影响LED灯具寿命原因的探讨

影响LED照明灯具寿命的因素很多,除了最常见的散热不良之外,根据应用上的经验造成LED死灯或光衰,变色的原因还有因制造过程中化学物质的污染而造成:

对于下游的应用端,除了适当的散热解决之外,另外在灯具组装的制程中,或制作制程的化学添加物皆须避免所谓化学物质不兼容九LED照明灯具中不兼容的挥发性有机化合物,可以很快损害任何制造商的LED。这种化学物质不兼容往往是一个局部现象,发生在升高的温度下,且在具有很少或没有空气流动的密封灯具中。

经过LED封装厂的测试发现一些已知很容易影响LED正常功能的化学品,用户端最好是建立一个完善的化学不兼容的测试评估体系。有了适当的预防措施,设计和测试,影响可以被最小化或直至杜绝。化学不兼容性的不良影响最为明显的是蓝光、深蓝光和白光LED,很少有观察到红光或绿光LED。

设计者应该充分考虑最大限度地减少化学物质之间的影响(主要是LED的一次光学透镜Molding胶与在电子组装和灯具中用到的各种化学品), 因这些物品搭配在一起可能会损害LED的光输出效率,甚至会使LED发生永久性失效现象(如死灯、变色、暗光等等)。因为化学不兼容性和过高的LED封装温度致使LED失效的结果是一样的:即光通量衰减、色温漂移。

LED可以与哪些化学品,一起使用,哪些类型的灌封胶?能不能灌胶?灌胶对LED有什么影响?

在化学品影响LED的案例:
⑴对不良样品LED透镜进行EDS分析结果如下图:

⑵对不良样品LED Silicone 进行EDS因素分析结果有Na和Cl等异常元素出现如下表:

核查这个电路板,结果发现存在潜在的化学污染物,即有一个粘接透镜的涂层出现在LED元件附近(如上述透镜),LED与这个粘接涂层发生了不利于LED的化学作用。这种化学物质与LED封装本体不兼容,以致LED出现了永久性失效现象。因此了解和防止这些LED与灯具中用到的化学品的不兼容性是极其重要的。
 
有机矽胶(Silicone,矽)是各种大功率LED上使用的有机矽材料,如Cree  XPE 的LED。经均匀混合后注入模具中,在一定的温度条件下固化一段时间就成型了。在固化过程中,矽氧烷不会形成任何固定的形状或结构,相反,它们固化成不同长度和形状各异的随机形状。这样就产生了轻微凝胶状和具有弹性的有机矽。也就是说,这些有机矽材料充满小孔,因此有机矽具有透气性和透湿性。灯泡,或其它固态照明灯具产品中经常使用的灌封化合物材料,如灌封胶、皮圈、垫片,在组装或加工过程中,在升高的温度影响下,这些挥发性有机化物材料就会挥发出气体。
 
挥发性气体的渗透和可靠性变化过程:
在密闭的环境中(如下面的二次光学或夹具盖),任何类型的挥发性有机化合物将环绕并扩散到具有多孔质的有机矽封装的LED中。在矽胶内部的挥发性有机化合物会占据相互交织的矽氧烷链内的空隙中。伴随着热和LED发射的高能光子,挥发性化合物会变色并阻挡LED发射的光。这种变色通常发生在LED芯片正上方的表面,因为这是温度和磁通密度最高的位置。

下图表示的是挥发性有机化合物在矽占据的空隙中,随着热和光子能量的作用,结果挥发性有机化合物发生变色现象:
 
    有机矽链

可靠性失效现象的一般规律:
(1)伴随着发光颜色的变化和光通量的衰减,甚至死灯;
(2)根据不同挥发性有机化合物的性质(例如,分子的大小或其对热的敏感性),这种可靠性失效现象会发生在几个小时内或几个星期不等。
(3)发生这种可靠性失效现象的LED产品一般都是蓝光LED或采用蓝光芯片与萤光粉封装的白光LED。
(4)红光、琥珀光或绿光LED很少或几乎不会发生,因为这些颜色的光是低能量的波长,因此需要更长的时间才会有反应。

灌封胶对LED的不良影响:
如上面的图示所述,LED芯片上方封装胶的变色是由于一个挥发性有机化合物释放出颜色暗淡的气体,并从外部扩散到有机矽氧烷封装的LED零组件内部。

在大多数情况下,这些渗透到有机矽封装胶分子的空隙中的挥发物,不会损坏聚矽氧烷本身的功能。在此种情况下,如果去除上述已变色的LED 上面的的光和密封盖,并且继续进行老化,这样扩散到LED内部的气体将又挥发出来,并有可能恢复原来状态,这就是为什么很多不是在密封的环境下试验的LED很少或几乎不会发生类似变色现象。
 
然而,作为灯具设计者要特别注意的是,有相当一部分挥发性有机化合物(不光是挥发出有颜色的,大多是挥发出无色的气体),可以破坏封装胶,使其膨胀和开裂,使LED不能承受的,由于封装胶的膨胀和开裂会扯断封装内部金线,从而造成闪烁、死灯等不良现象。

化学品选择注意事项:
在选取灯具使用的材料时,特别需要考虑采用的灌封胶、粘接胶、导热膏、焊剂和残余化学品,任何会接触到LED的化学品都要慎重考虑,即使是电路板,随着工作温度的升高,也会释放出可能对LED有损伤的气体。

因此生产前的测试可以帮助预防意想不到的问题发生。
       
经过实验测试发现下列化学品对LED是有害的,在LED的灯具中,即使是少量的这些化学物质的气体也可能会使LED变色或损坏。

经过试验发现,现在市场上所用的灌封胶或多或少都容易发现会有一些对LED封装本体发生化学反应的物质或含有对封装密封性结构产生影响的化学物质.
   

从EDS元素分析,我们发现银层变黑的部分出现了硫(S)元素,而银层正常部分则没有硫(S)元素,因此,此类银变色属于硫化,硫(S)元素是此类银变色的罪魁祸首.
 
造成LED银变色因素的来源:
借由对LED出现银变色的不良样品和良品进行检测、发现LED银变色经常在用户端发生。
经检测到的案例如下所示:
不良MCPCB检测案例:
1.刮除MCPCB上防焊白油后,检测MCPCB铜箔元素成分,元素EDS分析成分比例如下:

从上述测试数据可得出结论:刮除MCPCB板材表面白油,检测到铜箔硫(S)的含量明显,且不同测试点硫(S)含量也不相同。
 
2.对MCPCB线路板上焊盘进行检测,EDS分析如下,以下是焊盘的测试结果所含元素比例:

 

借由上述对用户端MCPCB板材进行EDS分析,检测铜箔(刮掉外层白油)和焊盘区,发现在白油板与铜层相连的位置,其含硫量非常高,含量高达1.58%-3.27%左右,焊盘区硫的含量更高达3.55%,而干净的铜箔层则无硫成分。由此表明MCPCB板材中的硫渗入LED内发生了硫化反应, 由于不同部位硫含量存在差异,故硫化的严重程度并不一致。
 
以上只是所用的材料中的一种,实际上应用到的材料有些是与LED不兼容的,但由于在设计的时候,评估中的缺陷存在,故而出现了与LED的不兼容现象,以致出现银变色现象,最后出现了色温漂移,光通量下降的现象。
 
目前在LED封装行业,只要用到镀银支架的LED,在用户端如果存在发生银变色的条件,都会发生银变色现象,目前国际大厂和国内上市公司的LED同样有发生过类似不良的现象.

LED应用上应注意的事项:

综合上述反应原理和分析情况,列举出以下在LED应用上应注意的事项:
(1) 车间环境最好保证在温度30度以下/湿度40%RH-60%RH范围内(可采用温湿度计监测环境变化),并且接触LED检查时需戴手套或手指套, 包装袋开口后应及时封口,防止脚位氧化。
(2) 避免LED暴露在偏酸性(PH<7)的车间环境中,对于采购的其它LED组装配套的物料,可要求生产厂家提供原物料的MSDS报告(物质安全数据表),确认其中是否含硫、(如MCPCB板材、橡胶手套、橡皮筋、硫磺香皂中均含有硫)、卤素类物质(如玻璃胶、低端的双组分树脂胶), 以防止其与LED材料发生化学或物理反应,例如LED与含硫、含卤物质接触或存于酸性环境下,极易造成LED产品镀银层腐蚀、LED矽胶、萤光粉物料性能发生变异,从而导致LED光电性能的失效。
(3) 用户端须特别注意生产过程中硫的防护处理,并选用有质量保证的MCPCB板材和锡膏及其他配套辅料(不含硫、卤素等或者是含量低于安全标准)。从过去发生的几起案例中的MCPCB板材进行的EDS分析来看,市面上生产的很多板材均残留有不同含量的硫,尽管MCPCB生产厂家在制程制程中会清洗板材,来消除含硫、含酸化学溶剂的残留,但普通的生产制程较难完全消除干净,对此,需要对MCPCB板残硫量进行质量管控,一般以MCPCB铜箔上硫(S)的含量最高不超过0.5%为上限标准。
(4) LED在进行贴片(SMT)时,可以借由以下临时措施来进行预防:
高温下硫的特性较为活跃,可在表面贴装前预先将MCPCB板过一次高温回流焊炉(230度左右)再做表面清洁(可用医用酒精等等)处理(若条件不允许的情况下,可直接进行贴装前的MCPCB表面清洁)以降低MCPCB焊盘和表层的硫含量。
定期清洁回流焊炉和除湿用的烤箱减少硫或卤素的含量;控制LED或含LED的组件在銲接、处理和应用时的车间环境,控制硫或卤素的含量.
(5) LED在銲接与处理过程中,请不要使用含有硫或卤素的辅料(如橡胶手套、橡胶手指套、橡皮筋、填充胶玻璃胶、热熔胶等等)接触LED.

 

来源:品能光电技术(上海)有限公司 许文益

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