湿后的冷热循环测试（在-40°C/120°C的条件下测试）也未发现有脱模、脱附等情形。
反观比较例1（PPA灯杯）及2（Epoxy灯杯），分别缺少本发明的可加热成型的聚硅氧烷组合物，该等红墨水测试、回焊测试、冷热循环测试的性质不佳。
由此显见，本发明的可加热成型的聚硅氧烷与含保护机能填料组合物，可使LED支架、基座、底座或灯杯与同系的封装胶在封装硬化后兼具相同的冷热收缩率、优异的耐脱模性、耐脱附胶性及耐温差冲击性，且因可挤出加热成型而具有生产简便的优势，适合应用于基座(底座及/或灯杯)材料或其它商业用途。
发光二极管元件制作
请参阅图1，系为借由前述本发明的聚硅氧烷与含保护机能填料组合物所制成的LED元件一较佳实施例的构造示意图。如图所示，系为一表面封装型的发光二极管元件10，亦可称为一芯片型LED元件或一平面型LED元件，其主要系在一底座111上设有复数个相互不连接的导线架13，例如第一导线架131及第二导线架132，于第一导线架131上固定有一发光二极管(LED)15，并借由一连接线17而连接至第二导线架132，以致使第一导线架131、LED15、连接线17及第二导线架132可形成一导电通路。
于导线架13的外围位置凸设有一灯杯(或称环状体)115，以致使灯杯115与底座111、导线架13之间可形成一可置放LED15的空间，此置放空间内则充填一封装体19，借此以保护LED15。
本发明如前所述的聚硅氧烷组合物(包含保护机能填料)可使用于LED元件10的基座11，以作为底座111、灯杯115或底座111及灯杯115(两个都是)的制作材料。
由于本发明LED元件10的一个较佳实施例中，其基座11、底座111、灯杯115及封装体19都是使用相同、类似或近似的聚硅氧烷组合物所制成，彼此间的材质物性或化学性质都比较相近，因此可获得较质优的黏着性及防撞性。
又，即便LED元件10的封装体19因为出光需要而选择与基座11(底座111及/或灯杯115)不同的制作材料，本发明的聚硅氧烷组合物(包含保护机能填料)也可以让基座11(底座111及/或灯杯115)获得比较好的导热性、阻燃性、耐老化性、抗紫外线性及/或耐高温性等保护性能，也同样可以达到确保基座11(底座111及/或灯杯115)运作稳定性，并相对确保LED元件10的使用寿命。
又，请参阅图2，系为本发明发光二极管元件又一实施例的构造示意图。在此实施例中，本发明亦可适用于透镜型或凸面型的发光二极管元件20，其与图1的差异主要在于基座11只有底座(111)，而不具有灯杯(115)，且封装体29系为一凸面或一凹面的透镜面。
同理，在此实施例中，其基座11及/或封装体29亦可选用如前所述的聚硅氧烷组合物(包含保护机能填料)所制成，也同样可以达到确保LED元件20的使用稳度性及使用寿命。
说明书的组合物、配方或LED元件中所描述的也许、必须及变化等字眼并非本发明的限制。说明书所使用的专业术语主要用以进行特定实施例的描述，并不为本发明的限制。说明书所使用的单数量词(如一个及该个)亦可为复数个，除非在说明书的内容有明确的说明。例如说明书所提及的一个装置可包括有两个或两个以上的装置的结合，而说明书所提的一物质则可包括有多种物质的混合。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可应用于发光二极管元件的基座配方，其特征在于，该基座配方包含一聚硅氧烷组合物，该聚硅氧烷组合物包含有：
(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(1)所示：
R1 nSiO(4-n)/2(1)；
(B)含硅氢键的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(2)所示：
R3 aHbSiO(4-a-b)/2(2)；
(C)含保护机能填料组合；及
(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂。
2.根据权利要求1所述的基座配方，其特征在于，该组成(A)的结构式(1)中的n的范围为1至2。
3.根据权利要求1所述的基座配方，其特征在于，该保护机能填料组合选择为一高导热材料、一阻燃剂、一耐老化材料、一抗紫外线材料、一耐高温材料、一阻气材料、一热膨胀抑制材料及其组合式的其中之一者。
4.根据权利要求3所述的基座配方，其特征在于，该保护机能填料组合选择为一氮化硅、一碳化硅、一氢氧化铝、一有机氯化物、一有机溴化物、一赤磷、一磷酸酯、一卤代磷酸酯、一氮系阻燃剂、一有机卤单体、一有机磷单体、一二氧化硅、一金属氧化物、一碳酸钙、一纳米碳管、一纳米碳纤、一石墨烯、一氮化硼、一金属氮化物、一碳纤维、一石墨、一钻石、一碳、一陶瓷、一纳米云母、一反钙钛矿结构氮锰化合物及其组合式的其中之一者。
5.根据权利要求1所述的基座配方，其特征在于，该(B)含硅氢基的聚硅氧烷为一含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，且该(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷含量为1至99重量％，(B)含硅氢基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷含量为1至40重量％，(C)含保护机能填料组合为1至90重量％，及(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂含量为有效的催化量至多500重量ppm，以整体聚硅氧烷重量为基准。
6.根据权利要求5所述的基座配方，其特征在于，该(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂含量以1至50ppm为较佳。
7.根据权利要求1所述的基座配方，其特征在于，该(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂可选择为一铂系催化剂、一钯系催化剂或一铑系催化剂。
8.一种发光二极管元件，包含有一基座，其特征在于，该基座为由一聚硅氧烷组合物所制成者，该聚硅氧烷组合物包含有：
(A)含烯基的笼状、网状或链状的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(1)所示：
R1 nSiO(4-n)/2(1)；
(B)含硅氢键的聚硅氧烷，其整体平均组成如结构式(2)所示：
R3 aHbSiO(4-a-b)/2(2)；
(C)含保护机能填料组合；及
(D)含烯氢硅烷化反应的催化剂。
9.根据权利要求8所述的发光二极管元件，其特征在于，该基座包括有一底座、一灯杯或一底座/灯杯。
10.根据权利要求8所述的发光二极管元件，其特征在于，还包括有一封装体，该封装体为使用该聚硅氧烷组合物所制成者。
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