【知识积累】LED灯珠变色?这6个原因值得注意

摘要: LED 即为发光二极管,是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件,其核心是 PN 结,它除了具有一般 PN

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LED 即为发光二极管,是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件,其核心是 PN 结,它除了具有一般 PN 结的正向导通、反向截止和击穿特性外,在一定条件下,它还具有发光特性 。图 1 为某公司生产的 3528 型白光 LED 灯珠的代表性外观图, 其结构主要包含以下几个部分:引线、支架、封装胶、键合丝、LED 芯片、固晶胶和荧光粉。LED 灯珠变色失效与其材料、结构、封装工艺和使用条件密切相关,以下将通过具体的案例来对其变色原因进行分析。


图1 LED 灯珠 (3528) 代表外观图

    封装胶原因


 1  封装胶中残留外来异物 


失效灯珠的外观呈现局部变色发黑,如图 2 所 示。揭开封装胶,发现有一个黑色异物夹杂在封装胶内,用扫描电镜及能谱仪 (SEM&EDS) 对异物进行成分分析,确认其主成分为铝(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 还含有少量的杂质元素,测试结果如图 3 所示。结合用户反馈的失效背景可知,该异物是在封装过程中引入的。


图2 变色 LED 的外观


a 光学照片


b EDS能谱图

图 3 封装胶异物成分


 2  封装胶受化学物质侵蚀发生胶体变色 


失效品为玻璃光管灯,内部的 LED 灯带使用单组份室温固化硅橡胶粘结固定在玻璃管上,固胶部位灯带上的 LED 灯珠出现发黄变暗现象。失效灯珠封装胶的材质为硅橡胶,使用 SEM&EDS 测试封装胶的元素成分,发现其比正常灯珠封装胶成分多检出了硫(S)元素,测试结果如图 4 所示。


通常硫磺、有机二硫化物和多硫化物等含硫物质可以作为硫化剂,使橡胶发生硫化交联反应,从而使橡胶的结构改变,呈现出颜色发黄变暗、热分解温度升高的现象。通过 TGA 测试灯珠封装胶体的热分解温度可知,失效灯珠封装胶在失重 2%、5%、10%、15%和 20%时的温度均比同批次良品封装胶相同失重量的温度高出 25 ℃以上,封装胶热分解曲线如图 5 所示,证实了封装胶因发生硫化交联导致其热分解温度升高的现象。使用 ICPOES 进一步对起固定作用的单组份固化硅橡胶进行化学成分分析,检出其中含有约 400ppm 的硫(S)元素。


图4 封装胶成分(EDS谱图)


a 失效品


b 良品 

图5 封装胶热分解曲线(TGA 谱图)


由此可知,LED 灯珠发黄变暗的原因为玻璃灯管内粘结固定用的单组份室温固化硅橡胶在固化过程中挥发出的含硫(S)的气体侵入到了 LED 封装胶中,使封装胶发生了进一步的硫化交联反应, 而再次硫化交联导致封装胶体变黄变暗。后续用户改用未使用单组份固化硅橡胶的塑料灯管则未出现灯珠变色的现象。因此,LED 生产方在产品设计选材和制造时应考虑产品各部件所用不同材料相互间的匹配性,避免因材料的不兼容而导致后续出现可靠性问题。


    荧光粉沉降


灯珠装配成 LED 灯具后在仓库储存时,发生了色温漂移失效,失效 LED 灯珠的封装胶由橙色变为浅黄色,对其进行 I-V 特性测试,发现灯珠可以正常点亮,且 I-V 曲线正常,只是出光亮度发生改变。取一些失效灯珠,以机械开封方式取出封装胶,发现支架表面均残留有透明颗粒物,使用 SEM&EDS 测试颗粒物成分,结果显示其含有高含量的锶(Sr)元素,如图 6 所示; 而封装胶与支架接触面也检出了高含量的锶(Sr)元素和钡(Ba)元素,如图 7 所示。


与之相比,良品灯珠开封后,支架表面较干净,表面主成分为银(Ag)和少量的碳(C)元素,未检出锶(Sr)元素, 且在其封装胶与支架的接触面上也未检出锶(Sr)和钡(Ba)元素。通过测试失效品和良品灯珠封装胶的截面成分得知,二者所用的荧光粉的成分相 同,均为钇铝石榴石(主要成分为氧 (O) 、铝(Al)和钇(Y))与硅酸锶钡(主要成分为碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、锶(Sr)、钡(Ba)和钙(Ca))混合荧光粉。


图6 支架表面颗粒物成分(SEM&EDS 谱图)


a SEM 照片


b EDS 谱图

图7 封装胶与支架接触面成分


因此,LED 灯珠的失效原因为所使用的硅酸盐荧光粉沉降到了封装胶底部及支架表层,致使因光折射规律不一致而发生色散现象,导致色温漂移,同时发生灯珠变色现象。


    支架原因


 1  异物污染支架 


失效灯珠一侧变色,揭开封装胶后可以看到变色部位的支架的表面覆盖了一层异物,对异物进行元素成分测试,显示其主成分为锡 (Sn) 、铅(Pb)元素,测得的结果如图 8 所示。揭开灯珠变色部位外围的白色塑胶,在与白色塑胶接触的支架 表面也检出了锡 (Sn)、 铅 (Pb) 成分。 由于异物覆盖部位的支架与灯珠一侧的引脚相连,而引脚采用锡铅焊接。


显而易见,如果灯珠在进行表面贴装时,引脚沾附了多余的锡膏,则在焊接时,熔化的焊料会沿着引脚爬升至与之相连的支架表面,形成覆盖层。因此,此案例中 LED 灯珠失效的原因是LED灯珠在进行组装焊接时,引脚焊接部位的焊料进入了支架表面,形成了覆盖物,从而导致了灯珠变色。


a 光学照


b EDS谱图

图8 支架覆盖物成分


 2  支架腐蚀 


失效 LED 灯珠的中间部位变色发黑,开封后将其放在光学显微镜下观察,发现整个支架的表面明显地变黑,使用 SEM&EDS 测试发黑支架的成 分,结果显示,除了正常的材质成分外,发黑支架中还具有较高含量的腐蚀性硫 (S)元素,而支架表面镀银层局部也呈现出疏松的腐蚀形貌,如图 9 所示。通常 LED 灯珠在生产过程中,由于材料自身不纯或工艺过程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蚀性元素时,在一定条件下(如高温、水汽残留等),其金属支架极易发生腐蚀,导致灯珠出现变色、漏电等失效现象。


a SEM 照片


b EDS 谱图

图9 支架腐蚀部位成分


 3  架镀层质量差 


LED 灯珠点亮老化后出现变色发黑现象,且失效率高达30%。去掉灯珠表面的封装胶后,发现支架表层银镀层失去原有的光亮,呈现灰色。使用SEM 观察支架表层微观形貌,发现与未装配的半成品支架相比,LED 失效灯珠的支架表面银层疏松且有较多的孔洞,如图 11a 所示。


将半成品支架和失效 LED 制作成切片, 观察其截面镀层质量,发现支架镀层结构为铜镀镍再镀银,与半成品相比,失效品支架的镍镀层变薄,表层银层变得疏松,且镍银镀层界限变得模糊, 样品的支架截面形貌如图 10 所示。使用 AES 测试失效 LED 支架浅表层成分,发现其中会有镍(Ni)元素, 测试结果如图 11b 所示,很显然,镍镀层扩散至了银层表面。


由此得出,LED 灯珠变色的原因为所用的支架镀层不良, 老化后银层疏松产生孔洞、镍层经过银层孔洞扩散到银层表面,导致银层发黑,灯珠变色。


a 失效品


b 半成品

图10 支架截面形貌(SEM 照片)


a SEM 照片


b AES 谱图

图11 失效品支架表面成分


在众多的 LED 变色失效案例中,因支架变色或腐蚀导致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生产方应采取一些措施来预防产品失效。例如:选择质量良好的、耐蚀的支架基材;采取适宜的电镀工艺条件,保证形成晶粒细腻、结构致密的镀层,镀层厚度均匀并达到防护要求;对于表层镀层为银的支架,选取有效的银保护工艺,提高银支架的防变色能力;在 LED 生产装配的过程中,则应防止外来的污染或腐蚀性物质的引入,确保LED 封装严密,以降低因环境中的水汽和氧气等的侵入而引发各种腐蚀的可能性。


以上分析了因封装胶、荧光粉和支架构件异常导致 LED 灯珠变色失效的原因和机理,希望能为业界提供参考和指引,使 LED 生产方在选材及制造过程中采取有效的措施来预防这些失效现象的发生,进一步地提高 LED 成品的可靠性。


图、文来自文章《LED灯珠变色原因分析》,作者蔡颖颖、徐焕翔。

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