關于LED光源黑化和排查方法的研究

摘 要：本文對LED光源的黑化問題進行了研究、分析。經過研究后發(fā)現(xiàn)：除了因電源電壓超高而擊穿LED芯片；因電流值超過額定電流而燒毀LED芯片，還與LED貼片的支架有很大的關系。支架內的鍍銀層在硫及鹵化物存在的情況下，會使鍍銀層硫化或者鹵化，進而生成深色或黑色的化合物晶體，導致LED的光通量下降，直至完全失效。所以，必須對LED光源的材料單元進行排查，以排除LED中期失效和壽命期望值內的失效的因素。此外，本文中筆者還對鍍銀層硫化或者鹵化的排查設備和排查方法作了簡要的介紹。

關鍵詞：LED光源；黑化；排查方法；研究

中圖分類號：TN312.8 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0034-03

Abstract：The problem of blackening of LED light source is studied and analyzed in this paper. In this research，it is found that the LED chip is broken through in addition to the high power supply voltage，and the LED chip is burned down because the current value exceeds the rated current，and it has a great relationship with the LED patch bracket. In the presence of sulfur and halides，the silver coating in the bracket causes the silver coating to be vulcanized or halogenated，and produces a dark or black compound crystal that leads to a decrease in the luminous flux of the LED until it is completely invalid. Therefore，the material elements of the LED light source must be investigated to eliminate the failure factors of LED medium term failure and life expectancy. In addition，a brief introduction is given to the equipment and methods of checking and curing the silver coating.

Keywords：LED light source；blackening；troubleshooting method；research

0 引 言

半導體照明行業(yè)經過十多年的發(fā)展，在我國初步形成了包括LED外延片的生產、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED應用產品等較為完整的產業(yè)鏈。至2016年底，我國半導體照明產業(yè)整體產值已超過5000億元大關，較2015年同比增長20%以上，雖然與“發(fā)展期”的“十二五”期間30%左右的年均增長率有所下降，但LED產能的不斷提升仍然為發(fā)展的趨勢。2016年我國上游外延芯片產值約占3.5%，達到180億元人民幣以上；中游封裝約占15%，達到750億元人民幣以上；下游應用規(guī)模約占80%，達到4000億元人民幣以上；其他為配件及檢測市場等。

究其產業(yè)在我國能夠長時間高速發(fā)展的原因，一方面有賴于《中國逐步淘汰白熾燈線路圖》和全球加速淘汰白熾燈的強制執(zhí)行，使LED成為照明的主流光源；另一方面，LED照明終端燈具產品的價格不斷下降和品質逐步提高，已被消費者認可，從“公用照明”走入家居照明，使LED通用照明成為應用市場的第一驅動力。LED背光應用方面，隨著小間距LED顯示技術的成熟和成本逐步降低，年增長率約為20%～30%。我國LED照明與顯示產品的需求與供給的健康發(fā)展，使LED產品占據(jù)了世界約75%的照明產品份額。

在LED行業(yè)高速發(fā)展的背后，隱藏著越來越顯現(xiàn)的品質風險——LED光源早期或中期“黑化”問題。當前，無論是外資LED廠商，還是本土LED企業(yè)，都遇到了相同的“黑化”困擾。所以，對LED光源產品“黑化”問題應引起足夠的重視，對其產生機理應進行研究，從而找到檢測、分析的方法，采取有效的根治措施予以預防。

1 LED光源黑化現(xiàn)象與分析

LED“黑化”是LED光源在使用過程中出現(xiàn)的一種故障現(xiàn)象。多年來，學者通過對LED“黑化”問題的光源和燈具進行檢測、統(tǒng)計和分析認為，可將LED“黑化”問題分為“LED的物理黑化”和“LED的化學黑化”兩類不同的黑化，對于不同黑化光源的檢測，也應采取不同的手段和方法進行。

所謂“LED的物理黑化”，是LED光源和燈具由于物理原因——如過電壓、過電流及結溫超標等因素引起的LED光源或燈具的“黑化”。主要出現(xiàn)在早期的LED光源和燈具中。其主要原因如下。

（1）我國在2014年以前，因為國產LED芯片的發(fā)光效率較低，一般不超過80lm/W，加上燈罩的霧化導致光通量的損失、AC-DC電源適配器的自耗電功率，所以整體燈具的發(fā)光效率一般均不超過60lm/W。工業(yè)設計與制造廠商為了提高燈具的整體光通量，將供電功率均設置為LED芯片額定功率的極限值，甚至超極限值條件下使用。如功率為1W的LED芯片供電電源的電壓/電流額定值為DC 3.0～3.2V/320～350mA，而早期的單芯片供電電源功率一般均采用3.2V/350mA供電，甚至采用3.4V/350mA供電，即超功率供電，導致LED長期工作于極限狀態(tài)或超極限狀態(tài)。這些因素使LED在使用中光通量迅速衰減，甚至產生過電壓擊穿芯片或過電流燒毀芯片現(xiàn)象，導致LED燈具早期失效和中期失效。產生LED芯片或燈具的“黑化”，本研究將以上原因造成的LED“黑化”歸納為“因電力學引起的LED的物理黑化”。

（2）在封裝工藝上，LED產業(yè)化初期，因受技術水平不完善的制約，LED芯片基本上全部為正裝芯片，而倒裝芯片、垂直芯片還處于開發(fā)、試驗階段，所以LED光源板很少采取“電-熱”分離式設計；熱沉導熱系統(tǒng)更是沒有提升到設計議程；而且電路板均采用熱阻較大的普通單面環(huán)氧樹脂PCB板；加上球泡燈之類的燈具外殼的防護體系要求，燈具內的光源板幾乎處于全封閉狀態(tài)，LED工作時產生的熱量，只能靠內部有限的空氣進行熱輻射交換，導致環(huán)境溫度不斷升高，LED芯片的結溫也隨之不斷升高，致使LED因結溫超標而燒毀的現(xiàn)象也時有發(fā)生。致使LED燈具早期失效和中期失效。產生LED芯片或燈具的“黑化”，本研究將以上原因造成的LED“黑化”歸納為“因熱力學引起的LED的物理黑化”。

（3）“LED的物理黑化”的檢測與判斷。一般而言，無論是“因電力學引起的LED的物理黑化”，還是“因熱力學引起的LED的物理黑化”，均是比較容易發(fā)現(xiàn)和檢測的。因為無論是過電壓擊穿LED芯片，還是過電流、過結溫燒毀LED芯片，均具有“火災現(xiàn)象”，即芯片均有“燒”過的痕跡，出現(xiàn)“黑化”的原始部件為LED芯片，所以芯片除了“燒黑”以外，其黑化層上面一般都會發(fā)現(xiàn)藍黑色或灰黑色的煙霧沉積。故采用10～30倍的放大鏡即可看得比較清楚；若在顯微鏡下觀察，更是一目了然；如果是比較嚴重的“擊穿”或“燒毀”故障，往往用人眼就可識別。而且LED的物理黑化，一般為突發(fā)事件，均會造成LED芯片的直接損壞，工作中的燈具會突然熄滅，而不是LED芯片光通量的緩慢下降。

2 LED光源中銀（錫）的硫化和鹵化引起的“黑化”

所謂“LED的化學黑化”問題，是因為在LED封裝部件中或在固晶、焊接時使用的銀或錫元素產生硫化或鹵化引起的。

（1）嚴格地講，銀的硫化定義為：在一定高溫（一般為90℃～100℃）和有水汽存在的條件下，銀（Ag）或銀的氧化物（如Ag2O）與硫（S）或硫化物（如H2S）會發(fā)生化學反應，生成黑色立方晶系晶體硫化銀（Ag2S）的現(xiàn)象，稱之為銀的硫化。黑色的硫化銀附著于LED芯片的上面和四周，遮擋住LED發(fā)出的光線，即肉眼所見的LED黑化現(xiàn)象。

其化學反應式為：

2Ag+SAg2S

其Ag2S分子結構圖，如圖1所示；結構模型圖，如圖2所示；晶體放大照片，如圖3所示。

（2）同樣的原理，在一定高溫（一般為90℃～100℃）和有水汽存在的條件下，銀（Ag）或銀的氧化物（如Ag2O）與鹵素氯（Cl）、溴（Br）或鹵化物（如HCl）發(fā)生化學反應，生成固體鹵化銀（如AgCl）的現(xiàn)象，稱之為銀的鹵化。最初生成的氯化銀為白色晶體，在光的作用下顏色會很快變成紫色，直至變成黑色。晶體附著于LED芯片上面和四周，遮擋住LED發(fā)出的光線，即肉眼所見的LED黑化現(xiàn)象。

其化學反應式為：

2Ag+2HCl2AgCl+H2↑

（3）同樣原理，錫的硫化和鹵化同樣會生成固態(tài)晶體附著于LED芯片上或其周邊，遮擋住LED發(fā)出的光線。這對于LED燈具的損害作用，一方面是使燈具的光通量逐漸降低，直至完全遮擋LED芯片的光通量；另一方面，如果對于焊接點的錫產生腐蝕，會導致LED芯片的焊點完全脫落，使LED的電連接通路開路，導致LED燈具完全失效。

如硫化錫（SnS）初始顏色為黃色晶體，隨著溫度升高和光照而逐漸變黑；硫化亞錫（SnS2）初始顏色為棕黑色晶體，隨著溫度升高和光照而逐漸變黑。

可見銀、錫的硫化、鹵化，均會在LED芯片上面和周邊生成深色或黑色的晶體狀固態(tài)物質，而使LED芯片“黑化”，導致光源品質嚴重下降乃至使LED失效。所以，近年來LED光源和燈具的“黑化”問題倍受LED行業(yè)的關注和重視。

3 銀硫化和鹵化的排查方法研究

對銀硫化和鹵化的排查研究，也就是對LED部件中含有硫或鹵素的排查方法進行研究，即找到銀或錫被硫化或鹵化的物質。一方面需要采用微觀觀察的方法，“看”LED表面及周邊是否具有深色和黑色的固態(tài)晶體物質，遮擋了LED芯片的正常發(fā)光，或者在燈具內部是否具有這些對LED產生可能危害的硫元素或鹵素物質。另一方面就是要根據(jù)這些有害物質的理化性質，采用元素能譜分析的方法，比較確切地檢測出有害物質的含量，并判定有害物質的來源部件。

本研究采用了掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀相配合的排查方法，對LED試品進行檢測排查。

其原理在于：采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，簡稱“SEM”），對檢測樣品進行微觀放大掃描觀察，其圖像放大倍數(shù)可控制在50～20000倍，可根據(jù)硫化點的大小和掃描狀況對放大倍數(shù)進行調節(jié)?？色@得25nm或更高的分辨率圖像，得到燈具中清晰的硫化或鹵化后照片，如圖4和圖5所示。

在通過掃描電子顯微鏡進行顯微掃描觀察的同時，采用X射線能譜儀（Energy dispersive X-ray spectrometer，簡稱“EDS”），在微米或納米尺度上對掃描電子顯微鏡內通過電子碰撞，不同元素所產生的不同頻譜的X射線，檢測出有害元素的存在與否；再通過對該頻譜的能量進行定量測試，得到掃描點各種物質的“能譜圖”，如圖6所示。通過“能譜圖”就能比較準確地判斷試品中是否含有硫化物和鹵化物。從而進行排查性和預防性檢測和分析，使產品的制造商或供應商認知產品中所含導致LED燈具黑化的元素的可能性。從而判斷是因為LED照明燈具的部件中含有有害元素或其化合物，還是LED照明燈具的部件在制造、運輸、儲存過程中受到有害元素或其化合物的污染，并對此采取相應的預防措施?？梢?，采取對硫元素和鹵元素的檢測排查，對提高LED照明產品品質、降低照明產品的早期失效率和中期失效率具有十分重要的意義。

4 結 論

綜上所述，在當前國產芯片品質較大提高的前提下，終端產品LED燈具的品質提升，特別是使用壽命的期望值提升、燈具使用的可靠性穩(wěn)定性的提升，是我國LED燈具行業(yè)擴大市場占有率的先決條件和實力保證。其中，避免出現(xiàn)光源的早期失效和中期失效，避免燈具部件被有害元素污染的保證體系建設，已成為燈具質量體系建設的關鍵因素。所以不僅要避免使用含有有害元素的材料，而且應在制造、運輸及存儲等多個環(huán)節(jié)避免有害元素的污染。更要做到“防范于未然”，即在進行產品質量認證時，加強對銀、錫的硫化和鹵化的排查檢測，將此指標列為LED燈具產品常規(guī)檢測的項目之一，使我國的LED照明和顯示產品登上一個新的臺階。

參考文獻：

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[2] 程利容.燈具設計的原則與程序 [J].科技資訊，2016，14（31）：164-165.

作者簡介：許海文（1978.03-），男，中級，本科。研究方向：城市照明管理及設計。