LED灯珠变色的六个原因

  LED是发光二极管，是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件。其核心是PN结。除了一般PN结的正向导通、反向截止和击穿特性外，在一定条件下还具有发光特性。图1是某公司生产的3528型白光LED灯珠的代表性外观图。其结构主要包括以下部分:引线、支架、封装胶、键合丝、LED芯片、固晶胶和荧光粉。LED灯珠变色失效与其材料、结构、包装工艺和使用条件密切相关。以下将通过具体案例分析变色原因。

1、封装胶的原因

1.外来异物残留在封装胶中

失效灯珠的外观呈现局部变色变黑，如图2所示。打开包装胶，发现包装胶中夹杂着一个黑色异物，用扫描电镜和能谱仪（SEM&EDS）分析异物成分，确认其主要成分为铝（Al）、碳（C）、氧（O）元素，还含有少量杂质元素，测试结果如图3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.密封胶受化学物质侵蚀，胶体变色

失效产品为玻璃光管灯，内部LED光带采用单组分室温固化硅橡胶粘结固定在玻璃管上，固定胶部分光带上的LED光珠变黄变暗。失效光珠包装胶的材料是硅橡胶。用SEM&EDS测试包装胶的元素成分，发现硫比正常光珠包装胶多（S）元素，测试结果如图4所示。

通常硫磺、有机二硫化物、多硫化物等含硫物质可以作为硫化剂，使橡胶发生硫化交联反应，从而改变橡胶结构，呈现色泽发黄变暗、热分解温度升高的现象。通过TGA测试灯珠包装胶体的热分解温度，可以看出失效灯珠包装胶体的重量为2%、5%、10%、15%和20%的温度比同批次优质封装胶失重量高25℃以上。如图5所示，封装胶热分解曲线证实了硫化交联导致封装胶热分解温度升高的现象。利用ICPOES进一步分析固定单组分固化硅橡胶的化学成分，发现其中含有约400ppm的硫（S）元素。

由此可见，LED灯珠变黄变暗的原因是玻璃灯管内单组分室温固化硅橡胶在固化过程中挥发的硫含量（S）气体侵入LED包装胶，使包装胶发生进一步的硫化交联反应，再次硫化交联导致包装胶变黄变暗。后续用户使用未使用单组分固化硅橡胶的塑料灯管时，灯珠不会变色。因此，LED制造商在产品设计、选材和制造时，应考虑产品各部件使用的不同材料的匹配性，避免材料不兼容造成的后续可靠性问题。

二、荧光粉沉降

灯珠组装成LED灯后，存放在仓库时，色温漂移失效。失效LED灯珠的封装胶由橙色变为浅黄色。对其进行了I-V特性测试，发现灯珠可以正常点亮，I-V曲线正常，但亮度发生了变化。取一些失效灯珠，机械开封取出封装胶，发现支架表面有透明颗粒。使用SEM&EDS测试颗粒成分，结果显示其含有高含量的锶（Sr）元素如图6所示；包装胶与支架接触面也检测到高含量的锶（Sr）元素和钡（Ba）元素，如图7所示。

相比之下，良品灯珠打开后，支架表面相对干净，表面主要成分为银（Ag）和少量的碳（C）未检测到锶的元素（Sr）元素，其封装胶与支架接触面未检测到锶（Sr）和钡（Ba）元素。通过测试失效品和良品灯珠包装胶的截面成分，我们知道两者使用的荧光粉成分相同，均为铱铝石榴石(主要成分为氧)（O）、铝（Al）和钇（Y））硅酸锶钡(主要成分为碳酸锶钡(主要成分为碳酸锶钡)（C）、氧（O）、硅（Si）、锶（Sr）、钡（Ba）和钙（Ca））混合荧光粉。

因此，LED灯珠失效的原因是使用的硅酸盐荧光粉沉降到包装胶的底部和支架表面，导致光折射规则不一致，导致色温漂移，灯珠变色。

三、支架原因

1.异物污染支架

失效灯珠一侧变色。打开封装胶后，可以看到变色部分支架表面覆盖着一层异物。测试异物的元素成分，显示其主要成分为锡（Sn）、铅（Pb）元素，测量结果如图8所示。揭开灯珠变色部位外围的白色塑料，锡也被检测到与白色塑料接触的支架表面（Sn）、铅（Pb）成分。由于异物覆盖部分的支架与灯珠一侧的引脚相连，引脚采用锡铅焊接。

显然，如果灯珠在表面安装过程中附着在多余的锡膏上，熔化的焊料会沿着引脚爬到连接的支架表面，形成覆盖层。因此，本案中LED灯珠失效的原因是LED灯珠组装焊接时，引脚焊接部位的焊料进入支架表面，形成覆盖物，导致灯珠变色。

2.支架腐蚀

失效LED珠的中间部分变色变黑。打开后，放在光学显微镜下观察，发现整个支架表面明显变黑。使用SEM&EDS测试黑色支架的成分。结果表明，除了正常的材料成分外，黑色支架还具有较高的腐蚀性硫（S）元素，支架表面的镀银层也呈现出松散的腐蚀形态，如图9所示。通常，在LED灯珠的生产过程中，硫是由于材料本身不纯或工艺污染引起的（S）、氯（Cl）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.支架涂层质量差

LED灯珠点亮老化后变色发黑，失效率高达30%。去除灯珠表面的封装胶后，发现支架表面的银涂层失去了原有的光线，呈灰色。利用SEM观察支架表面的微观形状，发现与未装配的半成品支架相比，LED失效灯珠支架表面银层松散，孔洞较多，如图11a所示。

将半成品支架和失效LED切片，观察截面涂层质量，发现支架涂层结构为铜镀镍再镀银。与半成品相比，失效支架的镍涂层变薄，表面银层变松，镍银涂层边界变模糊。样品支架的截面形状如图10所示。使用AES测试失效LED支架的浅表成分，发现会有镍（Ni）元素，测试结果如图11b所示，镍涂层显然扩散到银层表面。

由此可见，LED灯珠变色的原因是支架涂层不良。老化后，银层松动，产生孔洞，镍层通过银孔扩散到银层表面，导致银层变黑，灯珠变色。

在众多LED变色失效案例中，支架变色或腐蚀引起的失效比例最高。因此，LED或支架生产商应采取一些措施，防止产品失效。例如：选择质量好、耐腐蚀的支架基材，采用合适的电镀工艺条件，确保晶粒细腻、结构致密的涂层，涂层厚度均匀，满足保护要求；表面涂层为银支架，选择有效的银保护工艺，提高银支架的防变色能力；在LED生产组装过程中，应防止引入外部污染或腐蚀性物质，确保LED包装严密，减少环境中水蒸气和氧气侵入引起各种腐蚀的可能性。

以上分析了LED灯珠因包装胶、荧光粉、支撑构件异常变色失效的原因和机制，希望为行业提供参考和指导，使LED生产者在材料选择和制造过程中采取有效措施，防止这些失效，进一步提高彩色LED成品的可靠性。