LED（Light Emitting Diode）因為具有省電、體積小、壽命長、應答速度快、低污染、可靠度高及模組彈性大等優點，一直以來引起科學家高度的研究興趣。隨著技術的不斷進步發展，LED不論在亮度、效能上都有大幅的提升，也使其應用更為廣泛。再加上全球暖化的問題越趨嚴重，衝擊到氣候及人類生態的改變。因此以白光LED取代現行的照明設備，已成為目前最熱門的話題。
圖一為白光LED的工作形式，目前較常使用的形式為日亞化學的專利，以藍光LED照射YGA黃色螢光粉，將螢光粉激發而發出白光,如圖二所示，此種方式所形成的白光會因螢光粉的厚度不同而有光色不純的缺點，於是有人提出以UV LED晶片照射R、G、B螢光粉，經由RGB的混光而形成白光，以解決光色不純的問題並且提升演色性。不管是藍光的晶片或是UV晶片，兩者所放出的光皆為短波段的光，能量較強，以UV LED為最，常會破壞表面的封裝材料，使材料產生黃化，進而使元件的發光亮度因光穿透率的降低而降低，因此開發一種能夠耐UV的透明封裝材料便成為一個重要的技術。
圖一、白光LED工作形式
圖二、日亞化學白光LED產生方式
LED封裝材料現況
目前商用的透明封裝材料大致可以分成環氧樹脂（Epoxy）系統及矽樹脂（Silicone）系統，LED封裝用之環氧樹脂須具備高透光性、高折射率、耐熱性，抗濕性、絕緣性及化學穩定等特性，多由Bisphenol A type的環氧樹脂（DGEBA）與脂肪族酸酐硬化劑所組成；折射率約在1.50~1.53間；然而DGEBA因結構具有芳香環構造，容易吸收UV，當受到UV光或其他波長較短的光長期照射時，在含氧的環境下，主鏈容易受到自由基的的攻擊造成化學鍵斷裂，產生發色基團（如圖三），使封裝材料產生黃變，LED的亮度也會因此下降，因此如何提升環氧樹脂的耐UV性，使其可以用於藍光或UV LED便成為相當重要的問題。
另一類LED封裝材料為矽樹脂系統，由聚矽氧烷組成，具有高度透明的特性，其結構主要由Si-O-Si鍵結所組成，因矽氧之間的鍵結能較碳碳鍵或碳氧鍵高出許多，所以優點是不易被破壞而具有較好的耐熱性，另外分子因不具有共軛雙鍵的結構，不易吸光而有很好的耐光性，常被用於高功率的白光LED封裝上。雖然矽樹脂具有許多優點，但它也有一些缺點，使得它的應用受到限制，例如價格過高、材料來源受限，此外它的折射率約為1.40~1.50之間，與晶片間的折射率差異更大，不利於光的取出而使得LED的亮度下降。
圖三、環氧樹脂光劣化機制
耐UV材料技術探討
1.添加型UV安定劑
一般常見的耐UV技術為在配方中添加紫外光吸收劑（UV Absorber）及受阻胺光安定劑（HALS）等，使其具有耐UV的特性。紫外光吸收劑主要分為兩類，Benzophenon type及Benzotriazole type（如圖四），耐UV的機制為當UV absorber吸收UV光的能量後，分子會進行互變異構（tautomerism）的一個可逆反應，在這個過程中將所吸收的能量轉換成無害的熱而消耗掉，達到耐UV的效果。在實驗中發現，透明封裝膠材中添加UV吸收劑可抑制黃化的情形發生，大部分的UV光都被UV吸收劑吸收，所以調整UV吸收劑的含量便成為重要的議題，添加太多會影響光轉換效率，太少則會對耐UV特性的增益有限。另外在實驗中也發現，Benzotriazole type的UV吸收劑雖對環氧樹脂的耐UV特性有幫助，卻不適合用於UV LED封裝材，因為它具有含氮的雜環結構，樹脂在硬化後試片會變黃，且黃化指數很高。
圖四、UV absorber結構
受阻胺光安定劑（HALS）其結構如圖五所示，作用機制為peperidine環上的氮原子會去捕捉過氧自由基，使其陷入一個可逆反應裡，無法對分子鏈作進一步的破壞攻擊，而達到安定的效果。這些添加型的UV安定劑或抗氧化劑，會因為溶解性、散佈性、揮發性、及分子結構等原因影響其表現。實驗中發現，若在透明封裝材料基礎配方中加入單獨受阻胺光安定劑（HALS），並無法有效的保護基材免於子外光的破壞，黃化指數隨曝照時間的增加而增加，原因可能有幾種：
（1）添加型HALS 分子量過大造成piperidine濃度不足。
（2）添加型HALS 因揮發等因素消散掉。
（3）HALS可以捕捉peroxide radical，但是無法阻擋UV光對高分子分子鏈及HALS本身的破壞。
若將UA吸收劑與HALS一起使用於樹脂中，則可以發生加成的效應，UV吸收既可吸收UV光的能量不但可保護樹脂本身，同時也可保護HALS免於UV的破壞而保有其安定的功能，但即使如此，因為添加量受到限制，安定劑本身也會隨著曝照的時間而漸漸失效，對於LED目前對壽命動輒100000小時的需求，只靠添加型的UV安定劑；恐怕無法達到目標。
圖五、HALS的結構
2.分子結構的改變
有人從分子結構方面做改變來達到耐UV的效果，這分為兩個方面：
（1）使用分子結構本身不具有吸收子外光的基團（芳香環）或共軛結構的環氧樹脂，如：脂環族的環氧樹脂（Cycloaliphatic epoxy）或氫化環氧樹脂（Hydrogenated epoxy）兩種，這兩種樹脂本身不具共軛雙鍵結構不容易吸收紫外光，再搭配一些較不吸光的硬化劑，使UV光可以穿透膠材而不被吸收，即可達到耐UV的效果。脂環族環氧樹脂配方即使不添加UV吸收劑，經過528小時的UV曝照後，黃化指數的變化只有0.04，氫化環氧樹脂的耐UV性會受其被氫化的程度所影響，若氫化率高則耐UV性越好，若氫化不完全，則會因一些會吸光的芳香環存在而影響到耐光性。同樣的照射時間，氫化環氧樹脂的黃化指數為0.84，就比脂環族環氧樹脂高出許多，但是仍然比傳統芳香族環氧樹脂的耐光性好。
（2）從分子結構中導入矽氧烷鏈段以增強整個分子鏈的鍵能，將矽氧烷導入epoxy中，主要可分為siloxane dianhydride及siloxane epoxy兩種方法，經由結構修飾及合成，可以選擇不同鏈長的Siloxane導入其中，使得整體鍵能增強，達到耐UV效果，這個方法的好處在於可與環氧樹脂反應，互相補強彼此的弱點，同時在反應的過程中，並不需要使用白金觸媒，不會有觸媒被毒化而無法硬化的情形發生，相對於單獨使用矽樹脂而言，多了相當多的優點，同時也可以結合環氧樹脂接著性好的優點，是目前開發耐UV透明封裝材料一個新的思考方向。
LED技術的不斷進步，效能也大幅增加，高功率及高亮度的LED已成為未來主要的發展趨勢，激發光源也從原來的藍光晶片（450nm）進展到UV晶片（405nm），壽命必須達到100000小時以上，對於封裝材料特性要求也更趨嚴苛，要達到高折射率，高耐熱性及耐UV性等要求，然而很多特性卻是互相衝突的，無法兼顧的。例如：在追求材料高折射的同時也會損失材料的耐UV性；加入UV吸收劑耐UV的同時又影響到螢光粉的轉換效率，所以如何在這之間取的一個平衡及從分子結構設計的方面能夠有創新的思維，對於我們在高效率LED透明封裝材的研究上面是個重大的挑戰。
作者：李巡天、林志浩 / 工研院材化所
出處：工業材料雜誌257期
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