化学品影响LED应用于灯具的光衰原因探讨

影響LED照明燈具壽命的因素很多除了最常見的散熱不良之外,
根據應用上的經驗造成LED死灯或光衰,變色的原因還有因製造過程中化學物質的汙染而造成:
對於下游的應用端,除了適當的散熱解決之外,另外在灯具組裝的製程中,或製作工藝的化學添加物皆須避免所謂化學物質不相容,LED 照明燈具中不相容的揮發性有機化合物，可以很快損害任何製造商的LED。

這種化學物質不相容往往是一個局部現象，發生在升高的溫度下，且具有很少或沒有空氣流動的密封燈具中。

經過LED封裝廠的測試發現一些已知很容易影響LED正常攻能的化學品，用戶端最好是建立一個完善的化學不
相容的測試評估體系。

有了適當的預防措施，設計和測試，影響可以被最小化或直至杜絕。

化學不相容性的不
良影響最為明顯的是藍光、深藍光和白光LED，很少有觀察到紅光或綠光LED。

設計者應該充分考慮最大限度地減少化學物質之間的影響（主要是LED 的一次光學透鏡Molding 膠與在電子
組裝和燈具中用到的各種化學品），因這些物品搭配在一起可能會損害LED 的光輸出效率，甚至會使LED 發
生永久性失效現象（如死燈、變色、暗光等等）。

因為化學不相容性和過高的LED 封裝溫度致使LED 失效的
結果是一樣的：即光通量衰減、色溫漂移。

LED可以與哪些化學品,一起使用,哪些類型的灌封膠？能不能灌膠？灌膠對LED有什麼影響？
化學品影響LED的案例
⑴對不良樣品LED透鏡進行EDS分析結果如下圖：
灌封膠EDS
⑵對不良樣品LED Silicone 進行EDS因素分析結果有Na和Cl等異常元素出現如下表：
核查這個電路板，結果發現存在潛在的化學污染物，即有一個粘接透鏡的塗層出現在LED 元件附近（如上述
透鏡），LED 與這個粘接塗層發生了不利於LED 的化學作用。

這種化學物質與LED 封裝本體不相容，以致
LED 出現了永久性失效現象。

因此瞭解和防止這些LED 與燈具中用到的化學品的不相容性是極其重要的。

有機矽膠（Silicone）是各種大功率LED 上使用的有機矽材料，如Cree XPE 的LED。

經均勻混合後注入模具中，在一定的溫度條件下固化一段時間就成型了。

在固化過程中，矽氧烷不會形成任何固定的形狀或結構，相反，它們固化成不同長度和形狀各異的隨機形狀。

這樣就產生了輕微凝膠狀和具有彈性的有機矽。

也就是說，這些有機矽材料充滿小孔，因此有機矽具有透氣性和透濕性。

燈泡，或其它固態照明燈具產品中經常使用的灌封化合物材料，如灌封膠，皮圈，墊片，在組裝或加工過程中，在升高的溫度影響下，這些揮發性有機化物材料就會揮發出氣體。

揮發性氣體的滲透和可靠性變化過程
在密閉的環境中（如下面的二次光學或夾具蓋），任何類型的揮發性有機化合物將環繞並擴散到具有多孔質的機矽封裝的LED 中。

在矽膠內部的揮發性有機化合物會佔據相互交織的矽氧烷鏈內的空隙中。

伴隨著熱和LED 發射的高能光子，揮發性化合物會變色並阻擋LED 發射的光。

這種變色通常發生在LED 晶片正上方的表面，因為這是溫度和磁通密度最高的位置。

下圖表示的是揮發性有機化合物在矽佔據的空隙中，隨著熱和光子能量的作用，結果揮發性有機化合物發生變色現象：
有機硅鏈
可靠性失效現象的一般規律：
⑴．伴隨著發光顏色的變化和光通量的衰減，甚至死燈；
⑵．根據不同揮發性有機化合物的性質（例如，分子的大小或其對熱的敏感性），這種可靠性失效現
灌封膠對LED的不良影響
如上面的圖示所述，LED晶片上方封裝膠的變色是由於一個揮發性有機化
合物釋放出顏色暗淡的氣體，並從外部擴散到有機矽氧烷封裝的LED器件
內部。

在大多數情況下，這些滲透到有機矽封裝膠分子的空隙中的揮發物，不會損壞聚矽氧烷本身的功能。

在此種情況下，如果去除上述已變色的LED 上面的的光和密封蓋，並且繼續進行老化，這樣擴散到LED 內部的氣體將又揮發出來，並有可能恢復原來狀態，這就是為什麼很多不是在密封的環境下試驗的LED 很少或幾乎不會發生類似變色現象。

然而，作為燈具設計者要特別注意的是，有相當一部分揮發性有機化合物（不光是揮發出有顏色的，大多
是揮發出無色的氣體），可以破壞封裝膠，使其膨脹和開裂，使LED 不能承受的，由於封裝膠的膨脹和開裂會扯斷封裝內部金線，從而造成閃爍、死燈等不良現象。

化學品選擇注意事項
在選取燈具使用的材料時，特別需要考慮採用的灌封膠、粘接膠、導熱膏、焊劑和殘餘化學品，任何會接觸到LED的化學品都要慎重考慮，即使是電路板，隨著工作溫度的升高，也會釋放出可能對LED有損傷的氣體。

因此生產前的測試可以幫助預防意想不到的問題發生。

經過實驗測試發現下列化學品對LED是有害的，在LED的燈具中，即使是少量的這些化學物質的氣體也可能會使LED變色或損壞。

經過試驗發現，現在市場上所用的灌封膠或多或少都會含有一些對LED 封裝本體發生化學反應的物質或含有對封裝密封性結構產生影響的化學物質.
從EDS 元素分析，我們發現銀層變黑的部分出現了硫（S）元素，而銀層正常部分則沒有硫（S）元素，因此，此類銀變色屬於硫化，硫（S）元素是此類銀變色的罪魁禍首.
造成LED銀變色因素的來源
通過對LED出現銀變色的不良樣品和良品進行檢測、發現LED銀變色經常在用戶端發生
經檢測到的案例如下所示：
MCPCB檢測案例：
1.刮除MCPCB上防焊白油後，檢測MCPCB銅箔元素成分，元素EDS分析成分比例如下:
從上述測試資料可得出結論：刮除MCPCB板材表面白油，檢測到銅箔硫(S)的含量明顯，且不同測試點硫（S）含量也不相同。

2.對MCPCB線路板上焊盤進行檢測，EDS分析圖譜如下：以下是焊盤的測試結果所含元素比例：
焊盤區檢測
通過上述對用戶端MCPCB板材進行EDS分析，檢測銅箔（刮掉外層白油）和焊盤區，發現在白油板與銅層相連的位置，其含硫量非常高，含量高達1.58%-3.27%左右，焊盤區硫的含量更高達3.55%，而乾淨的銅箔層則無硫成分。

由此表明MCPCB板材中的硫滲入LED內發生了硫化反應，由於不同部位硫含量存在差異，故硫化的嚴重程度並不一致。

以上只是所用的材料中的一種，實際上應用到的材料有些是與LED不相容的，但由於在設計的時候，評
估中的缺陷存在，故而出現了與LED的不相容現象，以致出現銀變色現象，最後出現了色溫漂移，光通量下
降的現象。

目前在LED封裝行業，只要用到鍍銀支架的LED，在用戶端如果存在發生銀變色的條件，都會發生銀變色現象，目前國際大廠和國內上市公司的LED同樣已發生過類似不良現象.
LED應用上應注意的事項：
綜合上述反應原理和分析情況列舉出以下在LED應用上應注意的事項：
⑴車間環境最好保證在溫度30度以下/濕度40%RH-60%RH範圍內（可採用溫濕度計監測環境變化），並且接
觸LED檢查時需戴手套或手指套，包裝袋開口後應及時封口，防止腳位氧化。

⑵避免LED暴露在偏酸性（PH<7）的車間環境中，對於採購的其它LED組裝配套的物料，可要求生產廠家提供
原物料的MSDS報告（物質安全資料表），確認其中是否含硫、（如MCPCB板材、橡膠手套、橡皮筋、硫磺香皂中均含有硫）、鹵素類物質（如玻璃膠、低端的雙組分樹脂膠），以防止其與LED材料發生化學或物理反應，例如LED與含硫、含鹵物質接觸或存於酸性環境下，極易造成LED產品鍍銀層腐蝕、LED矽膠、螢光粉物料性能發生變異，從而導致LED光電性能的失效。

⑶用戶端須特別注意生產過程中硫的防護處理，並選用有品質保證的MCPCB板材和錫膏及其他配套輔料（不
含硫、鹵素等或者是含量低於安全標準）。

從過去發生的幾起案例中的MCPCB板材進行的EDS分析來看，市面上生產的很多板材均殘留有不同含量的硫，儘管MCPCB生產廠家在制程工藝中會清洗板材，來消除含硫、含酸化學溶劑的殘留，但普通的生產工藝較難完全消除乾淨，對此，需要對MCPCB板殘硫量進行
品質管控，一般以MCPCB銅箔上硫（S）的含量最高不超過0.5%為上限標準。

⑷LED在進行貼片（SMT）時，可以通過以下臨時措施來進行預防：
高溫下硫的特性較為活躍，可在表面貼裝前預先將MCPCB板過一次高溫回流焊爐（230度左右）再做表面清潔（可用醫用酒精等等）處理（若條件不允許的情況下，可直接進行貼裝前的MCPCB表面清潔）以降低MCPCB 焊盤和表層的硫含量。

定期清潔回流焊爐和除濕用的烤箱減少硫或鹵素的含量;控制LED或含LED的組件在焊接、處理和應用時的車間環境，控制硫或鹵素的含量.
⑸LED在焊接與處理過程中，請不要使用含有硫或鹵素的輔料（如橡膠手套、橡膠手指套、橡皮筋、填充膠玻
璃膠、熱熔膠等等）接觸LED.。