LED 即為發(fā)光二極管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，其核心是 PN 結(jié)，它除了具有一般 PN 結(jié)的正向?qū)ā⒎聪蚪刂购蛽舸┨匦酝猓谝欢l件下，它還具有發(fā)光特性 。圖 1 為某公司生產(chǎn)的 3528 型白光 LED 燈珠的代表性外觀圖， 其結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個(gè)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(jié)構(gòu)、封裝工藝和使用條件密切相關(guān)，以下將通過(guò)具體的案例來(lái)對(duì)其變色原因進(jìn)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(lái)異物

　　失效燈珠的外觀呈現(xiàn)局部變色發(fā)黑，如圖 2 所 示。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，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)果如圖 3 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。

　　圖2 變色 LED 的外觀

　　a 光學(xué)照片

　　b EDS能譜圖

　　圖 3 封裝膠異物成分

　　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)果如圖 4 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圖 5 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 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(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(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。

　　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?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)果如圖 8 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。

　　a 光學(xué)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(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，如圖 9 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。

　　a SEM 照片

　　b EDS 譜圖

　　圖9 支架腐蝕部位成分

　　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，如圖 11a 所示。

　　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， 樣品的支架截面形貌如圖 10 所示。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)果如圖 11b 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。

　　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 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。

　　以上分析了因封裝膠、熒光粉和支架構(gòu)件異常導(dǎo)致 LED 燈珠變色失效的原因和機(jī)理，希望能為業(yè)界提供參考和指引，使 LED 生產(chǎn)方在選材及制造過(guò)程中采取有效的措施來(lái)預(yù)防這些失效現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步地提高 LED 成品的可靠性。