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LED硫化失效分析及预防对策

2022-11-06  浏览量:53

 

引言

 

因封装制程缺陷、外界使用环境等因素影响,常导致LED出现硫化反应,表现为产品功能区黑化,光通量逐渐下降,色温出现明显漂移。LED的硫化现象在初期难以察觉发现,在经过一段时间后,重要材料遭到彻底破坏,最终导致产品完全失效。

 

本文以LED硫化腐蚀失效为例,通过开封检查、显微分析、切片分析、硫化试验等测试方法,分析其失效原因与机理,并提出预防措施。

 

一、案例背景

 

LED灯珠在客户端服役期间出现光衰失效,不良均存在共性,地域分散,无集中性。初步怀疑是LED灯珠硫化失效。现进行测试分析,查找其失效原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

针对PCBA样品和LED裸灯珠进行光学检查,检查结果显示:LED裸灯珠封装胶体清澈透明,固晶银胶、晶元、绑定线结构清晰;PCBA样品上的LED灯珠封装胶体清澈透明,固晶胶、晶元无法有效辨识,呈现黑色。

外观检查确认光衰LED灯珠内部明显发生黑化,该变化会导致反光效果下降,灯珠出光效率降低。

 

2. 机械开封+显微分析

为了真实呈现LED灯珠内部的形貌和成分,采用机械开封的方式将LED灯珠解剖。

从图中可以看到,光衰LED灯珠内部焊盘区明显发黑(红色虚线标注),灯珠白色塑胶覆盖处的金属支架表面呈现金属光泽,未明显发黑;LED裸灯珠内部焊盘、固晶银胶、金属支架均呈现出正常光泽,无黑化现象。

 

光衰LED灯珠机械开封后光学照片

图1. 光衰LED灯珠机械开封后光学照片

 

利用扫描电子显微镜对机械开封后的样品进行显微形貌观察和成分分析。

图2显示固晶银胶呈现异常粉末状,成分测试探测到高含量的硫元素;焊盘区表面为粗糙的结晶形貌,非正常电镀银形貌,成分测试同样探测到高含量的硫元素,同时还有少量镍元素和铜元素,这意味着银镀层底下的镍、铜元素已经扩散至表层,说明硫腐蚀程度极为严重;C区域为被白色胶体覆盖的金属支架,金属支架银层表面光滑,无明显腐蚀形貌,成分测试未发现硫元素。

 

光衰LED灯珠机械开封形貌及EDS谱图(支架侧)

图2. 光衰LED灯珠机械开封形貌及EDS谱图(支架侧)

 

图3是封装胶体侧的形貌图,LED灯珠内部焊盘区呈现出典型的腐蚀形貌,同样探测到高含量的硫元素;E区域与C区域相对应,胶体表面光滑,无银元素残留,未探测到腐蚀元素。

 

光衰LED灯珠机械开封形貌及EDS谱图(封装胶体侧)

图3. 光衰LED灯珠机械开封形貌及EDS谱图(封装胶体侧)

 

图4是LED裸灯珠的内部形貌,银镀层表面光滑,灯珠封装材料未探测到腐蚀硫元素。

 

LED裸灯珠机械开封形貌及EDS谱图

图4. LED裸灯珠机械开封形貌及EDS谱图

 

光衰LED灯珠机械开封显微分析结果表明:固晶银胶、焊盘区表面均发生极为严重的硫化腐蚀,但被白色塑胶覆盖的金属支架表面则无腐蚀现象,说明硫元素的进入路径不是金属支架与白色塑胶的的界面,即灯珠硫化腐蚀与LED支架本身密封性无关。

3. 剖面制样+显微分析

取光衰LED灯珠和LED裸灯珠进行剖面切片。光衰LED灯珠固晶胶、焊盘银层表面发黑严重,固晶银胶内部无发黑现象(红色虚线标注);LED裸灯珠固晶胶、焊盘银层表面呈现银色金属光泽。

 

LED灯珠剖面光学照片

图5. LED灯珠剖面光学照片

 

光衰LED灯珠的剖面结构如图所示,其中①固晶银胶表面严重硫化,但银胶内部无硫化现象,且固晶胶底部的银层完整;②金属支架与白色塑胶结合良好,界面无分层现象,白素塑胶覆盖的金属支架表面银层无明显腐蚀;③固晶银胶边缘银层腐蚀殆尽。

硫元素来自于服役环境,硫元素进入LED灯珠有两条路径:①通过金属支架与白色塑胶的界面进入,也就是行业内通常所讲的LED支架密封性不良;②通过封装胶体扩散进入。从上述测试结果可知,支架与白色塑胶界面无分层,且白色塑胶覆盖区银层完整,说明硫元素不可能从路径①进入,唯有通过封装胶体进入,才会出现目前的失效现象。

 

光衰LED灯珠剖面形貌及EDS谱图

图6. 光衰LED灯珠剖面形貌及EDS谱图

 

4. 硫化试验

对LED裸灯珠进行防硫性能测试,试验后,LED裸灯珠内部银胶和焊盘明显发黑,说明封装胶体无法阻止含硫气体的进入。

 

硫化试验示意图

图7. 硫化试验示意图

 

硫化试验前后比对

图8. 硫化试验前后比对

 

三、总结分析

 

光衰LED灯珠光学检查确认固晶银胶、焊盘表面明显发黑,黑化会导致LED灯珠出光效率降低。

 

将光衰LED灯珠机械剥离,固晶银胶和焊盘表面确认发生硫化腐蚀,呈现出典型的腐蚀形貌。白色覆盖的金属支架表面银层光滑完整,未发现任何腐蚀迹象。光衰LED灯珠剖面显微分析再次证实了以上分析结果,硫化腐蚀仅发生在固晶银胶表面和未被白色塑胶覆盖的焊盘表面。

 

硫元素来自于服役环境,硫元素进入LED灯珠有两条路径:①通过金属支架与白色塑胶的界面进入,也就是行业内通常所讲的LED支架密封性不良;②通过封装胶体扩散进入。从本案分析结果可知,腐蚀硫元素必然是通过封装胶体进入灯珠内部。LED灯珠封装胶体为硅胶,硅胶分子链间距较大,防止腐蚀气体进入的性能较差。

 

硫化试验证实,在含硫气体条件下,该款LED灯珠极易发生硫化失效。

 

四、结论与建议

 

导致LED灯珠发生光衰的直接原因是:LED内部发生严重的硫化腐蚀。含硫腐蚀性气体来源于外界服役环境,通过封装胶体扩散进入灯珠内部,造成固晶银胶和焊盘表面发生硫化腐蚀。

 

改善建议

1. 查找确认含硫腐蚀气体的发生源,从根源上杜绝硫化腐蚀的发生;

2. 更换封装胶体,选取致密性较高的胶体,例如市面上防硫化胶水。

 

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