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嘉峪檢測網 2022-11-05 06:38
引言
因封裝制程缺陷、外界使用環境等因素影響，常導致LED出現硫化反應，表現為產品功能區黑化，光通量逐漸下降，色溫出現明顯漂移。LED的硫化現象在初期難以察覺發現，在經過一段時間后，重要材料遭到徹底破壞，最終導致產品完全失效。
本文以LED硫化腐蝕失效為例，通過開封檢查、顯微分析、切片分析、硫化試驗等測試方法，分析其失效原因與機理，并提出預防措施。
一、案例背景
LED燈珠在客戶端服役期間出現光衰失效，不良均存在共性，地域分散，無集中性。初步懷疑是LED燈珠硫化失效。現進行測試分析，查找其失效原因。
二、分析過程
1.外觀檢查
針對PCBA樣品和LED裸燈珠進行光學檢查，檢查結果顯示：LED裸燈珠封裝膠體清澈透明，固晶銀膠、晶元、綁定線結構清晰；PCBA樣品上的LED燈珠封裝膠體清澈透明，固晶膠、晶元無法有效辨識，呈現黑色。
外觀檢查確認光衰LED燈珠內部明顯發生黑化，該變化會導致反光效果下降，燈珠出光效率降低。
2.機械開封+顯微分析
為了真實呈現LED燈珠內部的形貌和成分，采用機械開封的方式將LED燈珠解剖。
從圖中可以看到，光衰LED燈珠內部焊盤區明顯發黑（紅色虛線標注），燈珠白色塑膠覆蓋處的金屬支架表面呈現金屬光澤，未明顯發黑；LED裸燈珠內部焊盤、固晶銀膠、金屬支架均呈現出正常光澤，無黑化現象。
圖1.光衰LED燈珠機械開封后光學照片
利用掃描電子顯微鏡對機械開封后的樣品進行顯微形貌觀察和成分分析。
圖2顯示固晶銀膠呈現異常粉末狀，成分測試探測到高含量的硫元素；焊盤區表面為粗糙的結晶形貌，非正常電鍍銀形貌，成分測試同樣探測到高含量的硫元素，同時還有少量鎳元素和銅元素，這意味著銀鍍層底下的鎳、銅元素已經擴散至表層，說明硫腐蝕程度極為嚴重；C區域為被白色膠體覆蓋的金屬支架，金屬支架銀層表面光滑，無明顯腐蝕形貌，成分測試未發現硫元素。
圖2.光衰LED燈珠機械開封形貌及EDS譜圖（支架側）
圖3是封裝膠體側的形貌圖，LED燈珠內部焊盤區呈現出典型的腐蝕形貌，同樣探測到高含量的硫元素；E區域與C區域相對應，膠體表面光滑，無銀元素殘留，未探測到腐蝕元素。
圖3.光衰LED燈珠機械開封形貌及EDS譜圖（封裝膠體側）
圖4是LED裸燈珠的內部形貌，銀鍍層表面光滑，燈珠封裝材料未探測到腐蝕硫元素。
圖4.LED裸燈珠機械開封形貌及EDS譜圖
光衰LED燈珠機械開封顯微分析結果表明：固晶銀膠、焊盤區表面均發生極為嚴重的硫化腐蝕，但被白色塑膠覆蓋的金屬支架表面則無腐蝕現象，說明硫元素的進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支架本身密封性無關。
3.剖面制樣+顯微分析
取光衰LED燈珠和LED裸燈珠進行剖面切片。光衰LED燈珠固晶膠、焊盤銀層表面發黑嚴重，固晶銀膠內部無發黑現象（紅色虛線標注）；LED裸燈珠固晶膠、焊盤銀層表面呈現銀色金屬光澤。
圖5.LED燈珠剖面光學照片
光衰LED燈珠的剖面結構如圖所示，其中①固晶銀膠表面嚴重硫化，但銀膠內部無硫化現象，且固晶膠底部的銀層完整；②金屬支架與白色塑膠結合良好，界面無分層現象，白素塑膠覆蓋的金屬支架表面銀層無明顯腐蝕；③固晶銀膠邊緣銀層腐蝕殆盡。
硫元素來自于服役環境，硫元素進入LED燈珠有兩條路徑：①通過金屬支架與白色塑膠的界面進入，也就是行業內通常所講的LED支架密封性不良；②通過封裝膠體擴散進入。從上述測試結果可知，支架與白色塑膠界面無分層，且白色塑膠覆蓋區銀層完整，說明硫元素不可能從路徑①進入，唯有通過封裝膠體進入，才會出現目前的失效現象。
圖6.光衰LED燈珠剖面形貌及EDS譜圖
4.硫化試驗
對LED裸燈珠進行防硫性能測試，試驗后，LED裸燈珠內部銀膠和焊盤明顯發黑，說明封裝膠體無法阻止含硫氣體的進入。
圖7.硫化試驗示意圖
圖8.硫化試驗前后比對
三、總結分析
光衰LED燈珠光學檢查確認固晶銀膠、焊盤表面明顯發黑，黑化會導致LED燈珠出光效率降低。
將光衰LED燈珠機械剝離，固晶銀膠和焊盤表面確認發生硫化腐蝕，呈現出典型的腐蝕形貌。白色覆蓋的金屬支架表面銀層光滑完整，未發現任何腐蝕跡象。光衰LED燈珠剖面顯微分析再次證實了以上分析結果，硫化腐蝕僅發生在固晶銀膠表面和未被白色塑膠覆蓋的焊盤表面。
硫元素來自于服役環境，硫元素進入LED燈珠有兩條路徑：①通過金屬支架與白色塑膠的界面進入，也就是行業內通常所講的LED支架密封性不良；②通過封裝膠體擴散進入。從本案分析結果可知，腐蝕硫元素必然是通過封裝膠體進入燈珠內部。LED燈珠封裝膠體為硅膠，硅膠分子鏈間距較大，防止腐蝕氣體進入的性能較差。
硫化試驗證實，在含硫氣體條件下，該款LED燈珠極易發生硫化失效。
四、結論與建議
導致LED燈珠發生光衰的直接原因是：LED內部發生嚴重的硫化腐蝕。含硫腐蝕性氣體來源于外界服役環境，通過封裝膠體擴散進入燈珠內部，造成固晶銀膠和焊盤表面發生硫化腐蝕。
建議：1. 查找確認含硫腐蝕氣體的發生源，從根源上杜絕硫化腐蝕的發生；
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。
來源：電子制造資訊站
