LED硫化失效分析与可靠性研究

　谈到LED失效，人们首先会想到正常电流驱动下出现的死灯不亮现象，或者仅仅发出微弱光线。事实上，这已是失效类型达到最严重的程度，称为灾难失效。相反，如果LED产品在平时使用中，一些关键参数特性偏离出可接受限度，例如永久性光输出衰减，色温漂移，显色指数下降等，我们称之为参数失效。

　　单独从裸晶芯片(即磊晶晶粒)上考虑，出现LED产品参数失效机率很低，因为它属于一种性质很稳定的固态化合物，在规范的条件下使用,不易损坏，而处于一般应用环境也不起化学反应，因此拥有较长的寿命。然而，为使该芯片发光，必须将它黏贴在特定的载台(即支架或基板)上并以金属线或焊锡等材料连接晶粒正负极，然后用高分子材料与发光材料混合包覆在整个载台，这就是所谓封装制程，经过这段制程后的LED灯珠，包覆在芯片的封装材料极容易遭受损伤，因此，各种LED参数失效归因于封装材料的破坏和劣化。

　　一、LED硫化现象

　　大部分参数失效过程是一个渐变的过程，并且在开始时候不能立刻被察觉，它属于一种存在的隐患，称之为隐性失效。经过一段时间，重要材料遭到彻底破坏，最终演变成灾难失效。硫化现象就属于这种隐性失效。

　　出现硫化反应后，产品功能区会黑化(如图1)，光通量会逐渐下降，色温出现明显漂移;硫化后的硫化银随温度升高导电率增加，在使用过程中，极易出现漏电现象;更严重的状况是银层完全被腐蚀，铜层暴露。由于金线二焊点附着在银层表面，当支架功能区银层被完全硫化腐蚀后，金球出现脱落，从而出现死灯。

　　二、LED硫化失效分析

　　查找硫化失效原因，需要一套科学完善的失效分析流程，首先必须保存好失效样品,并对失效环境信息进行收集。从以往数据来看，大部分封装厂所获得的硫化失效线索来源，基本为用户端硫化异常发生之后得到的反馈。但由于出现失效环境并非最终的污染源发生地，这对确立源头显得比较复杂与棘手，因此需要借助更多高级仪器，例如扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)，通过微观结构观察与表面成分分析，进行逐层的推断与排除，最终确立硫元素源头与硫化起因。

　　对出现硫化问题的产品所存放的环境展开调查发现，硫化异常均出现在应用端的通电老化与储存过程。源头主要来自于含硫橡胶的电源线以及橡胶类的绝缘包装塑料。但并非所有案例都能从存放环境中找到硫源头。因此，在存放前或许已经发生硫化现象。从应用产品的生产流程分析(图2)，初步推断，硫化最可能出现在回流焊接环节，因为由化学反应动力学的观点得出，温度升高，硫的化学反应速率加快，硫化现象加剧。另外，湿度也是一个重要因素。有研究表明，只需50%的湿度，PCB表面就会形式一层水膜，随着湿度从0～80%之间变化，干净金属表面可沉积2-10分子层水膜。因此，湿度增加，也会加速硫化腐蚀的发生。

　　为了进一步验证此推论，锁定硫化发生环节，我们通过能谱分析仪(EDS)对多个硫化问题的产品连同PCB板进行全面的硫含量鉴定。

　　表1 EDS元素扫描数据显示，支架功能区，引脚处以及PCB板的焊盘区均含有一定的硫元素，且不同区域硫含量存在差异。另外由表1发现，支架外部引脚处硫含量远远高于支架内部功能区。初步判定，支架内部功能区硫元素为外部入侵。究竟硫元素入侵路径如何，仍需要进一步分析。假设可能入侵的路径为1.含硫气体通过硅胶入侵。2.引脚处硫元素通过PPA支架渗入功能区内部。我们分别把PPA支架与硅胶结合面以及连接引脚处PPA支架切开面进行EDS元素检测，发现都没有硫的痕迹。相反，在硅胶与功能区镀银层界面含有硫元素，这说明硫入侵到功能区不是从引脚处通过PPA支架渗入，而是含硫气体通过硅胶界面入侵。