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【金鉴出品】为什么说LED发黑是致命的 发布时间:2017-03-20

2008年的时候,刚毕业的我认为发光的东西都是亮瞎人眼高科技的产品。那个时候LED是多么的高大上啊。我和几个同学一头就扎进去了,现在很多同学都靠岸了,而我还在LED海中游荡。


当年我第一次接触LED是CREE的XR。当时我内心相当的震撼,LED这个产品还能做成艺术品一样绚丽,晶莹剔透,还能发光。圆金属环托起一个玻璃透镜,中间躺一个芯片,两条金线伸出来。当时的价格也是非常昂贵的,1pcs当时折合人民币24-28元呢。当时还在想,我进去了一个高科技领域,前途无量啊。


                    

 

当时封装形式不是很多,除了像CREE XR系列的朗伯型封装以外,其次就是LAMP LED引脚式(同食人鱼封装)的封装。将LED CHIP放在支架的碗杯中进行邦定,通过环氧树脂进行封装。


          



随着时间推移,科技快速的进步,成本大幅度下降,LED慢慢被全世界人民接受了。同时,LED也逐步出现了诡异的现象。比如说:LED器件出现了发黑。

 

就像我们生活中的现象一样:以前辣椒里面没有苏丹红,牛奶里面没有三聚氰胺一样,不知道啥时候就冒出来了这么多有毒的添加剂。生活和科技都有很多类似的现象,诡异的事情总是因为重大事件才出现公众的视野里。

 

今天我想和大家交流的主题就是LED发展过程中出现的发黑现象。很多LED发黑是一个致命的瑕疵,所以一旦出现这个现象,估计就是大事件,一般都不会善了。芯片、封装、材料、应用就会相互扯皮,相互伤害。每个LED的环节都说自己没有问题,和自己没有关系。应用端灯具工厂看着一批发黑的灯具欲哭无泪,对于芯片、封装、材料来说,他们的成本占比相对比较少,损失是最少的,只有应用这边才是承担了所有的风险和损失。当然灯具厂也不是吃素的,反正大家都不找(不到)自己的问题,那么都统统扣款呗。

 

这么一来,应用灯具厂扣了套件厂、封装厂的货款,封装和套件扣了胶水、芯片、支架和材料厂的钱。相互的伤害才刚刚开始,大家都像一只只受伤的小鸟一样,都成了惊弓之鸟。

 

很多封装大厂(国际、台湾、大陆)一开始还是比较强势的,认为客户应用领域厂使用环境不符合他们LED的使用环境;LED灯具厂就很霸气地回应,我就这样,你爱改善不改善,大不了换供应商。

 

当大家准备相互放弃的时候,慢慢发现整个市场都是一个情况:封装工厂里别的客户也发黑;灯具厂商中别的供应商,也发黑。这时大家才慢慢变得理性起来,一起协助找到根本原因,一起找应对办法。

 

新一轮合作又开始了。

 

好吧!说完故事,我们还是要回到今天的主题:LED发黑分析(排除杂物混进胶体中的现象)。

 

首先,我们聊一下LED发黑的种类。一种:LED 发光面黄色胶体部分发黑。另外一种是LED内部发黑。内部发黑又衍生为芯片上部发黑和芯片周围的支架反射层发黑,或者两者发黑都有。

 

先看外部胶体发黑的迹象:黄色功能区外部一个黑点向内渗透发黑。这种现象在COB比较常见。COB表面发黑的时候,着实把大伙都吓一跳。从没有见过这么大的黑点,关键也不知道黑点从哪里来的。我们在焊接电源导线的时候就没有发现这个点,灯具老化后出货外观检验发现了这个。灯具厂吓坏了,以为出现了大批量的致命风险,不敢出货,马上找封装厂来现场。在一片抱怨和责骂声中,封装厂sales也被吓傻了,担心货款还能不能收回来。然后又拉上硅胶厂或者支架厂,人就越来越多。

 

喧嚣过后,大家都冷静了,再来解决问题。我们再来分析现象:发黑的硅胶切面是从硅胶外部向内的一个失效现象,发黑的周围还有油脂类的残留物。此过程判定为外来物的污染,如此就很好找到源头了。助焊剂作为疑凶就被列为首犯,通过实验很快就能重现了。

 

助焊剂为环氧树脂类,LED使用的是硅胶,而它们化学不相容。


                          

               


硅胶切面发现黑点从外向内渗透



外部发黑都过普通实验就很好分析出来了。那么内部发黑可就没有那么容易就发现了。我们通过几个典型案例分析一下内部发黑的几种失效方式。

 

案例一:客户用 5630 (有的人也叫5730,虽然他们结构会有差异)制作的整灯经老化 12 小时后,荧光粉区域出现发黑现象。抽检老化 50 条出现 7 条发黑问题。对出现异常的灯管测试时会出现:色温蓝移,光通量下降的现象。发黑部位及发黑情况的确认。

 

由下图组可见,变黑是存在于胶体和支架反射层之间(胶体与支架的镀银层接触部位),与芯片、绝缘胶及 PPA 接触的胶体变色不是很明显。测量正常点亮时测量 LED 的管脚温度,热稳120分钟以后TS=55℃,温度不足以引起胶体和支架发黑。


          


  整板发黑样品


          

    


                

了解到客户更换了整灯的堵头,怀疑为堵头在整灯点亮老化时受热挥发出的物质于LED反应导致LED发黑,所以做以下两组试验:


a、使用一款Br含量较高的塑料制品(已知材料属性)与 5pcs 正常 LED 放置于密闭容器中于100 ℃放置15h,发现LED出现发黑现象,但由于塑料制品量比较少,照片不是很明显反应出变色(见图6,高还原的显示器可以看出清晰发黑迹象)。


 b、将客户样品上的堵头剪碎与 5pcs 正常 LED 放置于密闭容器中于100 ℃老化15h, 发现LED同样出现发黑现象(见图 7)。

             



我们来聊一下为啥发黑说致命的呢?很多发黑的LED导致光通量出现急剧衰减(70%)

 

案例二:上一个案例是比较早期的分析方式,通过排除法确定污染物的来源。下面这个案例则通过现代科技方式进行科学的分析。SMD-LED应用于密闭的光源中(灯管,球泡灯,GU-10 等含密闭灯罩的光源),点亮测试合格后涂抹密封胶,盖上灯罩进行老化测试,点亮一段时间后发现光衰,拆开观察LED镀银层有发黑现象。

            



经频谱检测这些发黑LED的发黑部位的元素成分,该部位检出超标卤素或者硫元素; 而未经使用的LED, 则均未检出该等卤素硫元素。以下为检测结果: 发黑部位发现 Br 元素,未使用的LED未见异常两种元素。

               



                            



案例三:LED内部硅胶碳化(发黑)。分为急性和慢性,大家可以慢慢体会下面两种失效方式。


                         


     


                  



以上三个案例对于内部发黑的三种分析办法,第一种是排除法,成本比较低廉,但是不能从源头上找到具体污染物。第二个案例是比较科学分析办法,但是成本高。第三个案例没有列举分析方式,直接把结果晒出来,为了下一次写续集具体分析做个铺垫。大公司对待大客户一般都是采用第二种分析方式。以科学的分析和数据说话,是最好的证据和法律文件(在纠纷时的法律依据)。同理:其他卤族元素污染或者S污染或者氧化(镜面银与氧气反应)的分析方式方法都大同小异。


好了,今天我在这里把发黑的情况特别拿出来聊,是因为在LED发展历史上有着非常重要的影响的一页。对于很多LED企业来说,都付出了沉重的代价或者花费高价钱学到了很多经验。我也经历了很多起类似事件。每次遇到,结局上都有坏账的风险或者赔偿的风险。具体我就不举例了。珠三角很多封装大厂、长三角也有很多大厂都出现了类似的情况。一批发黑灯具就只能报废处理,除非还能拆除一部分零件,造成的损失至少是十几万或者几百万不等(有可能还是某些公司命运的转折点)。


我们定义:光通量为初始光通量70%就是灯具的寿命终点,而发黑就提前寿命终结。另外,发黑会导致发光颜色出现诡异的蓝移。本来是一个暖色的光照,慢慢变成了一个冷色的;冷色的光照慢慢的变成了一个蓝色光照。内部出现发黑(金线与支架绑定处氧化会导致金线剥离支架)出现死灯的风险也大大加剧了。


前面阐述了CREE XR LED、食人鱼LED、LAMP LED,他们是LED早期封装形式的代表。这几类产品很少出现内部发黑,但是不能说不发黑。CREE XR的是通过对LED进行抽真空或者充氮气的环境中进行封装的。所以虽然XR里面也有金属反射层,氧气或者其它还原性气体很难进去,从而减少了内部发黑的概率(除非密封性不好)。我们再看看LAMP、食人鱼LED,他们是典型的引脚式封装,通过高气密性的环氧树脂类去封装,也减少污染类气体渗透进去。但是这些LED裸露在外面的金属部分仍然存在被污染发黑的情况,不过SMT或者插件作业以后,对其可靠性影响不是特别大。


相信到这里大家都初步认识了LED发黑的简史,那么今天就到此结束了。或许对于发黑的溯源,我们在下集再一起讨论。


相信到这里大家都初步认识了LED发黑的简史。然而光源发黑只是表象,值得再提的是,光源的硫/氯/溴化在LED光源和灯具的生产、存储、老化、使用的每个环节都有可能发生。但很多时候,由于我们缺乏的有效的检测方式、专业设备和专业分析技术人才,不少LED公司做黑化失效分析时通常是靠经验和和猜测,缺乏科学的检测数据和依据。


所以涉及到这些环节的,如果我们想快速有效的预防发黑现象,降低重大品质异常风险概率,或者希望LED灯具应用厂或者贸易商可以放心采购,有必要时,推荐去做一下LED本身和灯具其他的原材料(比如玻纤板、套件、堵头、密封胶等等)无有害物质的(硫溴氯或者可挥发性有机物)鉴定。专业的机构能分析鉴定这些物料是否有可能对LED光源产生潜在的危害,同时也能够帮助企业弥补在设备、人才和专业分析方法方面的短板。


从LED诞生到现在,或者都是大公司自己去进行系统的分析,或者委托给材料分析机构进行分析。经常是自己分析自己的产品,客户不信任。委托给兼职的材料机构,经常会有信息乌龙,因为他们的环境或者设备里面也不能做到对LED有害物质的隔离(其实对其它检测产品没有影响,对LED的影响比较大),也不能做到专业分析方式和预防建议,导致报告没有参考价值。所以像金鉴检测这家LED专业分析机构应运而生了。我去他们的资料库和网站上面学习了一下,他们的分析失效的的方式还算比较科学。对于溯源这块比分别从封装或者应用分开分析,更有深度和广度。下图是我截图的他们的分析图线路,供大家参考。

                            


今天就到此结束了。或许对于发黑的溯源,我们在下集再一起讨论。





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