解析LED燈珠變色的6種情況

LED 產(chǎn)品的可靠性日益受到了制造廠商及使用者的關(guān)注。而作為產(chǎn)品基本構(gòu)成單元的LED 燈珠， 其質(zhì)量的好壞直接影響著LED 成品的可靠性， 在實(shí)際應(yīng)用中就常常發(fā)生因LED 燈珠的失效導(dǎo)致成品出現(xiàn)功能異常甚至完全失效的情況。近年來(lái)， 因燈珠變色導(dǎo)致成品出現(xiàn)色溫漂移、流明降低和出光效果變差等一系列可靠性問(wèn)題的案例日益增多， 使眾多的LED 產(chǎn)品生產(chǎn)廠家及用戶遭受了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

本文通過(guò)幾個(gè)LED 燈珠失效案例， 分析了導(dǎo)致LED 燈珠發(fā)生變色失效的根本原因。

封裝膠原因

(1)封裝膠中殘留外來(lái)異物

失效燈珠的外觀呈現(xiàn)局部變色發(fā)黑。揭開(kāi)封裝膠， 發(fā)現(xiàn)有一個(gè)黑色異物夾雜在封裝膠內(nèi)， 用掃描電鏡及能譜儀(SEM&EDS) 對(duì)異物進(jìn)行成分分析[5-6]， 確認(rèn)其主成分為鋁(Al)、碳(C)、氧(O) 元素， 還含有少量的雜質(zhì)元素， 測(cè)試結(jié)果如下圖所示。結(jié)合用戶反饋的失效背景可知， 該異物是在封裝過(guò)程中引入的。

(2)封裝膠受化學(xué)物質(zhì)侵蝕發(fā)生膠體變色

失效品為玻璃光管燈， 內(nèi)部的LED 燈帶使用單組份室溫固化硅橡膠粘結(jié)固定在玻璃管上， 固膠部位燈帶上的LED 燈珠出現(xiàn)發(fā)黃變暗現(xiàn)象。失效燈珠封裝膠的材質(zhì)為硅橡膠， 使用SEM&EDS 測(cè)試封裝膠的元素成分， 發(fā)現(xiàn)其比正常燈珠封裝膠成分多檢出了硫(S) 元素， 測(cè)試結(jié)果如下圖所示。

通常硫磺、有機(jī)二硫化物和多硫化物等含硫物質(zhì)可以作為硫化劑， 使橡膠發(fā)生硫化交聯(lián)反應(yīng)， 從而使橡膠的結(jié)構(gòu)改變， 呈現(xiàn)出顏色發(fā)黃變暗、熱分解溫度升高的現(xiàn)象。

通過(guò)TGA 測(cè)試燈珠封裝膠體的熱分解溫度可知， 失效燈珠封裝膠在失重2 %、5%、10 %、15 %和20 %時(shí)的溫度均比同批次良品封裝膠相同失重量的溫度高出25 ℃以上， 封裝膠熱分解曲線如下圖所示， 證實(shí)了封裝膠因發(fā)生硫化交聯(lián)導(dǎo)致其熱分解溫度升高的現(xiàn)象。使用ICPOES進(jìn)一步對(duì)起固定作用的單組份固化硅橡膠進(jìn)行化學(xué)成分分析， 檢出其中含有約400 ppm 的硫(S) 元素。

由此可知， LED 燈珠發(fā)黃變暗的原因?yàn)椴Ａ艄軆?nèi)粘結(jié)固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過(guò)程中揮發(fā)出的含硫(S) 的氣體侵入到了LED 封裝膠中， 使封裝膠發(fā)生了進(jìn)一步的硫化交聯(lián)反應(yīng)，而再次硫化交聯(lián)導(dǎo)致封裝膠體變黃變暗。后續(xù)用戶改用未使用單組份固化硅橡膠的塑料燈管則未出現(xiàn)燈珠變色的現(xiàn)象。因此， LED 生產(chǎn)方在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材和制造時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品各部件所用不同材料相互間的匹配性， 避免因材料的不兼容而導(dǎo)致后續(xù)出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。

熒光粉沉降

燈珠裝配成LED 燈具后在倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存時(shí)， 發(fā)生了色溫漂移失效， 失效LED 燈珠的封裝膠由橙色變?yōu)闇\黃色， 對(duì)其進(jìn)行I-V 特性測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)燈珠可以正常點(diǎn)亮， 且I-V 曲線正常， 只是出光亮度發(fā)生改變。取一些失效燈珠， 以機(jī)械開(kāi)封方式取出封裝膠， 發(fā)現(xiàn)支架表面均殘留有透明顆粒物， 使用SEM&EDS 測(cè)試顆粒物成分， 結(jié)果顯示其含有高含量的鍶(Sr) 元素， 如下圖所示。

而封裝膠與支架接觸面也檢出了高含量的鍶( Sr) 元素和鋇(Ba) 元素， 如下圖所示。

與之相比， 良品燈珠開(kāi)封后， 支架表面較干凈， 表面主成分為銀(Ag)和少量的碳(C) 元素， 未檢出鍶(Sr) 元素， 且在其封裝膠與支架的接觸面上也未檢出鍶(Sr) 和鋇(Ba) 元素。通過(guò)測(cè)試失效品和良品燈珠封裝膠的截面成分得知， 二者所用的熒光粉的成分相同， 均為釔鋁石榴石( 主要成分為氧(O) 、鋁(Al) 和釔(Y) ) 與硅酸鍶鋇( 主要成分為碳(C)、氧(O)、硅(Si)、鍶(Sr)、鋇(Ba) 和鈣(Ca)) 混合熒光粉。

因此， LED 燈珠的失效原因?yàn)樗褂玫墓杷猁}熒光粉沉降到了封裝膠底部及支架表層， 致使因光折射規(guī)律不一致而發(fā)生色散現(xiàn)象， 導(dǎo)致色溫漂移， 同時(shí)發(fā)生燈珠變色現(xiàn)象。

支架原因

(1)異物污染支架

失效燈珠一側(cè)變色， 揭開(kāi)封裝膠后可以看到變色部位的支架的表面覆蓋了一層異物， 對(duì)異物進(jìn)行元素成分測(cè)試， 顯示其主成分為錫( Sn) 、鉛(Pb) 元素， 測(cè)得的結(jié)果如下圖所示。

揭開(kāi)燈珠變色部位外圍的白色塑膠， 在與白色塑膠接觸的支架表面也檢出了錫(Sn)、鉛(Pb) 成分。由于異物覆蓋部位的支架與燈珠一側(cè)的引腳相連， 而引腳采用錫鉛焊接。顯而易見(jiàn)， 如果燈珠在進(jìn)行表面貼裝時(shí)， 引腳沾附了多余的錫膏， 則在焊接時(shí)， 熔化的焊料會(huì)沿著引腳爬升至與之相連的支架表面， 形成覆蓋層。因此， 此案例中LED 燈珠失效的原因是LED 燈珠在進(jìn)行組裝焊接時(shí)， 引腳焊接部位的焊料進(jìn)入了支架表面， 形成了覆蓋物， 從而導(dǎo)致了燈珠變色。

(2)支架腐蝕

失效LED 燈珠的中間部位變色發(fā)黑， 開(kāi)封后將其放在光學(xué)顯微鏡下觀察， 發(fā)現(xiàn)整個(gè)支架的表面明顯地變黑， 使用SEM&EDS 測(cè)試發(fā)黑支架的成分， 結(jié)果顯示， 除了正常的材質(zhì)成分外， 發(fā)黑支架中還具有較高含量的腐蝕性硫(S) 元素， 而支架表面鍍銀層局部也呈現(xiàn)出疏松的腐蝕形貌， 如下圖所示。

通常LED 燈珠在生產(chǎn)過(guò)程中， 由于材料自身不純或工藝過(guò)程污染等原因引入硫(S) 、氯(Cl) 等腐蝕性元素時(shí)， 在一定條件下(如高溫、水汽殘留等)， 其金屬支架極易發(fā)生腐蝕， 導(dǎo)致燈珠出現(xiàn)變色、漏電等失效現(xiàn)象。

(3)支架鍍層質(zhì)量差

LED 燈珠點(diǎn)亮老化后出現(xiàn)變色發(fā)黑現(xiàn)象， 且失效率高達(dá)30 % 。去掉燈珠表面的封裝膠后， 發(fā)現(xiàn)支架表層銀鍍層失去原有的光亮， 呈現(xiàn)灰色。使用SEM 觀察支架表層微觀形貌， 發(fā)現(xiàn)與未裝配的半成品支架相比， LED 失效燈珠的支架表面銀層疏松且有較多的孔洞。將半成品支架和失效LED 制作成切片， 觀察其截面鍍層質(zhì)量， 發(fā)現(xiàn)支架鍍層結(jié)構(gòu)為銅鍍鎳再鍍銀，與半成品相比，失效品支架的鎳鍍層變薄，表層銀層變得疏松，且鎳銀鍍層界限變得模糊。

使用AES 測(cè)試失效LED 支架淺表層成分， 發(fā)現(xiàn)其中會(huì)有鎳(Ni) 元素， 測(cè)試結(jié)果如下圖所示， 很顯然， 鎳鍍層擴(kuò)散至了銀層表面。由此得出， LED 燈珠變色的原因?yàn)樗玫闹Ъ苠儗硬涣迹?老化后銀層疏松產(chǎn)生孔洞， 鎳層經(jīng)過(guò)銀層孔洞擴(kuò)散到銀層表面， 導(dǎo)致銀層發(fā)黑， 燈珠變色。

在眾多的LED 變色失效案例中， 因支架變色或腐蝕導(dǎo)致的失效所占的比例是最高的。因此，LED 或支架生產(chǎn)方應(yīng)采取一些措施來(lái)預(yù)防產(chǎn)品失效。

例如：選擇質(zhì)量良好的、耐蝕的支架基材;采取適宜的電鍍工藝條件，保證形成晶粒細(xì)膩、結(jié)構(gòu)致密的鍍層，鍍層厚度均勻并達(dá)到防護(hù)要求;對(duì)于表層鍍層為銀的支架，選取有效的銀保護(hù)工藝，提高銀支架的防變色能力;在LED 生產(chǎn)裝配的過(guò)程中，則應(yīng)防止外來(lái)的污染或腐蝕性物質(zhì)的引入，確保LED 封裝嚴(yán)密，以降低因環(huán)境中的水汽和氧氣等的侵入而引發(fā)各種腐蝕的可能性。