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冯亚凯 天津大学化工学院教授

LED
具有节能环保、寿命长、使用电压低、开关时间短等特点,广泛应用于照明、显示、背光等诸多领域。目前正朝更高亮度、高色彩性、高耐气候性、高发光均匀性等方向发展。LED
产业链可分为上、中、下游,分别是LED 外延芯片、LED 封装及LED
应用。作为LED 产业链中承上启下的LED
封装,在整个产业链中起着重要作用。LED
由芯片、导线、支架、导电胶、封装材料等组成,其中,封装材料是影响LED
性能和使用寿命的关键因素之一。目前,封装材料由于其对透光性的特殊要求,目前市面上使用的主要有环氧树脂、有机硅、聚碳酸酯、玻璃、聚甲基丙烯酸酯等高透明度材料。但由于这些材料多数硬度较大且加工不方便,故基本上用于外层透镜材料。传统的LED
环氧树脂封装材料存在内应力大、耐热性差、容易老化等缺陷,不能满足LED
封装材料性能上日益发展的需求,正逐步被有机硅材料或者有机硅改性材料取代。有机硅材料是一种具有高耐紫外线和高耐老化能力、低应力的材料,成为LED
封装材料的理想选择。硅树脂的透光率与LED
器件的发光强度和效率成正比,透光率越高,有利于增加LED
器件的发光强度和效率。由于氮化镓芯片具有高的折射率
,一般有机硅材料的折光率只有1.4,所以,提高有机硅材料的折光率可以减少与芯片折光率之差,减少界面反射和折射带来的光损失,增强LED
器件的取光效率。

灌封就是将液态复合物用机械或手工方式灌入装有电子元件、线路的器件内,在常温或加热条件下固化成为性能优异的热固性高分子绝缘材料。可强化电子器件的整体性,提高对外来冲击、震动的抵抗力;提高内部元件、线路间绝缘,有利于器件小型化、轻量化;避免元件、线路直接暴露,改善器件的防水、防潮性能,并提高使用性能和稳定参数。

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一种专门用于大功率LED封装的加成型液体硅橡胶由南昌大学高分子研究所研制成功。4月20日,这种新材料在江西绿泰科技有限公司实现千吨级工业化量产。在国内LED产业急需配套封装材料的形势下,这种新产品一推出立刻受到市场追捧。

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1、LED 封装用改性环氧树脂

灌封工艺

变压器灌胶机

用户试用结果显示,该产品的封装效果与进口产品相当,性价比优势突出。项目研发人南昌大学化学系系主任、高分子研究所所长陈义旺教授告诉记者,产品合成过程中无有害物质产生,使用有机酸作催化剂,避免了杂质离子的残留。与国外进口产品相比,成本降低一半以上,有利于大范围推广使用。该项目先后取得了两项专利。

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环氧树脂具有较高的折射率和透光率,并且力学性能和粘接性能相当不错,所以市场上仍有一定产品在采用。通过引入有机硅功能团改性环氧树脂,可提高环氧树脂的高温使用性能和抗冲击性能,降低产品的收缩率和热膨胀性,提高产品的应用范围。按反应机理,有机硅改性环氧树脂可分为物理共混和化学共聚两种方法。如果纯粹依靠单纯的物理共混,由于有机硅与环氧树脂的溶解度系数相差较大,微观相结构容易呈分离态,改性效果不佳,一般需要通过添加过渡相容基团的方法来改进其相容性能。S.
S.
Hou等使用含氢聚硅氧烷与烯丙基缩水甘油醚进行硅氢加成反应,制备出含有环氧基的聚硅氧烷,然后与双酚A型环氧树脂共混。其实验结果表明:
改性产品的微观相结构较好,没有相分离。

灌封产品的质量,主要与产品设计、元件选择、组装及所用灌封材料密切相关,灌封工艺也是不容忽视的因素。

变压器灌胶机是现在很多电子厂的必备设备,有些不了解的人会担心这变压器灌胶机怎样清洗,会不会很麻烦,会不会很容易就堵住了。下面我给大家讲解一下,变压器灌胶机的清洗方法:

这项研究成果用有机硅单体开环聚合的方法合成端乙烯基硅油作为基础聚合物,用有机酸催化水解缩合的方法合成MQ硅树脂作为补强填料,以低含氢硅油为交联剂、乙炔基环己醇为抑制剂制备双组分加成型液体硅橡胶。产品具有黏度适中、力学性能佳、透明度高、耐老化性能好的优点。同时,在合成补强填料MQ硅树脂过程中因使用有机酸作催化剂,产品中的无机离子含量降低,提高了硅橡胶产品耐辐射性能,而且以硅烷偶联剂改性的纳米氧化锌作为导热材料,提高了固化后硅橡胶的导热性和表面硬度。

一、LED封装技术与材料综述

化学共聚方法是利用有机硅聚合物上的活性基团,如羟基,烷氧基等,与环氧树脂上的环氧基等活性基团反应,生成共聚物达到改性的目的。早在2007
年国外就有人采用该方法开展了用有机硅共聚改性环氧封装材料用于LED
产品的研究,其实验证明该方法能够使该封装材料的抗冲击性能和耐高低温性能得到明显提高、收缩率和热膨胀系数显著降低。Deborah等采用缩合反应,将4—乙烯基环氧乙烷分别与二
四苯基环四硅氧、三
苯基硅氧烷等多种硅烷进行混合反应,制成了耐冲击性优良和耐UV
老化性强、透光率高、热膨胀系数满足芯片产品要的改性环氧树脂产品。黎学明等采用UV
固化技术,将聚有机硅倍半氧烷和环氧树脂原位交联杂化,得到了具有高透光、热稳定性强和耐UV
老化、抗冲击性优良和高附着力的环氧聚有机硅倍半氧烷杂化膜材料,可用来取代目前使用的高温固化环氧材料,用于LED、电子封装等行业。Seung
Cheol Yang等用脂环族环氧树脂与二苯二羟基和三苯羟基反应,制得高折光率
,热稳定性好,耐紫外线的有机硅环氧改性材料。黄云欣等首先合成了不同分子量的低聚倍半硅氧烷,分别用合成的聚有机硅氧烷来改性双酚A
型环氧树脂,结果显示三种聚硅氧烷均能提高环氧树脂产品的韧性和弯曲强度。杨欣等通过2—
(
3,4—环氧环已烷基)乙基甲基二乙氧基硅烷的水解缩合反应制备了多官能度有机硅环氧树脂,采用甲基六氢苯酐做固化剂,得到的产品具有透光率和耐热老化性能都有很大的改善,有望在LED
封装材料领域得到推广应用。Crivello.
J等用含有双键的环氧单体有烯丙基缩水甘油醚以及4—乙烯基环氧环己烷,与含氢聚硅氧烷进行硅氢加成反应,合成有机硅改性环氧树脂,具有较好的透明度和耐热性。

环氧灌封有常态和真空两种灌封工艺。环氧树脂.胺类常温固化灌封料,一般用于低压电器,多采用常态灌封。环氧树脂.酸酐加热固化灌封料,一般用于高压电子器件灌封,多采用真空灌封工艺,是我们本节研究的重点。目前常见的有手工真空灌封和机械真空灌封两种方式,而机械真空灌封又可分为A、B组分先混合脱泡后灌封和先分别脱泡后混合灌封两种情况。其工艺流程如下:

点胶机 的清洗方法

据了解,常用的LED封装材料主要有环氧树脂、聚氨酯、有机硅等透明度高的材料。其中,聚氨酯灌封胶表面过软,易起泡,固化不充分,只能应用于普通电器元件的灌封。目前使用最多的环氧树脂脆性大、耐冲击性能差,使用温度一般不超过150℃。有机硅材料具有较好的耐热性能和耐紫外线性能,同时与芯片的相容性好,是目前理想的封装材料,但其价格昂贵,一般只在对封装材料要求苛刻的大功率LED封装中应用。随着大功率LED发光效率的提高,其在照明领域的应用逐渐扩大,对大功率LED封装材料的用量随之增加。江西拥有全国最大的有机硅单体生产基地,南昌又是国家半导体照明工程产业化示范基地,发展用于大功率LED封装的有机硅产品将有效推动江西省的LED行业的发展。

LED是半导体发光二极管,现已广泛应用于照明、显示、信息和传感器等诸多领域。LED器件按功率及用途要求,采用相应的封装材料,主要包括环氧树脂、有机硅树脂和无机封装材料等。

有机硅环氧树脂由于能体现环氧树脂与有机硅树脂两种材料的优点,最近得到了较为广泛的应用,其在机械性能、粘结性、耐老化、耐紫外线、折光率等方面表现出了优异的性能,是今后LED
封装材料的研究方向,一定会取得重大进展。

手工真空灌封工艺

首先看胶水的性质。如果单液的胶水,而且在常温不是很容易固化的胶水,那么每次点完或者灌完产品后,下次所用到的胶水还是相同时,可以不考虑清洗问题。

封装材料和封装工艺、封装设备需要互相匹配,他们基本是一一对应的关系。LED封装的主流方式有以下几种:

2、LED 封装用有机硅树脂

机械真空灌封工艺

如果是厌氧胶、快干胶类似于401,502这样的胶水或者类似硅胶之类的常温下会比较快固化的胶水,那么是要清洗的。清洗的时候,先将没用完的胶水排完,然后将有机溶剂。如天那水、工业酒精,放到机器里面。然后将这些有机溶剂和胶水一起压出来,再用气枪吹开即可。用此类型的机器,清洗是十分必要的,否则的话,胶水固化在胶阀中,或者是料桶中就很麻烦,可能有些配件就要更换了。所以每次用完后,一定要记得清洗!

1)基于液态胶水的点胶灌封;

2. 1 有机硅材料的特点

先混合脱泡后灌封工艺

(艾邦灌胶机设备,适用于双组份胶水混合,定量灌胶,自动灌胶工艺,周生136025703590)

2)基于固态 EMc 的Transfer Molding转进注射成型;

有机硅聚合物以Si—O 键为主链,硅原子上连接有机基团,可有R3 SiO1 /2 、R3
SiO2 /2 、R3 SiO3 /2 、R3 SiO2 等链节按照一定比例组合而成;Si—O
键键能较高,使其具有比较好的耐高温或辐射性能,且Si—O
键键角较大,能使材料的分子链柔软。有机硅材料在耐热性、抗黄变等方面有优异的性能。有机硅材料易改性,可以在侧链上引入具有提高折射率的功能基团,如硫、苯、酚和环氧基等,提高封装材料的折射率,提高LED
发光效率。

A、B先分别脱泡后混合灌封工艺

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3)基于半固化胶膜的真空压合成型;

2. 2 有机硅树脂的合成

相比之下,机械真空灌封,设备投资大,维护费用高,但在产品的一致性、可靠性等方面明显优于手工真空灌封工艺。无论何种灌封方式,都应严格遵守给定的工艺条件,否则很难得到满意的产品。

变压器灌胶机

4)其他特殊封装方式,如基于液态树脂的模具注射成型、基于触变胶水的刷涂或印刷、喷涂等封装工艺。

按其折射率可分为低折射率 和高折射率 两类,折射率1.4
的主要是甲基型有机硅材料,折射率1.53
的主要是苯基型有机硅材料。由于有机硅材料折光率越大,取光效率越高,所以应当尽量提高有机硅材料的折光率。

灌封产品常出现的问题及原因分析

变压器灌胶机/AB双液灌胶机的清洗方法:

1.1 点胶灌封技术

硅树脂一般以有机硅烷为原料,在溶剂存在的情况下水解、缩聚制得。合成的原料一般为氯硅烷或烷氧基硅烷。具体工艺为:一是硅烷在一定条件下水解成硅醇,二是硅醇自身进行缩聚反应,三是经过水洗中和,浓缩除去小分子得到有机硅树脂。如徐晓秋等首先将甲基苯基二乙氧基硅烷水解,高温裂解成甲基苯基环体,然后通过阴离子开环聚合,合成无色透明,折光率1.5以上的苯基乙烯基硅油。吴涛等采用阴离子开环聚合的方法,由含二甲基硅氧链节的环状甲基苯基硅氧烷和乙烯基双封头在碱性催化剂的作用下制备乙烯基封端甲基苯基硅油。伍川等采用酸催化,八甲基环四硅氧烷
,或将1,3,5,7—四甲基环四硅氧烷
与甲基苯基混合环体在甲苯溶剂中聚合,制备交联剂有机硅含氢硅油。其Ph 与Si
的量之比为0.30~0.60,活性氢质量分数为0~0.5%,折射率为1.39~1.51
,动力黏度为100~550
mPa·s。汪晓璐等采用无溶剂法合成了苯基乙烯基透明硅树脂;
选用乙烯基三甲氧基硅烷、端羟基聚二甲基硅氧烷、二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷为原料,盐酸水溶液为催化剂,进行水解缩合反应,合成出室温下具有流动性的高折射率透明有机硅树脂。杨雄发等为了降低LED
封装胶的表面张力,使其容易真空脱泡,制备含甲基三氟丙基硅氧链节和甲基苯基硅氧链节的透明乙烯基硅油。黄荣华等以甲基乙烯基氯硅烷苯基氯硅烷、甲基氯硅烷、苯基氯硅烷为原料,用甲基封头剂和乙烯基封头剂封端,合成苯基乙烯基硅树脂,然后用孔径为0.
45μm的滤膜进行过滤,可有效除去残余的盐酸小颗粒,提高产品透明度,获得无色透明的乙烯基苯基硅树脂。

局部放电起始电压低,线间打火或击穿电视机、显示器行输出变压器,汽车、摩托车点火器等高压电子产品,常因灌封工艺不当,工作时会出现局部放电、线间打火或击穿现象,是因为这类产品高压线圈线径很小,一般只有0.02~0.04mm,灌封料未能完全浸透匝间,使线圈匝间存留空隙。由于空隙介电常数远小于环氧灌封料,在交变高压条件下,会产生不均匀电场,引起界面局部放电,使材料老化分解,引起绝缘破坏。

适用范围:双液环氧树脂、双液聚氨酯、双液硅橡胶等二液性树脂材料

点胶灌封技术是LED封装常用的标准工艺,点胶工艺的核心设备包括点胶机(有气压、柱塞泵、齿轮泵等供料方式)、一体成型的带围坝或反射杯的金属支架,封装材料为双组分或单组份胶水。无论液态环氧树脂还是液态有机硅胶水,基本采用双组分包装方式,这是因为双组分有利于材料的长期存储,但点胶灌封前,他们需经过充分混合达到均一才能使用。为了将胶水与无机材料充分混合,就必须借助于高速双行星分散机,这样才能确保无机材料在有机树脂内的均一分散。混合后的材料需按供应商的推荐操作方法进行LED的封装,并且在规定时间内用毕,否则,无机材料无法在液态胶水中长期稳定分散,会发生团聚和沉降现象。此外,A、B组分混合后,即使在室温储存,也会发生化学交联或吸湿,从而影响材料的黏度稳定。环氧树脂主要以酸酐作为固化剂,配置成加成反应型封装材料,这种环氧树脂是A、B双组分配方。此外,环氧树脂还可以基于阳离子反应机理配置成单组份胶水。这种阳离子反应配方材料更具耐热性和耐高温黄变能力,但碍于催化体系成本高,无法普遍使用,仅仅限定在触变性要求较高的封装领域。用
于LED封装应用的有机硅胶水主要是采用金属铂催化含双键的有机硅氧烷与含硅氢的有机硅氧烷的加成反应体系。该反应体系通常配制成A、B双组分封装材料,它们稳定性好,便于储存。LED封装胶水大部分是热固化的材料,也有部分封装材料为了特殊应用而采用UV光固化体系。对于热固化材料,点胶后,胶水需要经过150度约2-5小时的高温烘烤,实现完全固化封装。当树脂固化时,树脂会发生一定的体积收缩,产生收缩应力,这会对树脂与芯片、芯片与银胶的粘结、金线焊点部位、树脂与支架的结合界面等产生一定影响。因此,封装材料和封装工艺对LED器件的系统稳定性有直接关联,封装工程师需要系统细致研究分析,以确定最佳封装工艺和封装材料。

2. 3 硅树脂在LED 封装材料中的应用

从工艺角度分析,造成线间空隙有以下两方面原因:

自动清洗方法:

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