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)?、反向截止和擊穿特性外，在一定條件下，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)，以下將通過具體的案例來對其變色原因進(jìn)行分析。
一、封裝膠原因
1.封裝膠中殘留外來異物
失效燈珠的外觀呈現(xiàn)局部變色發(fā)黑，如圖 2 所 示。揭開封裝膠，發(fā)現(xiàn)有一個黑色異物夾雜在封裝膠內(nèi)，用掃描電鏡及能譜儀 （SEM&EDS） 對異物進(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，該異物是在封裝過程中引入的。
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 TGA 測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。
由此可知，LED 燈珠發(fā)黃變暗的原因為玻璃燈管內(nèi)粘結(jié)固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過程中揮發(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)計選材和制造時應(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)可靠性問題。
二、熒光粉沉降
燈珠裝配成 LED 燈具后在倉庫儲存時，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，對其進(jìn)行 I-V 特性測試，發(fā)現(xiàn)燈珠可以正常點亮，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。通過測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。
因此，LED 燈珠的失效原因為所使用的硅酸鹽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，同時發(fā)生燈珠變色現(xiàn)象。
三、支架原因
1.異物污染支架
失效燈珠一側(cè)變色，揭開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，對異物進(jìn)行元素成分測試，顯示其主成分為錫 （Sn） 、鉛（Pb）元素，測得的結(jié)果如圖 8 所示。揭開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，如果燈珠在進(jìn)行表面貼裝時，引腳沾附了多余的錫膏，則在焊接時，熔化的焊料會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，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。
2.支架腐蝕
失效 LED 燈珠的中間部位變色發(fā)黑，開封后將其放在光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)整個支架的表面明顯地變黑，使用 SEM&EDS 測試發(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)過程中，由于材料自身不純或工藝過程污染等原因引入硫（S）、氯 （Cl）等腐蝕性元素時，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。
3.支架鍍層質(zhì)量差
LED 燈珠點亮老化后出現(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 測試失效 LED 支架淺表層成分，發(fā)現(xiàn)其中會有鎳（Ni）元素， 測試結(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 燈珠變色的原因為所用的支架鍍層不良， 老化后銀層疏松產(chǎn)生孔洞、鎳層經(jīng)過銀層孔洞擴(kuò)散到銀層表面，導(dǎo)致銀層發(fā)黑，燈珠變色。
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)裝配的過程中，則應(yīng)防止外來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)方在選材及制造過程中采取有效的措施來預(yù)防這些失效現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步地提高 彩色LED 成品的可靠性。