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引言

 

      因封裝制程缺陷、外界使用環(huán)境等因素影響，常導(dǎo)致LED出現(xiàn)硫化反應(yīng)，表現(xiàn)為產(chǎn)品功能區(qū)黑化，光通量逐漸下降，色溫出現(xiàn)明顯漂移。LED的硫化現(xiàn)象在初期難以察覺(jué)發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，重要材料遭到徹底破壞，最終導(dǎo)致產(chǎn)品完全失效。

 

      本文以LED硫化腐蝕失效為例，通過(guò)開(kāi)封檢查、顯微分析、切片分析、硫化試驗(yàn)等測(cè)試方法，分析其失效原因與機(jī)理，并提出預(yù)防措施。

 

一、案例背景

 

      LED燈珠在客戶端服役期間出現(xiàn)光衰失效，不良均存在共性，地域分散，無(wú)集中性。初步懷疑是LED燈珠硫化失效。現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，查找其失效原因。

 

二、分析過(guò)程

 

1.外觀檢查

 

      針對(duì)PCBA樣品和LED裸燈珠進(jìn)行光學(xué)檢查，檢查結(jié)果顯示：LED裸燈珠封裝膠體清澈透明，固晶銀膠、晶元、綁定線結(jié)構(gòu)清晰；PCBA樣品上的LED燈珠封裝膠體清澈透明，固晶膠、晶元無(wú)法有效辨識(shí)，呈現(xiàn)黑色。

 

      外觀檢查確認(rèn)光衰LED燈珠內(nèi)部明顯發(fā)生黑化，該變化會(huì)導(dǎo)致反光效果下降，燈珠出光效率降低。

 

2.機(jī)械開(kāi)封+顯微分析

 

      為了真實(shí)呈現(xiàn)LED燈珠內(nèi)部的形貌和成分，采用機(jī)械開(kāi)封的方式將LED燈珠解剖。

 

      從圖中可以看到，光衰LED燈珠內(nèi)部焊盤(pán)區(qū)明顯發(fā)黑（紅色虛線標(biāo)注），燈珠白色塑膠覆蓋處的金屬支架表面呈現(xiàn)金屬光澤，未明顯發(fā)黑；LED裸燈珠內(nèi)部焊盤(pán)、固晶銀膠、金屬支架均呈現(xiàn)出正常光澤，無(wú)黑化現(xiàn)象。

 

 

圖1.光衰LED燈珠機(jī)械開(kāi)封后光學(xué)照片

 

      利用掃描電子顯微鏡對(duì)機(jī)械開(kāi)封后的樣品進(jìn)行顯微形貌觀察和成分分析。

 

      圖2顯示固晶銀膠呈現(xiàn)異常粉末狀，成分測(cè)試探測(cè)到高含量的硫元素；焊盤(pán)區(qū)表面為粗糙的結(jié)晶形貌，非正常電鍍銀形貌，成分測(cè)試同樣探測(cè)到高含量的硫元素，同時(shí)還有少量鎳元素和銅元素，這意味著銀鍍層底下的鎳、銅元素已經(jīng)擴(kuò)散至表層，說(shuō)明硫腐蝕程度極為嚴(yán)重；C區(qū)域?yàn)楸话咨z體覆蓋的金屬支架，金屬支架銀層表面光滑，無(wú)明顯腐蝕形貌，成分測(cè)試未發(fā)現(xiàn)硫元素。

 

圖2.光衰LED燈珠機(jī)械開(kāi)封形貌及EDS譜圖（支架側(cè)）

 

      圖3是封裝膠體側(cè)的形貌圖，LED燈珠內(nèi)部焊盤(pán)區(qū)呈現(xiàn)出典型的腐蝕形貌，同樣探測(cè)到高含量的硫元素；E區(qū)域與C區(qū)域相對(duì)應(yīng)，膠體表面光滑，無(wú)銀元素殘留，未探測(cè)到腐蝕元素。

 

 

圖3.光衰LED燈珠機(jī)械開(kāi)封形貌及EDS譜圖（封裝膠體側(cè)）

 

      圖4是LED裸燈珠的內(nèi)部形貌，銀鍍層表面光滑，燈珠封裝材料未探測(cè)到腐蝕硫元素。

 

圖4.LED裸燈珠機(jī)械開(kāi)封形貌及EDS譜圖

 

      光衰LED燈珠機(jī)械開(kāi)封顯微分析結(jié)果表明：固晶銀膠、焊盤(pán)區(qū)表面均發(fā)生極為嚴(yán)重的硫化腐蝕，但被白色塑膠覆蓋的金屬支架表面則無(wú)腐蝕現(xiàn)象，說(shuō)明硫元素的進(jìn)入路徑不是金屬支架與白色塑膠的的界面，即燈珠硫化腐蝕與LED支架本身密封性無(wú)關(guān)。

 

3.剖面制樣+顯微分析

 

      取光衰LED燈珠和LED裸燈珠進(jìn)行剖面切片。光衰LED燈珠固晶膠、焊盤(pán)銀層表面發(fā)黑嚴(yán)重，固晶銀膠內(nèi)部無(wú)發(fā)黑現(xiàn)象（紅色虛線標(biāo)注）；LED裸燈珠固晶膠、焊盤(pán)銀層表面呈現(xiàn)銀色金屬光澤。

 

圖5.LED燈珠剖面光學(xué)照片

 

      光衰LED燈珠的剖面結(jié)構(gòu)如圖所示，其中①固晶銀膠表面嚴(yán)重硫化，但銀膠內(nèi)部無(wú)硫化現(xiàn)象，且固晶膠底部的銀層完整；②金屬支架與白色塑膠結(jié)合良好，界面無(wú)分層現(xiàn)象，白素塑膠覆蓋的金屬支架表面銀層無(wú)明顯腐蝕；③固晶銀膠邊緣銀層腐蝕殆盡。

 

      硫元素來(lái)自于服役環(huán)境，硫元素進(jìn)入LED燈珠有兩條路徑：①通過(guò)金屬支架與白色塑膠的界面進(jìn)入，也就是行業(yè)內(nèi)通常所講的LED支架密封性不良；②通過(guò)封裝膠體擴(kuò)散進(jìn)入。從上述測(cè)試結(jié)果可知，支架與白色塑膠界面無(wú)分層，且白色塑膠覆蓋區(qū)銀層完整，說(shuō)明硫元素不可能從路徑①進(jìn)入，唯有通過(guò)封裝膠體進(jìn)入，才會(huì)出現(xiàn)目前的失效現(xiàn)象。

 

 

圖6.光衰LED燈珠剖面形貌及EDS譜圖

 

4.硫化試驗(yàn)

 

      對(duì)LED裸燈珠進(jìn)行防硫性能測(cè)試，試驗(yàn)后，LED裸燈珠內(nèi)部銀膠和焊盤(pán)明顯發(fā)黑，說(shuō)明封裝膠體無(wú)法阻止含硫氣體的進(jìn)入。

 

圖7.硫化試驗(yàn)示意圖

 

圖8.硫化試驗(yàn)前后比對(duì)

 

三、總結(jié)分析

 

      光衰LED燈珠光學(xué)檢查確認(rèn)固晶銀膠、焊盤(pán)表面明顯發(fā)黑，黑化會(huì)導(dǎo)致LED燈珠出光效率降低。

 

      將光衰LED燈珠機(jī)械剝離，固晶銀膠和焊盤(pán)表面確認(rèn)發(fā)生硫化腐蝕，呈現(xiàn)出典型的腐蝕形貌。白色覆蓋的金屬支架表面銀層光滑完整，未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕跡象。光衰LED燈珠剖面顯微分析再次證實(shí)了以上分析結(jié)果，硫化腐蝕僅發(fā)生在固晶銀膠表面和未被白色塑膠覆蓋的焊盤(pán)表面。

 

      硫元素來(lái)自于服役環(huán)境，硫元素進(jìn)入LED燈珠有兩條路徑：①通過(guò)金屬支架與白色塑膠的界面進(jìn)入，也就是行業(yè)內(nèi)通常所講的LED支架密封性不良；②通過(guò)封裝膠體擴(kuò)散進(jìn)入。從本案分析結(jié)果可知，腐蝕硫元素必然是通過(guò)封裝膠體進(jìn)入燈珠內(nèi)部。LED燈珠封裝膠體為硅膠，硅膠分子鏈間距較大，防止腐蝕氣體進(jìn)入的性能較差。

 

      硫化試驗(yàn)證實(shí)，在含硫氣體條件下，該款LED燈珠極易發(fā)生硫化失效。

 

四、結(jié)論與建議

 

      導(dǎo)致LED燈珠發(fā)生光衰的直接原因是：LED內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的硫化腐蝕。含硫腐蝕性氣體來(lái)源于外界服役環(huán)境，通過(guò)封裝膠體擴(kuò)散進(jìn)入燈珠內(nèi)部，造成固晶銀膠和焊盤(pán)表面發(fā)生硫化腐蝕。

 

      建議：1. 查找確認(rèn)含硫腐蝕氣體的發(fā)生源，從根源上杜絕硫化腐蝕的發(fā)生；

      2. 更換封裝膠體，選取致密性較高的膠體，例如市面上防硫化膠水。