摘 要：本文對(duì)LED光源的黑化問題進(jìn)行了研究、分析。經(jīng)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(guān)系。支架內(nèi)的鍍銀層在硫及鹵化物存在的情況下，會(huì)使鍍銀層硫化或者鹵化，進(jìn)而生成深色或黑色的化合物晶體，導(dǎo)致LED的光通量下降，直至完全失效。所以，必須對(duì)LED光源的材料單元進(jìn)行排查，以排除LED中期失效和壽命期望值內(nèi)的失效的因素。此外，本文中筆者還對(duì)鍍銀層硫化或者鹵化的排查設(shè)備和排查方法作了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：LED光源；黑化；排查方法；研究

中圖分類號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dǎo)體照明行業(yè)經(jīng)過十多年的發(fā)展，在我國(guó)初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED應(yīng)用產(chǎn)品等較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。至2016年底，我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值已超過5000億元大關(guān)，較2015年同比增長(zhǎng)20%以上，雖然與“發(fā)展期”的“十二五”期間30%左右的年均增長(zhǎng)率有所下降，但LED產(chǎn)能的不斷提升仍然為發(fā)展的趨勢(shì)。2016年我國(guó)上游外延芯片產(chǎn)值約占3.5%，達(dá)到180億元人民幣以上；中游封裝約占15%，達(dá)到750億元人民幣以上；下游應(yīng)用規(guī)模約占80%，達(dá)到4000億元人民幣以上；其他為配件及檢測(cè)市場(chǎng)等。

究其產(chǎn)業(yè)在我國(guó)能夠長(zhǎng)時(shí)間高速發(fā)展的原因，一方面有賴于《中國(guó)逐步淘汰白熾燈線路圖》和全球加速淘汰白熾燈的強(qiáng)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(chǎn)品的價(jià)格不斷下降和品質(zhì)逐步提高，已被消費(fèi)者認(rèn)可，從“公用照明”走入家居照明，使LED通用照明成為應(yīng)用市場(chǎng)的第一驅(qū)動(dòng)力。LED背光應(yīng)用方面，隨著小間距LED顯示技術(shù)的成熟和成本逐步降低，年增長(zhǎng)率約為20%～30%。我國(guó)LED照明與顯示產(chǎn)品的需求與供給的健康發(fā)展，使LED產(chǎn)品占據(jù)了世界約75%的照明產(chǎn)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(zhì)風(fēng)險(xiǎn)——LED光源早期或中期“黑化”問題。當(dāng)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(duì)LED光源產(chǎn)品“黑化”問題應(yīng)引起足夠的重視，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理應(yīng)進(jìn)行研究，從而找到檢測(cè)、分析的方法，采取有效的根治措施予以預(yù)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(xué)者通過對(duì)LED“黑化”問題的光源和燈具進(jìn)行檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析認(rèn)為，可將LED“黑化”問題分為“LED的物理黑化”和“LED的化學(xué)黑化”兩類不同的黑化，對(duì)于不同黑化光源的檢測(cè)，也應(yīng)采取不同的手段和方法進(jìn)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(jié)溫超標(biāo)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(guó)在2014年以前，因?yàn)閲?guó)產(chǎn)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(dǎo)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(shè)計(jì)與制造廠商為了提高燈具的整體光通量，將供電功率均設(shè)置為L(zhǎng)ED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(dǎo)致LED長(zhǎng)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(chǎn)生過電壓擊穿芯片或過電流燒毀芯片現(xiàn)象，導(dǎo)致LED燈具早期失效和中期失效。產(chǎn)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(xué)引起的LED的物理黑化”。

（2）在封裝工藝上，LED產(chǎn)業(yè)化初期，因受技術(shù)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(yàn)階段，所以LED光源板很少采取“電-熱”分離式設(shè)計(jì)；熱沉導(dǎo)熱系統(tǒng)更是沒有提升到設(shè)計(jì)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(hù)體系要求，燈具內(nèi)的光源板幾乎處于全封閉狀態(tài)，LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，只能靠?jī)?nèi)部有限的空氣進(jìn)行熱輻射交換，導(dǎo)致環(huán)境溫度不斷升高，LED芯片的結(jié)溫也隨之不斷升高，致使LED因結(jié)溫超標(biāo)而燒毀的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。致使LED燈具早期失效和中期失效。產(chǎn)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(xué)引起的LED的物理黑化”。

（3）“LED的物理黑化”的檢測(cè)與判斷。一般而言，無論是“因電力學(xué)引起的LED的物理黑化”，還是“因熱力學(xué)引起的LED的物理黑化”，均是比較容易發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)的。因?yàn)闊o論是過電壓擊穿LED芯片，還是過電流、過結(jié)溫?zé)龤ED芯片，均具有“火災(zāi)現(xiàn)象”，即芯片均有“燒”過的痕跡，出現(xiàn)“黑化”的原始部件為L(zhǎng)ED芯片，所以芯片除了“燒黑”以外，其黑化層上面一般都會(huì)發(fā)現(xiàn)藍(lán)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(yán)重的“擊穿”或“燒毀”故障，往往用人眼就可識(shí)別。而且LED的物理黑化，一般為突發(fā)事件，均會(huì)造成LED芯片的直接損壞，工作中的燈具會(huì)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(xué)黑化”問題，是因?yàn)樵贚ED封裝部件中或在固晶、焊接時(shí)使用的銀或錫元素產(chǎn)生硫化或鹵化引起的。

（1）嚴(yán)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(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)式為：

2Ag+SAg2S

其Ag2S分子結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示；結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)，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(huì)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(xué)反應(yīng)式為：

2Ag+2HCl2AgCl+H2↑

（3）同樣原理，錫的硫化和鹵化同樣會(huì)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(duì)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(duì)于焊接點(diǎn)的錫產(chǎn)生腐蝕，會(huì)導(dǎo)致LED芯片的焊點(diǎn)完全脫落，使LED的電連接通路開路，導(dǎo)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(huì)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(zhì)，而使LED芯片“黑化”，導(dǎo)致光源品質(zhì)嚴(yán)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(guān)注和重視。

3 銀硫化和鹵化的排查方法研究

對(duì)銀硫化和鹵化的排查研究，也就是對(duì)LED部件中含有硫或鹵素的排查方法進(jìn)行研究，即找到銀或錫被硫化或鹵化的物質(zhì)。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(zhì)，遮擋了LED芯片的正常發(fā)光，或者在燈具內(nèi)部是否具有這些對(duì)LED產(chǎn)生可能危害的硫元素或鹵素物質(zhì)。另一方面就是要根據(jù)這些有害物質(zhì)的理化性質(zhì)，采用元素能譜分析的方法，比較確切地檢測(cè)出有害物質(zhì)的含量，并判定有害物質(zhì)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(duì)LED試品進(jìn)行檢測(cè)排查。

其原理在于：采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱“SEM”），對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)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(diǎn)的大小和掃描狀況對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)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(jìn)行顯微掃描觀察的同時(shí)，采用X射線能譜儀（Energy dispersive X-ray spectrometer，簡(jiǎn)稱“EDS”），在微米或納米尺度上對(duì)掃描電子顯微鏡內(nèi)通過電子碰撞，不同元素所產(chǎn)生的不同頻譜的X射線，檢測(cè)出有害元素的存在與否；再通過對(duì)該頻譜的能量進(jìn)行定量測(cè)試，得到掃描點(diǎn)各種物質(zhì)的“能譜圖”，如圖6所示。通過“能譜圖”就能比較準(zhǔn)確地判斷試品中是否含有硫化物和鹵化物。從而進(jìn)行排查性和預(yù)防性檢測(cè)和分析，使產(chǎn)品的制造商或供應(yīng)商認(rèn)知產(chǎn)品中所含導(dǎo)致LED燈具黑化的元素的可能性。從而判斷是因?yàn)長(zhǎng)ED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(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中受到有害元素或其化合物的污染，并對(duì)此采取相應(yīng)的預(yù)防措施?？梢?，采取對(duì)硫元素和鹵元素的檢測(cè)排查，對(duì)提高LED照明產(chǎn)品品質(zhì)、降低照明產(chǎn)品的早期失效率和中期失效率具有十分重要的意義。

4 結(jié) 論

綜上所述，在當(dāng)前國(guó)產(chǎn)芯片品質(zhì)較大提高的前提下，終端產(chǎn)品LED燈具的品質(zhì)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(guó)LED燈具行業(yè)擴(kuò)大市場(chǎng)占有率的先決條件和實(shí)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(shè)，已成為燈具質(zhì)量體系建設(shè)的關(guān)鍵因素。所以不僅要避免使用含有有害元素的材料，而且應(yīng)在制造、運(yùn)輸及存儲(chǔ)等多個(gè)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(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證時(shí)，加強(qiáng)對(duì)銀、錫的硫化和鹵化的排查檢測(cè)，將此指標(biāo)列為L(zhǎng)ED燈具產(chǎn)品常規(guī)檢測(cè)的項(xiàng)目之一，使我國(guó)的LED照明和顯示產(chǎn)品登上一個(gè)新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白永生.LED光源的發(fā)展與照明設(shè)計(jì)思路 [J].建筑電氣，2016，35（12）：37-43.

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

作者簡(jiǎn)介：許海文（1978.03-），男，中級(jí)，本科。研究方向：城市照明管理及設(shè)計(jì)。