LED即發(fā)光二極管是將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體固體發(fā)光元件，其核心是PN結(jié)，除了一般PN結(jié)的正向?qū)?、反向截止以及破壞特性之外，還在一定條件下具有發(fā)光特性。圖1是一家公司生產(chǎn)的3528型白光LED珠的代表性外觀圖，其結(jié)構(gòu)主要包括以下部分：引線、支架、封裝膠、結(jié)合線、LED芯片、固晶膠、熒光體。LED串珠的變色失效與該材料、結(jié)構(gòu)、包裝過程以及使用條件密切相關(guān)，以下，根據(jù)具體的例子分析其變色原因。

封裝膠原因

1封裝膠中殘留的異物

失效的珠子的外觀局部變色變黑。取下封裝膠后，封裝膠內(nèi)混入黑色異物，使用掃描電子顯微鏡及能譜儀SEMamp。EDS）進(jìn)行異物的成分分析，確認(rèn)主要成分是鋁（Al）、碳（C）、氧（O）元素，還含有少量雜質(zhì)元素，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。結(jié)合用戶反饋失效的背景，發(fā)現(xiàn)這種異物是在封裝過程中引入的。

變色LED的外觀

a光學(xué)照片

b EDS能量譜

圖3封裝膠異物成分

2封裝膠由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而導(dǎo)致的膠體變色

失效品是玻璃光管燈，內(nèi)部的LED燈帶用單組份室溫固化硅橡膠粘接在玻璃管上，粘合部位燈帶的LED燈珠變黃變暗。失效珠封裝膠的材質(zhì)是硅橡膠、使用SEMamp。EDS試驗(yàn)封裝膠的元素成分發(fā)現(xiàn)，硫（S）元素比普通的珠封裝膠成分多，試驗(yàn)結(jié)果如圖4表示。

通常硫磺，有機(jī)二硫化物和多硫化物等硫含量物質(zhì)作為硫化劑使橡膠硫化交聯(lián)反應(yīng)，使橡膠的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顏色變黃變暗，呈現(xiàn)熱分解溫度上升的現(xiàn)象。TGA燈珠封裝膠試驗(yàn)了身體的熱解溫度，發(fā)現(xiàn)失效燈珠封裝膠的重量損失2%、5%、10%、15%、20%的溫度均比同批次良品封裝膠的重量損失相同的溫度高25°C以上，如封裝膠熱分解曲線如圖5所示，封裝膠確認(rèn)了硫化橋引起的熱解溫度上升現(xiàn)象。此外，使用ICPOES對(duì)具有固定作用的單組分硬化硅橡膠的化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測(cè)出硫（S）元素約400ppm。

a過期品

良品

封裝膠熱分解曲線TGA光譜

由此，LED燈珠變黃變暗的原因是玻璃燈管內(nèi)粘結(jié)固定用的單組份室溫固化硅橡膠硬化中揮發(fā)的含有硫磺的（S）氣體侵入LED封裝膠中，使封裝膠進(jìn)一步加硫化交橋反應(yīng)，通過再加硫化交橋封裝膠身體變黃變暗。之后，若用戶變更為不使用單分量硬化硅橡膠的塑料燈管，則不觀察到燈珠的變色。因此，LED生產(chǎn)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材和制造時(shí)，必須考慮用于產(chǎn)品各部件的不同材料之間的一致性，避免材料不兼容導(dǎo)致的后續(xù)可靠性問題。

磷光體沉降

將燈珠組裝成LED燈后，儲(chǔ)存于倉庫后，色溫漂移失效，失效LED燈珠的封裝膠由橙色變?yōu)闇\黃色，進(jìn)行I-V特性測(cè)試，燈珠正常點(diǎn)亮，I-V曲線正常，發(fā)光亮度僅發(fā)生變化。取幾個(gè)失效的珠子，用機(jī)器開封方式取出封裝膠，發(fā)現(xiàn)支架表面殘留有透明的粒子狀物質(zhì)，并使用SEMamp。EDS試驗(yàn)了顆粒物成分的結(jié)果表明，高含量鍶Sr元素，如如圖6所示，高含量含有鍶Sr元素。另一方面，封裝膠從與支架的接觸面也檢測(cè)出高含量的鍶Sr元素和鋇Ba元素，并在如圖7中表示。

與此相對(duì)，良品珠在開封后，支架表面清潔，表面主要成分是銀（Ag）和少量碳（C）元素，沒有檢測(cè)到鍶Sr元素，在其封裝膠和支架的接觸面也沒有檢測(cè)到鍶Sr和鍶Ba元素。對(duì)失效品和良品珠封裝膠的斷面成分進(jìn)行測(cè)試后，兩者所使用的熒光體的成分相同，均為釔鋁石榴石（主要成分是氧（O）、鋁（Al）、釔（Y））和硅酸鍶鋇（主要成分是碳（C）、氧（O）、硅Si、鍶Sr發(fā)現(xiàn)是將鋇Ba和鈣（Ca）混合后的熒光體。

支架表面顆粒物成分（（SEMamp；EDS光譜）

a SEM照片

b EDS光譜

封裝膠與支架的接觸面成分

因此，LED珠的失效原因是所使用的硅酸鹽熒光體沉降到封裝膠底部和支架表層，由于光折變規(guī)律的不一致而產(chǎn)生分散現(xiàn)象，色溫漂移，同時(shí)產(chǎn)生珠變色現(xiàn)象。

支持的理由

1異物污染支架

失效的珠子側(cè)變色，剝下封裝膠后發(fā)現(xiàn)變色部位的支架表面被異物覆蓋，對(duì)異物進(jìn)行元素成分試驗(yàn)，表示主要成分是錫（Sn）、鉛（pb）元素，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。剝掉焊縫變色部周邊的白色塑料，在與白色塑料接觸的支架表面也檢測(cè)出錫（Sn）、鉛（pb）成分。異物覆蓋部的支架連接在珠頭側(cè)的銷上，因此針采用了鉛焊。

當(dāng)燈珠表面粘貼時(shí)，如果銷上附著多余的錫膠，焊接時(shí)熔融的焊接材料就會(huì)上升到沿銷連接的支架表面，形成覆蓋層。因此，在該例子中LED串珠失效的原因是led燈珠組裝焊接時(shí)引腳焊接部的焊料進(jìn)入支架表面，形成被覆物，串珠變色。

a光學(xué)照射

b EDS譜圖

支架蓋成分

2支架腐蝕

失效LED燈珠的中間部分變色變黑，開封后在光學(xué)顯微鏡下觀察，支架整體表面明顯變黑，使用SEMamp。EDS試驗(yàn)了黑支架的成分后，除了通常的材質(zhì)成分外，黑支架中有腐蝕性硫（S）元素，支架表面的鍍銀層呈現(xiàn)局部緩慢的腐蝕形態(tài)，如如圖9所示。通常LED燈珠在制造過程中，如果由于材料自身的雜質(zhì)或過程污染等原因引入了硫（S）、氯（Cl）等腐蝕性元素，則在一定條件（例如高溫、水蒸氣殘留等）下，其金屬座容易腐蝕，產(chǎn)生燈珠變色、漏電等失效現(xiàn)象。

a SEM照片

b EDS光譜

支架腐蝕部位成分

3支架鍍金質(zhì)量差

LED燈珠點(diǎn)亮劣化后變色變黑，達(dá)到30%的失效率。去除珠子表面的封裝膠后，發(fā)現(xiàn)支架表層的鍍銀層失去了傳統(tǒng)的光，呈現(xiàn)灰色。使用SEM觀察支架表層的細(xì)微形態(tài)，發(fā)現(xiàn)LED失效的珠的支架表面的銀層與未安裝的半成品支架相比較為緩慢，如圖11a所示的孔較多。

將半成品支架和失效LED切片觀察斷面鍍層質(zhì)量，支架鍍層結(jié)構(gòu)為鍍銅鎳再鍍銀，與半成品相比，失效品支架鍍鎳層變薄，表層銀層變緩，鎳銀鍍層界限變?yōu)楹齽悠分Ъ芙孛嫘问饺鐖D10所示。AES試驗(yàn)失效LED使用支架的淺表層成分，判明存在鎳Ni元素，試驗(yàn)結(jié)果如圖11b所示，鍍鎳層擴(kuò)散到銀層表面。

由此，LED串珠變色的原因是，所使用的支架鍍層不良，老化后銀層松動(dòng)產(chǎn)生孔，鎳層通過銀層孔擴(kuò)散到銀層表面，銀層變黑，串珠變色。

a過期品

半成品

支架截面形態(tài)SEM照片）

a SEM照片

bAES光譜

失效品支架表面成分

在許多LED變色失效例中，支架變色或腐蝕導(dǎo)致的失效比例最高。因此，LED或支架生產(chǎn)者必須采取一些措施來預(yù)防產(chǎn)品失效。例如，選擇品質(zhì)良好、耐腐蝕的支架基材。采用適當(dāng)?shù)碾婂兗夹g(shù)條件，保證形成細(xì)粒、結(jié)構(gòu)致密的電鍍層，鍍層厚度均勻，達(dá)到防護(hù)要求。表層鍍層對(duì)銀支架選擇有效的銀保護(hù)技術(shù)，提高銀支架防變色能力。LED在生產(chǎn)組裝過程中，應(yīng)防止外來污染和腐蝕性物質(zhì)的導(dǎo)入，確保LED包裝嚴(yán)密，減少因環(huán)境中的水蒸氣和氧氣等的侵入而產(chǎn)生的各種腐蝕的可能性。

以上，封裝膠分析了由于熒光體和支架部件的異常引起的LED串珠變色失效的原因和機(jī)理，為了預(yù)防這些失效現(xiàn)象的發(fā)生，LED生產(chǎn)者在材料選擇和制造過程中采取有效措施，LED為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性最好向業(yè)界提供參考和指導(dǎo)方針。