2023-12-29
LED灯珠变色的三大原因有6种情况
LED灯珠变色的三大原因有6种情况
LED产品的可靠性越来越受到制造商和用户的关注。 LED灯珠作为产品的基础部件，其质量直接影响LED产品的可靠性，在实际应用中经常发生因LED灯珠失效导致成品功能异常甚至彻底失效的情况。近年来，由于灯珠变色而导致的色温漂移、流明降低、光效差等一系列可靠性问题日益增多，使许多LED产品制造商和用户遭受了严重的经济损失。本文通过几个故障案例分析了LED灯珠变色故障的根本原因。
LED灯珠变色原因、封装胶水原因
(1)包装胶中残留异物
故障灯珠外观呈现局部变色、发黑。当揭开封装时，发现封装内混有黑色异物。利用扫描电镜和能谱仪（SEM&EDS）对异物进行成分分析[5-6]，证实异物的主要成分为铝（Al）、碳（C）、氧（ O)，还含有少量杂质元素。测试结果如下图所示。结合用户反馈的故障背景可以看出，异物是在包装过程中引入的。
(2)包装胶受化学物质侵蚀，发生胶体变色
不合格产品为玻璃光管灯，内部LED灯条采用单组份室温固化硅橡胶固定在玻璃管上。固胶部分灯带上的LED灯珠出现发黄、发暗的现象。采用SEM&EDS对失效灯珠封装胶的元素成分进行测试，发现比正常灯珠封装胶检出了更多的硫（S）。
通常可以采用硫磺、有机二硫化物和多硫化物等含硫物质作为硫化剂，使橡胶发生硫化交联反应，使橡胶的结构发生变化，呈现黄色和深色，热分解温度升高的现象。
根据灯珠封装胶的TGA测试热分解温度，不合格灯珠封装胶在失重2%、5%、10%、15%、20%时的温度比灯珠封装胶高出25℃以上。同批次好的产品封装胶在相同失重情况下的温度。封装胶的热分解曲线如下图所示。经证实，由于硫化交联，包装粘合剂的热分解温度升高。使用ICPOES进一步分析固定的单组份固化硅橡胶的化学成分，检测出其含有约400ppm的硫（S）。
由此可见，LED灯珠发黄发暗的原因是玻璃灯管中用于粘接固定的单组份室温固化硅橡胶挥发出的含硫（S）气体侵入LED封装内部。胶体在固化过程中，使包装胶体进一步发生硫化交联反应，再硫化交联导致包装胶体变黄、变暗。随后用户改用塑料灯管，没有使用单组份固化硅橡胶，也没有出现灯珠变色的现象。
因此，LED制造商在产品设计和制造时应考虑不同材料之间的匹配，避免因材料不兼容而导致后续的可靠性问题
通常可以采用硫磺、有机二硫化物和多硫化物等含硫物质作为硫化剂，使橡胶发生硫化交联反应，使橡胶的结构发生变化，呈现黄色和深色，热分解温度升高的现象。
根据灯珠封装胶的TGA测试热分解温度，不合格灯珠封装胶在失重2%、5%、10%、15%、20%时的温度比灯珠封装胶高出25℃以上。同批次好的产品封装胶在相同失重情况下的温度。封装胶的热分解曲线如下图所示。经证实，由于硫化交联，包装粘合剂的热分解温度升高。使用ICPOES进一步分析固定的单组份固化硅橡胶的化学成分，检测出其含有约400ppm的硫（S）。
由此可见，LED灯珠发黄发暗的原因是玻璃灯管中用于粘接固定的单组份室温固化硅橡胶挥发出的含硫（S）气体侵入LED封装内部。胶体在固化过程中，使包装胶体进一步发生硫化交联反应，再硫化交联导致包装胶体变黄、变暗。随后用户改用塑料灯管，没有使用单组份固化硅橡胶，也没有出现灯珠变色的现象。
因此，LED制造商在产品设计和制造时应考虑不同材料之间的匹配，避免因材料不兼容而导致后续的可靠性问题
LED灯珠变色原因二、荧光粉沉淀
当灯珠组装成LED灯具并存放在仓库时，会出现色温漂移故障，并且故障LED灯珠的封装胶由橙色变为浅黄色。对其进行IV特性测试，发现灯珠可以正常点亮，IV曲线正常，但亮度发生变化。取出部分失效灯珠，通过机械开孔去除封装胶。发现支架表面残留有透明颗粒。采用SEM&EDS对颗粒成分进行测试，结果表明其含有较高含量的锶（Sr）。在包装粘合剂和支撑物之间的接触表面上还检测到高含量的锶（Sr）和钡（Ba）元素。
相比之下，好的产品灯珠开孔后，支架表面比较干净，表面主要成分为银（Ag）和少量碳（C）元素，不含锶（Sr）检测到 元素，封装胶与支架接触面未检测到锶（Sr）和钡（Ba）元素。通过测试不合格产品和良品灯珠封装胶的截面成分可知，两者所用的荧光粉成分是相同的。它们是钇铝石榴石（主要成分为氧（O）、铝（Al）和钇（Y））和硅酸钡锶（主要成分为碳（C）、氧（O）、硅（Si）、锶 (Sr)、钡 (Ba) 和钙 (Ca)。
因此，LED灯珠失效的原因是所用的硅酸盐荧光粉沉降到封装胶底部和支架表面，因光折射规律不一致而产生色散，造成色温漂移，灯珠变色现象。
相比之下，好的产品灯珠开孔后，支架表面比较干净，表面主要成分为银（Ag）和少量碳（C）元素，不含锶（Sr）检测到 元素，封装胶与支架接触面未检测到锶（Sr）和钡（Ba）元素。通过测试不合格产品和良品灯珠封装胶的截面成分可知，两者所用的荧光粉成分是相同的。它们是钇铝石榴石（主要成分为氧（O）、铝（Al）和钇（Y））和硅酸钡锶（主要成分为碳（C）、氧（O）、硅（Si）、锶 (Sr)、钡 (Ba) 和钙 (Ca)。
因此，LED灯珠失效的原因是所用的硅酸盐荧光粉沉降到封装胶底部和支架表面，因光折射规律不一致而产生色散，造成色温漂移，灯珠变色现象。
LED灯珠变色原因三、支架原因
(1)异物污染支架
故障灯珠一侧变色，揭开封装胶后可看到变色处的支架表面。异物的元素成分测试表明，其主要成分为锡（Sn）和铅（Pb）。
灯珠变色部分周围的白色塑料被揭开，在与白色塑料接触的支架表面也检测到了锡（Sn）和铅（Pb）成分。因为异物覆盖部分的支架与灯珠一侧的引脚连接，引脚上焊接有锡铅。显然，如果灯珠的引脚在表面贴装时附着了多余的焊膏，那么在焊接时熔化的焊料就会沿着引脚爬到与其连接的支架表面，形成覆盖层。
因此，本例LED灯珠失效的原因是LED灯珠组装焊接时，插脚焊接位置的焊料进入支架表面，形成覆盖物，导致LED灯珠失效。灯珠变色。
灯珠变色部分周围的白色塑料被揭开，在与白色塑料接触的支架表面也检测到了锡（Sn）和铅（Pb）成分。因为异物覆盖部分的支架与灯珠一侧的引脚连接，引脚上焊接有锡铅。显然，如果灯珠的引脚在表面贴装时附着了多余的焊膏，那么在焊接时熔化的焊料就会沿着引脚爬到与其连接的支架表面，形成覆盖层。
因此，本例LED灯珠失效的原因是LED灯珠组装焊接时，插脚焊接位置的焊料进入支架表面，形成覆盖物，导致LED灯珠失效。灯珠变色。
(2)支撑腐蚀
失效的LED灯珠中间部分变色、变黑。打开珠子后，在光学显微镜下观察，发现整个支架表面明显发黑。采用SEM&EDS对发黑支架的成分进行测试，结果显示，发黑支架除了正常的材料成分外，还含有较高含量的腐蚀性硫（S）元素。支架表面局部银层也呈现疏松的腐蚀形貌。
通常LED灯珠在生产过程中，由于材料本身不纯或工艺污染等原因引入硫（S）、氯（Cl）等腐蚀性元素，在一定条件下（如高温、水蒸气残留、等），其金属支架容易腐蚀，导致灯珠变色、漏电等故障现象。
通常LED灯珠在生产过程中，由于材料本身不纯或工艺污染等原因引入硫（S）、氯（Cl）等腐蚀性元素，在一定条件下（如高温、水蒸气残留、等），其金属支架容易腐蚀，导致灯珠变色、漏电等故障现象。
(3)支撑涂层质量差
LED灯珠老化后出现变色、发黑，故障率高达30%。
去除灯珠表面的封装胶后，发现支架表面的银色镀层失去了原有的亮度，呈现出灰色。采用SEM观察支架表面微观结构，发现LED失效灯珠支架表面银层较未组装半成品支架疏松，孔洞较多。将半成品脚手架和失效的LED制成切片，观察其切片的涂层质量。结果发现，脚手架的镀层结构是先镀铜镍，再镀银。与半成品脚手架相比，失效脚手架镍镀层变薄，表面银层变得疏松，镍银镀层边界变得模糊。使用AES测试失效LED支架浅表面的成分，在其中发现了镍（Ni）。测试结果如下所示。很明显，镍涂层扩散到银层的表面。得出LED灯珠变色的原因是所使用的支架镀层不良，老化后银层疏松，镍层通过银层孔扩散到银层表面，导致银层发黑和灯珠变色。
去除灯珠表面的封装胶后，发现支架表面的银色镀层失去了原有的亮度，呈现出灰色。采用SEM观察支架表面微观结构，发现LED失效灯珠支架表面银层较未组装半成品支架疏松，孔洞较多。将半成品脚手架和失效的LED制成切片，观察其切片的涂层质量。结果发现，脚手架的镀层结构是先镀铜镍，再镀银。与半成品脚手架相比，失效脚手架镍镀层变薄，表面银层变得疏松，镍银镀层边界变得模糊。使用AES测试失效LED支架浅表面的成分，在其中发现了镍（Ni）。测试结果如下所示。很明显，镍涂层扩散到银层的表面。得出LED灯珠变色的原因是所使用的支架镀层不良，老化后银层疏松，镍层通过银层孔扩散到银层表面，导致银层发黑和灯珠变色。
在众多LED变色故障案例中，因支架变色或腐蚀而导致的故障比例是最高的。因此，LED或支架制造商应采取一些措施来防止产品故障：
1、选择质量好、耐腐蚀的支撑基材；
2、采取适当的电镀工艺条件，保证形成晶粒细小、结构致密的镀层，镀层厚度均匀并满足防护要求；
3、对于表面镀银的支架，选择有效的银保护工艺，提高银支架的抗变色能力；
4、在LED生产和组装过程中，应防止外来污染或腐蚀性物质的引入，保证LED封装严密，减少因水蒸气和氧气侵入而引起各种腐蚀的可能性。环境。
1、选择质量好、耐腐蚀的支撑基材；
2、采取适当的电镀工艺条件，保证形成晶粒细小、结构致密的镀层，镀层厚度均匀并满足防护要求；
3、对于表面镀银的支架，选择有效的银保护工艺，提高银支架的抗变色能力；
4、在LED生产和组装过程中，应防止外来污染或腐蚀性物质的引入，保证LED封装严密，减少因水蒸气和氧气侵入而引起各种腐蚀的可能性。环境。
