WO2001010926A1 - Transparente giessharzmasse für smt-fähige led-anwendungen mit hoher temperatur und hohen helligkeiten oder leuchtstärken - Google Patents

Transparente giessharzmasse für smt-fähige led-anwendungen mit hoher temperatur und hohen helligkeiten oder leuchtstärken Download PDF

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    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the invention relates to a transparent casting resin composition for potting optoelectronic components.
  • Casting resin as a capsule and assembly material for potting optoelectronic components based on an acid-anhydride-curable epoxy compound which is produced by mixing an A component consisting of at least one epoxy compound and at least one multifunctional epoxy novolac resin, and optionally others Additives, and a B component consisting of at least one carboxylic anhydride.
  • the transparent epoxy cast resin formulations according to the invention can advantageously be processed in established packaging technology and meet the optical, electrical and thermomechanical quality requirements of future product generations in optoelectronics and, above all, have glass transition temperatures above 130 ° C. According to the current state of knowledge, the toxic hazard potential of the starting materials is low, so that health risks can be excluded as far as possible.
  • the A component preferably has further additives, such as a reactive thinner, an alcohol, an adhesion promoter, a leveling agent, an agent for degassing, a diffuser paste, and a component for adjusting the color number / coloring.
  • additives such as a reactive thinner, an alcohol, an adhesion promoter, a leveling agent, an agent for degassing, a diffuser paste, and a component for adjusting the color number / coloring.
  • an epoxy casting resin component according to the invention is preferably composed as follows:
  • multifunctional epoxy casting resins ⁇ 80 wt. -%
  • Diffuser paste (pigment in epoxy- ⁇ 10 wt.% Casting resin) adhesion promoter: ⁇ 5 wt. - Leveling agents: ⁇ 1 wt. -
  • the carboxylic anhydride can be, for example, a hexahydrophthalic anhydride, as in DE 26 42 465.
  • the glass transition temperature of a molding material from the aforementioned embodiment with a mixing ratio A: B of 100:90 is 140 ° C. Under manufacturing conditions, 135 ° C was obtained on the component. All functional and component-specific qualifications according to the latest automotive electronics standards have been passed.
  • the viscosity of the epoxy resin component at 25 ° C is ⁇ 15,000 mPas.
  • the viscosity of the A: B reaction resin mixture at 25 ° C is ⁇ 3,000 Pas.
  • the shelf life of the epoxy cast resin component is at least 1 year at temperatures up to 30 ° C.
  • the service life of the A: B reaction resin mixture at 25 ° C is at least 6 h.
  • the favorable reactive behavior of the A: B reaction resin mixture enables fast curing cycles with reliable component potting in mass production processes with quantities of several 100 million per year.
  • the glass transition temperature of the molding materials is> 130 ° C. Water absorption after 2 weeks of water storage at 23 ° C is ⁇ 0.5% by weight
  • the transmission of a 1 mm thick molding material in the visible range of light is> 88%.
  • the color shift after thermal aging 130 ° C after 6 weeks is ⁇ 10.
  • the lenses produced in this way prove to be radiation-resistant in bright LEDs with, for example, 1.4 Im / 50 mA.
  • the present molding material development is characterized by exceptional fracture mechanical properties, with K IC 1.34 MPaV and Gic 577 J / m 2 ; the encapsulated products can be used in all SMT processes and are also suitable for applications in the automotive sector (Tg> 130 ° C!)
  • the mass reduction up to 300 ° C is ⁇ 2% (thermo balance, 10 K / min, nitrogen).

Abstract

Eine erfindungsgemäße Gießharzmasse als Montage- und Kapselwerkstoff für elektronische und optoelektronische Bauelemente, Module und Komponenten, beispielsweise zum Verguß von optoelektronischen Bauelementen auf der Basis von säureanhydridhärtbaren Epoxidverbindungen, insbesondere von Bisphenol-A-Diglycidylether, zeichnet sich dadurch aus, daß sie mehrfachfunktionelle Epoxynovolakharze, insbesondere einen Epoxykresolnovolak, enthält. Diese Gießharzmasse weist eine deutlich erhöhte Glasübergangstemperatur auf, eignet sich für Massenfertigungsprozesse, zeigt keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen und liefert SMT-fähige Produkte, die im Automobilbereich eingesetzt werden können.

Description

Beschreibung
Transparente Gießharzmasse für SMT-fähige LED-Anwendungen mit hoher Temperatur und hohen Helligkeiten oder Leuchtstärken
Die Erfindung bezieht sich auf eine transparente Gießharz- masse zum Verguß von optoelektronischen Bauelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für den funktionssicheren und zuverlässigen Einsatz mit bis zu 100.000 Betriebsstunden müssen optoelektronische Bauelemente vor widrigen Umgebungseinflüssen geschützt werden. Aufgrund vorteilhafter thermomechanischer wie elektrischer Kennwerte werden vielfach hochreine Epoxidharze in der Elektro- technik und Elektronik eingesetzt. Epoxidharze weisen eine für Kunststoffe außergewöhnlich hohe chemische Stabilität auf und werden deshalb zur Kapselung von Lumineszenzdioden (LEDs) bei Betriebstemperaturen von derzeit bis 110°C verwendet. Die transparenten und vergilbungsstabilen Duromerwerkstoffe zei- gen Glasübergangstemperaturen üblicherweise bis 120°C. Mit zunehmender Leistungs- und Integrationsdichte auf dem Optoelektroniksektor werden crack-resistente, hochbelastbare Verbünde aus Epoxidharzformstoffen mit Glasübergangstemperaturen oberhalb 130°C gefordert. Neben erhöhten Betriebstemperaturen sind für innovative LED-Anwendungen im Automobilbereich die Qualitätsstandards unter verschärften Temperaturzyklen und Temperaturschockbedingungen zu qualifizieren. Die Kapselwerkstoffe müssen in jedem Fall vollständig ausgehärtet sein, um elektrische Degradationen am Bauelement im Betrieb zu vermei- den .
Die in der DE 2642465 beschriebenen Epoxidgießharzformstoffe aus cycloaliphatischen Gießharzabmischungen mit Epoxiden vom Glycidylethertyp weisen zwar hohe Glasübergangstemperaturen >130°C auf, erscheinen allerdings für einen Fertigungseinsatz wegen möglicher zu hoher gesundheitlicher Risiken ungeeignet. Toxikologische Untersuchungen namhafter Institute an diesen 00 ω tsJ t H* μ*
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Gießharzmasse als Kapsel- und Montagewerkstoff zum Verguß von optoelektronischen Bauelementen auf der Basis einer säurean- hydridhärtbaren Epoxidverbindung , die hergestellt ist durch Mischung aus einer A-Komponente, bestehend aus mindestens ei- ner Epoxidverbindung, und mindestens einem mehrfachfunktio- nellen Epoxynovolakharz , und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen, und einer B-Komponente, bestehend aus mindestens einem Carbonsäureanhydrid.
Die erfindungsgemäßen transparenten Epoxidgießharzformulie- rungen sind vorteilhafterweise in etablierter Packaging- Technologie zu verarbeiten und entsprechen den optischen, elektrischen und thermomechanischen Qualitätsansprüchen künftiger Produktgenerationen in der Optoelektronik und weisen vor allem Glasübergangstemperaturen oberhalb 130°C auf. Das toxische Gefährdungspotential der Ausgangsmaterialien ist nach heutigem Erkenntnisstand gering, so daß gesundheitliche Risiken möglichst ausgeschlossen werden können.
Systematische Grundlagenuntersuchungen zur Entwicklung stressarmer Kunststoffverbünde in der Elektronik ergaben, daß die Glasübergangstemperaturen anhydridisch härtbarer Epoxidharzformstoffe auf Bisphenol-A-Epoxidharzbasis durch die Zugabe multifunktioneller Epoxynovolakharze deutlich erhöht werden konnten. Weiterhin wurde beobachtet, daß derartige No- volakstrukturen zur Schwundreduzierung bei der Verarbeitung beitragen und die mechanischen Eigenschaften verbessern. Die linear bruchelastischen KιC- und GιC-Werte konnten ebenfalls gesteigert werden. Die weiterhin günstigen Haftungswerte der hochfesten Duromerwerkstoffe im Zugscherversuch (DIN 53283) waren günstige Voraussetzungen für den Einsatz von Epoxynovo- lakharzen in der Optoelektronik, weil auch gefunden wurde, daß damit temperatur- und vergilbungsstabile Reaktionsharz- formstoffe herstellbar waren. Da Epoxynovolakharze hochviskos bzw. fest sind, mußten die rheologischen Eigenschaften entsprechender Formulierungen den Erfordernissen in der Gießharztechnologie angepaßt werden. Daneben war es auch erfor- derlich, das reaktive Verhalten hinsichtlich Fertigungstauglichkeit und geforderter Glasübergangstemperatur anzupassen.
Vorzugsweise weist die A-Komponente noch weitere Zusatzstoffe wie einen Reaktiwerdünner, ein Alkohol, einen Haftvermittler, ein Verlaufshilfsmittel , ein Agens zum Entgasen, eine Diffusorpaste, und eine Komponente zur Einstellung der Farbzahl/Einfärbung auf.
Eine erfindungsgemäße Epoxidgießharzkomponente setzt sich dementsprechend vorzugsweise wie folgt zusammen:
mehrfunktionelle Epoxidgießharze : < 80 Gew . -%
(Bisphenol-A-Diglycidylether) Epoxykresolnovolak: < 50 Gew . . -% Reaktiwerdünner : < 10 Gew . . - %
(Monoglycidylether) Alkohol: < 10 Gew . - %
Diffusorpaste (Pigment in Epoxid- < 10 Gew . . - % gießharz) Haftvermittler : < 5 Gew . - Verlaufshilfsmittel : < 1 Gew . -
(Silikonbasis) Agens zum Entgasen: < 1 Gew . - - %
(Silikonbasis)
Komponente zur Einstellung der < 1 Gew . - • % Farbzahl/Einfärbung:
(Farbstoff in Epoxidgießharz) internes Trennmittel abhängig vom < Gew.-%
Gehäusetyp:
(Silikonbasis)
Das Carbonsäureanhydrid kann beispielsweise - wie in der DE 26 42 465 ein Hexahydrophthalsäureanhydrid sein. Die Glasübergangstemperaturen eines Formstoffes aus dem vorgenannten Ausführungsbeispiel mit einem Mischungsverhältnis A:B von 100:90 beträgt 140°C. Unter Fertigungsbedingungen wurden am Bauelement 135°C erhalten. Alle funktions- und bauelementespezifischen Qualifizierungen nach aktuellsten Standards der Automobilelektronik wurden bestanden.
Im folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel für die A-Komponente angegeben:
D.E.R. 332 (Dow Chemical): 78,96
(Bisphenol-A-Diglycidylether) Gew. -%
D.E.N. 438 (Dow Chemical): 20,00
(Epoxy Novolak) Gew.-%
BYK-A506 (BYK Chemie GmbH): 0,20
(Agens zum Entgasen) Gew.-%
Silane A187 (OSi Specialities) : 0,80
(Haftvermittler) Gew.-%
Masterbatch 09 (CIBA Specialities): 0,04
(Einstellung der Farbe) Gew.-%
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die folgenden technischen Kenndaten und Formstoffeigenschaften:
Viskosität der A:B-Mischung: 1250 Pas
(Platte-Kegel, 25°C, D=500 1/s)
Gebrauchsdauer bei 30°C 8 h
Glasübergangstemperatur (DSC, 10 K/min) 135±5°C
Härte Shore D 86-88
Wasseraufnahme: (2 Wochen Wasserlagerung < 0,5 bei 23°C) Gew.-%
Biegemodul (DIN53452) 2750 MPa
Biegefestigkeit (DIN53452) 150 MPa
Biegung am Bruch (DIN 53452) 7,2 %
Transmission bei 500 nm: > 88 %
(1 mm Formstoffdicke) Farbabstand nach Formstoffalterung : 4,6
(6 Wochen 120°C)
Masseverlust bis 300°C: < 2 %
(TG/DTA, lOK/min, Stickstoff)
Weitere typische Parameter, Eigenschaften und Einstellungen der vorgenannten Produkte und Vorprodukte sind:
Die Viskosität der Epoxidharzkomponente bei 25°C ist < 15.000 mPas .
Die Viskosität der A:B-Reaktionsharzmischung bei 25°C ist < 3.000 Pas.
Die Lagerfähigkeit der Epoxidgießharzkomponente beträgt bei Temperaturen bis 30°C mindestens 1 Jahr.
Die Gebrauchsdauer der A:B-Reaktionsharzmischung bei 25 °C be- trägt mindestens 6 h.
Das günstige reaktive Verhalten der A:B-Reaktionsharzmischung erlaubt schnelle Härtungszyklen bei zuverlässigem Bauelementeverguß in Massenfertigungsprozessen mit Stückzahlen von mehreren 100 Mio. pro Jahr.
Die Glasübergangstemperatur der Formstoffe ist > 130°C. Die Wasseraufnähme nach 2 Wochen Wasserlagerung bei 23 °C ist < 0,5 Gew.-%
Die Transmission eines 1 mm dicken Formstoffes im sichtbaren Bereich des Lichts beträgt > 88 %.
Die Farbverschiebung nach thermischer Alterung 130°C nach 6 Wochen ist < 10.
Die damit hergestellten Linsen erweisen sich in leuchtstarken LEDs mit beispielsweise 1,4 Im/ 50 mA als strahlenbeständig . Die vorliegende Formstoffentwicklung zeichnet sich durch außergewöhnliche bruchmechanische Eigenschaften aus, mit KIC 1,34 MPaV und Gic 577 J/m2 ; die damit gekapselten Produkte sind in allen SMT-Prozessen einsetzbar und eignen sich darüber hinaus für Anwendungen im Automobilbereich (Tg > 130 °C! )
Der Masseabbau bis 300°C ist < 2 % (Thermowaage , 10 K/min, Stickstoff) .

Claims

Patentansprüche
1. Transparente Gießharzmasse zum Verguß von optoelektronischen Bauelementen auf der Basis einer säureanhydridhärtbaren Epoxidverbindung, die hergestellt ist durch Mischung aus einer A-Komponente, bestehend aus mindestens einer Epoxidverbindung, und mindestens einem mehrfachfunktionellen Epoxynovolakharz , und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen, und einer B-Komponente, bestehend aus mindestens einem Carbonsäureanhydrid.
2. Gießharzmasse nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Epoxidverbindung Bisphenol-A-Diglycidylether ist.
3. Gießharzmasse nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - das Epoxynovolakharz Epoxykresolnovolak ist.
4. Gießharzmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - das Carbonsäureanhydrid ein Hexahydrophthalsäureanhydrid ist .
5. Gießharzmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - das Mischungsverhältnis A:B zwischen 100:80 und 100:100 eingestellt wird.
6. Gießharzmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die A-Komponente die folgende prozentuale Zusammensetzung aufweist : Epoxidverbindung : < 80 Gew.-% Epoxynovolakharz : < 50 Gew.-% Reaktiwerdünner : < 10 Gew. -%
(vorzugsweise Monoglycidylether) Alkohol : < 10 Gew.-% Diffusorpaste < 10 Gew. -%
(Pigment in Epoxidharz) Haftvermittler : < 5 Gew.-% Verlaufshilfsmittel : < 1 Gew.-%
(vorzugsweise auf Silikonbasis) Agens zum Entgasen: < 1 Gew.-%
(vorzugsweise auf Silikonbasis) Komponente zur Einstellung der Farbzahl/Einfärbung : < 1 Gew .
(Farbstoff in Epoxidgießharz) internes Trennmittel abhängig vom Gehäusetyp: < 1 Gew.-%
(vorzugsweise auf Silikonbasis)
7. Gießharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die A-Komponente die folgende prozentuale Zusammensetzung aufweist : D.E.R. 332 (Dow Chemical) : 78,96
(Bisphenol-A-Diglycidylether) Gew. -%
D.E.N. 438 (Dow Chemical): 20,00
(Epoxy Novolak) Gew.-%
BYK-A506 (BYK Chemie GmbH): 0,20
(Agens zum Entgasen) Gew.-%
Silane A187 (OSi Specialities): 0,80
(Haftvermittler) Gew.-%
Masterbatch 09 (CIBA Specialities): 0,04
(Einstellung der Farbe) Gew.-%
8. Gießharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die B-Komponente derart beschaffen ist, daß die spezifische Beschleunigung Härtungszyklen für Massenfertigungsprozesse im Minutenbereich erlaubt.
9. Gießharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die B-Komponente 2 bis 10 Gew.-% Metallsalzbeschleuniger enthält.
10. Gießharzmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die B-Komponente 2 bis 10 Gew.-% Zinksalzbeschleuniger enthält.
11. Verwendung der Gießharzmasse als Montage- und Kapselwerk- stoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Vergießen, Abdecken oder Umhüllen von elektronischen und optoelektronischen Bauelementen, Modulen und Komponenten.
12. Verwendung der Gießharzmasse nach Anspruch 11 zum Abdek- ken oder Umhüllen von Lumineszenzdioden, Phototransistoren, Photodioden und Lumineszenzdioden-Displays.
13. Verwendung der Gießharzmasse nach Anspruch 11 als Licht- leitharz für optoelektronische Koppler.
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