一种用于大功率LED的密封剂及大功率LED

摘要

本发明公开了一种用于大功率LED的密封剂及大功率LED，其中，密封剂包括由高导热填料和基体组成的复合材料，所述高导热填料的热导率为30～5300W/mK，且为石墨烯、氮化硼片、碳纳米管、氮化硼纳米管和纳米银线中的一种或几种的组合，基体为硅胶或环氧树脂；所述高导热填料在所述复合材料中的质量百分比为1％～20％，所述基体在所述复合材料中的质量百分比为80％～99％。将上述密封剂填充到大功率LED的反射杯内外，完全覆盖大功率LED的LED芯片和一对焊线，得到改进的大功率LED。本发明的用于大功率LED的密封剂及大功率LED，LED的散热效果较好，工作稳定性好，且能确保LED的透光性满足应用要求。

说明书

【技术领域】

本发明涉及大功率LED，特别是涉及用于大功率LED的密封剂。

【背景技术】

LED广泛用于交通信号灯、LED显示屏、液晶背光源、车灯、灯饰和照明光源等 各个领域。LED的结构一般包括散热基板，LED芯片，导热胶，一对焊线，一对外电 极和密封剂。LED在工作时，LED芯片发热产生热量，通过其底部的导热胶，散热基 板，从而将LED芯片的热量传递到外界空气中。在提高LED发光效率和其在大电流 下工作的稳定性的过程中，LED封装中的导热胶、焊线、散热基板等各个部件都备受 关注，通过这些部件的改进从而改善LED的散热，提升LED在大电流工作的稳定性。 然而，目前的大功率LED的散热问题有待进一步改进。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种用于大功率 LED的密封剂及大功率LED，LED的散热效果较好，工作稳定性好，且能确保LED 的透光性满足应用要求。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于大功率LED的密封剂，所述密封剂包括由高导热填料和基体组成的复合 材料，所述高导热填料的热导率为30～5300W/mK，且为石墨烯、氮化硼片、碳纳米管、 氮化硼纳米管和纳米银线中的一种或几种的组合，基体为硅胶或环氧树脂；所述高导 热填料在所述复合材料中的质量百分比为1％～20％，所述基体在所述复合材料中的质 量百分比为80％～99％。

一种大功率LED，包括散热基板(3)，LED芯片(2)，导热胶(6)，一对焊线(4)， 一对外电极(5)和密封剂(1)，所述散热基板(3)上表面设有一个凹坑，作为反射 杯，所述LED芯片(2)通过所述导热胶(6)固定在所述散热基板(3)上，位于所 述反射杯内，所述一对焊线(4)用于连接所述LED芯片(2)和位于所述散热基板(3) 上的一对外电极(5)，所述密封剂(1)填充中所述反射杯内外，完全覆盖所述LED 芯片(2)和所述一对焊线(4)；所述密封剂为如上所述的用于大功率LED的密封剂。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的用于大功率LED的密封剂，密封胶中包括由高导热填料和基体组成的复 合材料，复合材料中的高导热填料的热导率在30～5300W/mK的范围，且选自石墨烯、 氮化硼片、碳纳米管、氮化硼纳米管和纳米银线，一方面，使得复合材料具有高热导 率，当用于密封剂中时，密封剂的热导率(经测试在1W/mK～7W/mK的范围内)明 显高于现有密封剂的热导率，从而有助于形成LED芯片的热量从芯片上方传导出去的 散热路径，提高LED灯的散热效果，使LED灯的工作稳定性较好。另一方面，选自 上述五种材料，其中，石墨烯和氮化硼片本身均为高透光材料，碳纳米管、氮化硼纳 米管和银纳米线直径均很小，且添加量很少，因而，密封剂中虽然在基体的基础上添 加了填料，但仍然能保持高透光率。本发明的密封剂，具有高热导率，进而可降低大 功率LED工作时LED芯片的温度，改善LED的散热效果，提高LED工作时的稳定性， 且密封剂能确保LED的透光性满足应用要求。

【附图说明】

图1本具体实施方式中大功率LED的结构关系示意图。

附图标记说明：

1——密封剂；2——LED芯片；3——散热基板；4——焊线；5——外电极；6— —导热胶。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明针对大功率LED中的密封剂进行改进，对LED密封剂的普遍认知是它具 有保护芯片、增强光输出和调控输出光的场强分布的作用，因此传统的密封剂都只是 关心密封剂的透光性、折射率以及密封剂的形状，且材料通常为硅胶、环氧树脂。而 本发明中，从密封剂改善LED散热的方面考虑。对于LED的散热，其中的LED芯片 是热源，一般的思路都是让热量向下传输，即通过LED芯片、导热胶、散热基板传递 到空气，已有的研究都集中在缩短上述散热路径和改变散热路径上涉及到的组件的热 导率上，关于密封剂的导热、关于采用复合材料作为密封剂、以及密封剂对LED工作 稳定性的影响鲜有人提起。而本发明则采用这一全新思路，采用具有导热性的密封剂 把LED芯片的热量从芯片上面传导出去，因此提出密封剂中包括由高导热填料和基体 组成的复合材料，并且高导热填料选自特定的五种填料，从而使得密封剂具有较高的 热导率，同时对密封剂的透光性的影响尽可能降到最低，确保密封剂仍然具有良好的 透光率。

如图1所示，为本具体实施方式中的大功率LED的结构示意图，大功率LED包 括散热基板3，LED芯片2，导热胶6，一对焊线4，一对外电极5和密封剂1。散热 基板3上表面中央有一个凹坑为反射杯，LED芯片2用导热胶6固定在散热基板3上， 位于反射杯内，一对焊线4(例如，金线)连接LED芯片2和位于散热基板3上的一 对外电极5。密封剂1填充在反射杯内外，同时完全覆盖LED芯片2和一对焊线4。

其中，密封剂包括由高导热填料和基体组成的复合材料，所述高导热填料的热导 率为30～5300W/mK，且为石墨烯、氮化硼片、碳纳米管、氮化硼纳米管和纳米银线中 的一种或几种的组合，基体为硅胶或环氧树脂；所述高导热填料在所述复合材料中的 质量百分比为1％～20％，所述基体在所述复合材料中的质量百分比为80％～99％。

上述密封剂中，高导热填料有很高的热导率，石墨烯的热导率大约为5300W/mK, 氮化硼片的热导率大于60W/mK，碳纳米管的热导率为3000W/mK，氮化硼纳米管的 热导率为200～300W/mK，纳米银线的热导率大于100W/mK，因此，当填料掺入到 基体中形成复合材料时，复合材料即具有高的导热性。当该复合材料用作密封剂时， 有助于形成从LED芯片2，经密封剂到外界环境中的散热途径，提高LED灯的散热效 果，使LED灯的工作稳定性较好。同时上述五种材料中，石墨烯和氮化硼片本身均为 高透光材料，而碳纳米管、氮化硼纳米管和银纳米线直径均很小，且添加量很少，因 此添加后，对密封剂的透光率影响不大，仍能满足应用要求。

优选地，选择石墨烯，氮化硼片作为高导热填料。石墨烯，氮化硼片为二维形态 的材料，在基体中保持二维形态，和基体接触面积较大，相互作用较强，有利于提高 复合材料的导热。另外，二维材料之间有较高的接触几率，这也有利于提高复合材料 的热导。此外，石墨烯和氮化硼均具有负热膨胀系数及高机械强度，能够以二维形态 均匀分散在基体中，因而密封剂具有较低的热膨胀系数，即更好的温度稳定性，并且 机械强度较高。石墨烯和氮化硼还可以阻挡水分子、硫化氢等小分子，有效保护LED 芯片。

优选地，石墨烯包括多层石墨烯，其中60％～95％的石墨烯为薄层石墨烯，薄层 是指石墨烯的层数小于5层。氮化硼片包括多层氮化硼，其中50％～90％的氮化硼为 层数少于10层的薄片。这样，选择薄层的石墨烯和氮化硼片，可有助于确保最终密封 剂的透光率。

将石墨烯和氮化硼片的一种或两种的组合作为A组填料，也即二维形态的填料； 将碳纳米管、氮化硼纳米管和纳米银线中的一种或两种的组合作为B组填料，也即一 维形态的填料。进一步优选地，高导热填料同时包括A组填料和B组填料，且所述B 组填料和A组填料片的质量比为1:10～1:3。此情形下，高导热填料中二维材料和一维 材料存在协同效应，可进一步提高热导率。单纯选择A组二维材料，平面的形状增强 填料和基体的相互作用，但是，填料之间的接触还是以点接触为主，接触面积很小， 填料之间的直接声子传输较弱，界面热阻较大。如单纯选择B组一维材料，基体把填 料隔开，阻止填料之间直接接触，即使填料之间有直接接触，也是点接触，接触面积 小，再考虑到一维材料具有高曲率，填料之间以及填料和基体之间的界面热阻很大。 如同时包括A组和B组填料，作为一维材料的A组填料两端搭接在作为二维材料的B 组填料表面上，为B组填料之间的热传导提供额外的通路，用来绕过低导热的基体。 相当于，填料间的接触类型从单独掺入A组或B组填料时的0维点接触变成同时掺入 两种填料时的1维线接触，增大了接触面积，减少了接触热阻，有利于进一步提高复 合材料的热导率。

另外，优选地，纳米银线长径比在500～4000的范围内。长纳米银线能用更少的银 线形成导热网络，意味着更少纳米银线之间的接合点，更少的纳米银线和基体之间的 热界面，声子更多时候在同一个银线内部传输，避开了高热阻的传热界面及其引起的 声子散射，达到进一步提高复合材料的热导率的目的。同时，更少的银线有利于保持 复合材料的高透射率，小直径的纳米银线减少对光的遮挡，有利于保持高的光输出。

密封剂中还可以包括荧光粉，所述荧光粉在所述密封剂中的质量百分比为3％～ 10％。荧光粉作为光转换材料，把一种颜色光变色为另外一种颜色的光，比如LED芯 片发出的蓝光，通过增设荧光粉在密封剂中后，可出射白光。

如下通过设置具体实施例和对比例，来验证测试得到的密封剂的导热率、透射率 以及用于LED中时LED的工作稳定性等方面的性能。

实施例1：

(1)用胆酸钠液相剥离石墨片的技术制取石墨烯，或者用强酸先处理石墨烯，再 用大于2000℃每分钟快速热膨的技术制取石墨烯，石墨烯制备属于公知技术，不再详 述。石墨烯通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时间30分钟，超声时间 2小时，功率200W。得到石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)硅胶加入石墨烯溶液中，搅拌30分钟。石墨烯重量是硅胶的1％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和硅胶复合材料。如需 在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后用针 孔注入石墨烯和硅胶复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为99％的硅胶(基体)和质量分数为1％的石 墨烯(高导热填料)。

实施例2：

(1)用胆酸钠液相剥离石墨片的技术制取石墨烯，或者用强酸先处理石墨烯，再 用大于2000℃每分钟快速热膨的技术制取石墨烯，石墨烯制备属于公知技术，不再详 述。石墨烯通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时间30分钟，超声时间 2小时，功率200W。得到石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)硅胶加入石墨烯溶液中，搅拌30分钟。石墨烯重量是硅胶的3％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和硅胶复合材料。如需 在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后用针 孔注入石墨烯和硅胶复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为97％的硅胶(基体)和质量分数为3％的石 墨烯(高导热填料)。

实施例3：

(1)用胆酸钠液相剥离石墨片的技术制取石墨烯，或者用强酸先处理石墨烯，再 用大于2000℃每分钟快速热膨的技术制取石墨烯，石墨烯制备属于公知技术，不再详 述。石墨烯通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时间30分钟，超声时间 2小时，功率200W。得到石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)硅胶加入石墨烯溶液中，搅拌30分钟。石墨烯重量是硅胶的10％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和硅胶复合材料。如需 在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后用针 孔注入石墨烯和硅胶复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为90％的硅胶(基体)和质量分数为10％的 石墨烯(高导热填料)。

实施例4：

(1)用胆酸钠液相剥离石墨片的技术制取石墨烯，或者用强酸先处理石墨烯，再 用大于2000℃每分钟快速热膨的技术制取石墨烯，石墨烯制备属于公知技术，不再详 述。石墨烯和单壁碳纳米管通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时间30 分钟，超声时间2小时，功率200W。石墨烯和单壁碳纳米管的重量比4：1，得到石 墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)硅胶加入石墨烯和单壁碳纳米管溶液中，搅拌30分钟。石墨烯和单壁碳纳 米管重量是硅胶的3％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和单壁碳纳米管与硅胶 复合材料。如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学 透镜，然后用针孔注入复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为97％的硅胶(基体)、质量分数为2.4％的 石墨烯(高导热填料)和质量分数为0.6％的碳纳米管(高导热填料)。

实施例5：

(1)用胆酸钠液相剥离石墨片的技术制取石墨烯，或者用强酸先处理石墨烯，再 用大于2000℃每分钟快速热膨的技术制取石墨烯，石墨烯制备属于公知技术，不再详 述。石墨烯和通过先搅拌再超声的方法分散到异丙醇溶液中，搅拌时间30分钟，超声 时间2小时，功率200W。得到石墨烯溶液的浓度为1mg/mL，向石墨烯溶液中加入纳 米银线的异丙醇溶液，搅拌15分钟，石墨烯和纳米银线的重量比4：1。

(2)硅胶加入石墨烯和纳米银线溶液中，搅拌30分钟。石墨烯和纳米银线重量 是硅胶的2％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除异丙醇。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和纳米银线与硅胶复合 材料。如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜， 然后用针孔注入复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为98％的硅胶(基体)、质量分数为1.6％的 石墨烯(高导热填料)和质量分数为0.4％的纳米银线(高导热填料)。

实施例6：

(1)化学气相沉积法制取氮化硼片，氮化硼片制备属于公知技术，不再详述。氮 化硼片通过先搅拌再超声的方法分散到异丙醇溶液中，搅拌时间30分钟，超声时间24 小时，功率270W。得到氮化硼片溶液的浓度为5mg/mL。

(2)硅胶加入氮化硼片溶液中，搅拌30分钟，氮化硼片重量是硅胶的4％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除异丙醇。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入氮化硼片和硅胶复合材料。如 需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后用 针孔注入氮化硼片和硅胶复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为96％的硅胶(基体)和质量分数为4％的氮 化硼片(高导热填料)。

实施例7：

(1)化学气相沉积法制取氮化硼片，氮化硼片制备属于公知技术，不再详述。氮 化硼片通过先搅拌再超声的方法分散到异丙醇溶液中，搅拌时间30分钟，超声时间24 小时，功率270W。得到氮化硼片溶液的浓度为5mg/mL。向氮化硼片溶液中加入纳米 银线的异丙醇溶液，搅拌15分钟，石墨烯和纳米银线的重量比4：1。

(2)硅胶加入氮化硼片和纳米银线溶液中，搅拌30分钟，氮化硼片和纳米银线 重量是硅胶的5％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除异丙醇。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入氮化硼片和纳米银线与硅胶复 合材料。如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透 镜，然后用针孔注入复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为95％的硅胶(基体)、质量分数为4％的氮 化硼片(高导热填料)、质量分数为1％的纳米银线(高导热填料)。

实施例8：

(1)化学气相沉积法制取氮化硼纳米管，并用双氧水表面处理，氮化硼纳米管制 备属于公知技术，不再详述。氮化硼纳米管通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液 中，搅拌时间30分钟，超声时间24小时，功率200W。得到氮化硼纳米管溶液的浓 度为3mg/mL。

(2)硅胶加入氮化硼纳米管溶液中，搅拌30分钟，氮化硼纳米管重量是硅胶的 3％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入氮化硼纳米管和硅胶复合材料。 如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后 用针孔注入氮化硼纳米管和硅胶复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为97％的硅胶(基体)和质量分数为3％的氮 化硼纳米管(高导热填料)。

实施例9：

(1)石墨烯和氮化硼纳米管通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时 间30分钟，超声时间2小时，功率200W。石墨烯和氮化硼纳米管的重量比4：1，得 到的石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)硅胶加入石墨烯和氮化硼纳米管溶液中，搅拌30分钟。石墨烯和氮化硼纳 米管重量是硅胶的3％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是硅胶的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和氮化硼纳米管与硅胶 复合材料。如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学 透镜，然后用针孔注入复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为97％的硅胶(基体)、质量分数为2.4％的 石墨烯(高导热填料)和质量分数为0.6％的氮化硼纳米管(高导热填料)。

实施例10：

(1)石墨烯通过先搅拌再超声的方法分散到丙酮溶液中，搅拌时间30分钟，超 声时间2小时，功率200W。得到石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。

(2)环氧树脂加入石墨烯溶液中，搅拌30分钟。石墨烯重量是环氧树脂的4％。

(3)混合溶液放入真空烤箱，60℃，放置1个小时，去除丙酮。

(4)一边搅拌一边加入固化剂，固化剂重量是环氧树脂的25％。

(5)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入石墨烯和环氧树脂复合材料。 如需在反射杯上面塑造出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后 用针孔注入石墨烯和环氧树脂复合材料，透镜即为模具。

(6)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂包括质量分数为96％的环氧树脂(基体)和质量分数为4％ 的石墨烯(高导热填料)。

对比例：

(1)硅胶和固化剂混合，固化剂重量是硅胶的25％，搅拌时间30分钟。

(2)结合附图1，在LED芯片所在的反射杯里填入硅胶。如需在反射杯上面塑造 出密封剂的形状，需要模具。通常可以先盖上光学透镜，然后用针孔注入硅胶，透镜 即为模具。

(3)100℃固化2小时，再150℃固化2小时。

通过上述制备，密封剂为硅胶。

实施例和对比例的测试数据对比：

上述表格中，10个实施例的密封剂的热导率在1.6～4.2W/mK的范围内，均高于 对比例中的热导率。而10个实施例中的密封剂的透光率均相对对比例中有稍许下降， 但也均保持在95％～97.6％的范围内，仍然能确保LED的透光性满足应用要求。而光衰 减是LED发光1000小时之后，发出的光和刚点亮时发出的光比较相对衰减的量。该 光衰减参数可等效理解为光输出的稳定性，衰减越少，LED工作越稳定。从表中数据 可得到九个实施例的密封剂用于LED中时，LED工作后的光衰减较小，工作稳定性较 好。同时也可得到，密封剂的热导率越高，光衰减越低，LED工作越稳定。

此外，实施例中密封剂中的填料选用石墨烯和/或氮化硼时，石墨烯和氮化硼均具 有负热膨胀系数及高机械强度，能够以二维形态均匀分散在基体中，因而密封剂具有 较低的热膨胀系数，即更好的温度稳定性，并且机械强度较高。此外，石墨烯和氮化 硼可以阻挡水分子、硫化氢等小分子，有效保护LED芯片，从而LED的化学稳定性 较好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应 当视为属于本发明的保护范围。