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LED燈珠變色?這6個原因值得注意

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LED燈珠變色?這6個原因值得注意

發布日期:2018-07-20 作者:CNLED 點擊:

  LED燈珠即為發光二極管,是一種將電能轉化為光能的半導體固體發光器件,其核心是 PN 結,它除了具有一般 PN 結的正向導通、反向截止和擊穿特性外,在一定條件下,它還具有發光特性 。圖 1 為某公司生產的 3528型白光LED燈珠的代表性外觀圖, 其結構主要包含以下幾個部分:引線、支架、封裝膠、鍵合絲、LED 芯片、固晶膠和熒光粉。LED燈珠變色失效與其材料、結構、封裝工藝和使用條件密切相關,以下將通過具體的案例來對其變色原因進行分析。


圖1 LED 燈珠 (3528) 代表外觀圖


    封裝膠原因


 1  封裝膠中殘留外來異物 


失效燈珠的外觀呈現局部變色發黑,如圖2所示。揭開封裝膠,發現有一個黑色異物夾雜在封裝膠內,用掃描電鏡及能譜(SEM&EDS) 對異物進行成分分析,確認其主成分為鋁(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 還含有少量的雜質元素,測試結果如圖 3 所示。結合用戶反饋的失效背景可知,該異物是在封裝過程中引入的。


圖2 變色 LED 的外觀


a 光學照片


b EDS能譜圖

圖 3 封裝膠異物成分


 2  封裝膠受化學物質侵蝕發生膠體變色 


失效品為玻璃光管燈,內部的LED燈帶使用單組份室溫固化硅橡膠粘結固定在玻璃管上,固膠部位燈帶上的 LED 燈珠出現發黃變暗現象。失效燈珠封裝膠的材質為硅橡膠使用SEM&EDS測試封裝膠的元素成分,發現其比正常燈珠封裝膠成分多檢出了硫(S)元素,測試結果如圖 4 所示。


通常硫磺、有機二硫化物和多硫化物等含硫物質可以作為硫化劑,使橡膠發生硫化交聯反應,從而使橡膠的結構改變,呈現出顏色發黃變暗、熱分解溫度升高的現象。通過TGA測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圖5所示,證實了封裝膠因發生硫化交聯導致其熱分解溫度升高的現象。使用ICPOES進一步對起固定作用的單組份固化硅橡膠進行化學成分分析,檢出其中含有約 400ppm 的硫(S)元素。


圖4 封裝膠成分(EDS譜圖)


a 失效品


b 良品 

圖5 封裝膠熱分解曲線(TGA 譜圖)


由此可知,LED 燈珠發黃變暗的原因為玻璃燈管內粘結固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過程中揮發出的含硫(S)的氣體侵入到了 LED 封裝膠中,使封裝膠發生了進一步的硫化交聯反應, 而再次硫化交聯導致封裝膠體變黃變暗。后續用戶改用未使用單組份固化硅橡膠的塑料燈管則未出現燈珠變色的現象。因此,LED 生產方在產品設計選材和制造時應考慮產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致后續出現可靠性問題。


    熒光粉沉降


燈珠裝配成LED燈具后在倉庫儲存時,發生了色溫漂移失效,失效 LED 燈珠的封裝膠由橙色變為淺黃色,對其進行 I-V 特性測試,發現燈珠可以正常點亮,且 I-V 曲線正常,只是出光亮度發生改變。取一些失效燈珠,以機械開封方式取出封裝膠,發現支架表面均殘留有透明顆粒物,使用 SEM&EDS 測試顆粒物成分,結果顯示其含有高含量的鍶(Sr)元素,如圖 6 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,如圖 7 所示。


與之相比,良品燈珠開封后,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。通過測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。


圖6 支架表面顆粒物成分(SEM&EDS 譜圖)


a SEM 照片


b EDS 譜圖

圖7 封裝膠與支架接觸面成分


因此,LED 燈珠的失效原因為所使用的硅酸鹽熒光粉沉降到了封裝膠底部及支架表層,致使因光折射規律不一致而發生色散現象,導致色溫漂移,同時發生燈珠變色現象。


    支架原因


 1  異物污染支架 


失效燈珠一側變色,揭開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,對異物進行元素成分測試,顯示其主成分為錫 (Sn) 、鉛(Pb)元素,測得的結果如圖 8 所示。揭開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的引腳相連,而引腳采用錫鉛焊接。


顯而易見,如果燈珠在進行表面貼裝時,引腳沾附了多余的錫膏,則在焊接時,熔化的焊料會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燈珠在進行組裝焊接時,引腳焊接部位的焊料進入了支架表面,形成了覆蓋物,從而導致了燈珠變色。


a 光學照


b EDS譜圖

圖8 支架覆蓋物成分


 2  支架腐蝕 


失效LED燈珠的中間部位變色發黑,開封后將其放在光學顯微鏡下觀察,發現整個支架的表面明顯地變黑,使用 SEM&EDS 測試發黑支架的成分,結果顯示,除了正常的材質成分外,發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出疏松的腐蝕形貌,如圖 9 所示。通常 LED燈珠在生產過程中,由于材料自身不純或工藝過程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蝕性元素時,在一定條件下(如高溫、水汽殘留等),其金屬支架極易發生腐蝕,導致燈珠出現變色、漏電等失效現象。


a SEM 照片


b EDS 譜圖

圖9 支架腐蝕部位成分


 3  架鍍層質量差 


LED 燈珠點亮老化后出現變色發黑現象,且失效率高達30%。去掉燈珠表面的封裝膠后,發現支架表層銀鍍層失去原有的光亮,呈現灰色。使用SEM 觀察支架表層微觀形貌,發現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,如圖 11a 所示。


將半成品支架和失效LED燈珠制作成切片, 觀察其截面鍍層質量,發現支架鍍層結構為銅鍍鎳再鍍銀,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, 樣品的支架截面形貌如圖 10 所示。使用 AES 測試失效 LED 支架淺表層成分,發現其中會有鎳(Ni)元素, 測試結果如圖 11b 所示,很顯然,鎳鍍層擴散至了銀層表面。


由此得出,LED燈珠變色的原因為所用的支架鍍層不良, 老化后銀層疏松產生孔洞、鎳層經過銀層孔洞擴散到銀層表面,導致銀層發黑,燈珠變色。


a 失效品


b 半成品

圖10 支架截面形貌(SEM 照片)


a SEM 照片


b AES 譜圖

圖11 失效品支架表面成分


在眾多的LED燈珠變色失效案例中,因支架變色或腐蝕導致的失效所占的比例是最高的。因此,LED燈珠或支架生產方應采取一些措施來預防產品失效。例如:選擇質量良好的、耐蝕的支架基材;采取適宜的電鍍工藝條件,保證形成晶粒細膩、結構致密的鍍層,鍍層厚度均勻并達到防護要求;對于表層鍍層為銀的支架,選取有效的銀保護工藝,提高銀支架的防變色能力;在LED燈珠生產裝配的過程中,則應防止外來的污染或腐蝕性物質的引入,確保LED燈珠封裝嚴密,以降低因環境中的水汽和氧氣等的侵入而引發各種腐蝕的可能性。


以上分析了因封裝膠、熒光粉和支架構件異常導致LED燈珠變色失效的原因和機理,希望能為業界提供參考和指引,使 LED 生產方在選材及制造過程中采取有效的措施來預防這些失效現象的發生,進一步地提高LED成品的可靠性。


圖、文來自文章《LED燈珠變色原因分析》,作者蔡穎穎、徐煥翔。

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