深入探讨污染导致LED封装器件发生硫化原因[1]

　　在LED照明的应用领域中，以软硅胶为封装材料虽然应力低，但是其多孔性结构所造成的镀银层易硫化变黑(Silver Tarnishing)是不可忽略问题。LED供货商一般都是要求不可以在含硫环境生产及使用LED。但是照明灯具生产及使用的复杂环境中含硫几乎是一个无可回避的现实，而且真实使用环境中含硫量(或其他可能污染物)也没有一定的标准，更难以监测及控制。因此本文提出发生硫化问题的新观察方法，深入探讨LED封装内镀银层硫化的机制，分析经不同老化模式后的光衰减差异，及对比硫化测试后硫化现象的不同，利用X-ray photoelectron spectroscope(XPS)精确地表面分析，发现氯的存在。进而证明氯化银的光还原(Photoreduction)的反应引发了硫化机制，厘清究竟引发硫化是LED封装的问题还是环境含硫太多的争议。

　　LED硫化:

　　由于耐温及耐UV的稳定的新硅胶的发展促进了高功率LED封装的突飞猛进，突破了降低应力及提高光效的开发瓶颈。但是近年来LED照明领域中，使用软硅胶的封装内长久使用一段时间后，常发现有镀银层硫化变黑现象造成光衰及相关色温(色坐标)飘移等可靠性问题1,2。

　　因此LED供货商都是要求不可以在含硫环境生产及使用LED3,4,5。一般而言，蓝/白光LED的PPA支架由于耐温限制是采用硬硅胶固晶，当硫入侵LED封装时时往往先会在其金属/PPA间的缝隙间先发现有硫化发黑而不是在功能区内因为银胶及硬硅封胶有较高阻绝银与硫的接触的功能。因此可以发现在LED芯片固晶区有一圈硫化较轻的区域(图1)。当硫化严重时，全部镀银层表面的硫化愈明显，发黑现象不难以光学显微镜(OM)看镀银层发黑及用电子显微镜(SEM/EDX) 找出硫元素来确认。

　　虽然LCD的背光应用领域已有些大厂的抗硫化测试方式，例如以1~20PPM硫化氢(H2S)/40~50°C/75~90%相对湿度/168Hrs。在LED照明领域也有用硫粉/50-90%相对湿度/70°C/8HRs，目前似乎尚未为出现统一的LED硫化测试标准。

　　其实这些测试条件存在一些盲点：例如LED测试过程中LED未点亮及环境中可能的存在的其他污染性气体可能加速引发硫化:如氯(Cl2), 二氧化氮(NO2), 二氧化硫(SO2)等。因此当一般无法完全排除含硫可能性的照明环境中，正常使用的LED如果发生硫化时，我们将面对的是不明确的抗外来硫化测试标准及无法排除封装内的污染引发硫化的可能性。

　　一般来说除非LED支架镀金否则很难排除硫化的可能性，但是镀金因比镀银较吸收光也会造成约10-20%的光输出损失。因此镀银是大多数的选择。所以镀银层硫化是不可忽略的问题。

　　下面详细分析其中一案例是镀银支架采用金锡共晶焊(Eutectic Bonding)固晶的实际应用过程中LED硫化失效的原因：

　　1. 老化测试

　　本案例之老化测试有连续点亮老化48小时及On/Off点亮老化48小时两种。图2(A)显示老化后持续监测亮度衰减情况发现LED固晶区发黑及光通量明显衰减出现在的某些特定批次。较严重者甚至已超过10%，而LED固晶区未发黑批次则光通量衰减正常。而且发现发黑批次LED经On/Off点亮老化48小时后比持续老化测试似乎有更明显亮度衰减趋势，如图2(B)所示。

图2(A) 发黑及正常(未发黑)的LED亮度衰减比较

　　图2(B)发黑批次的LED经不同老化测试后的亮度衰减比较

　　移除硅胶后， 正常批次LED OM观察发现固晶区镀银层正常未变色如图3(A)所示。而发黑批次LED则在固晶区镀银层局部轻微发黑，如图3(B)所示。在高倍光学显微镜下影像可明显发现发黑的边界如图3(C)所示。

　　图3(A) 正常批次LED经48小时老化后外观及移除硅封胶后的光学显微镜下影像-没有发现发黑现象

　　图3(B) 发黑批次LED经48小时老化后外观及移除硅封胶后的光学显微镜下影像-在固晶区发现有明显发黑现象

　　图3(C) 镀银层发黑现象在高倍光学显微镜下影像

　　一般的看法是LED所用的物料，包括金属镀银支架、PPA、芯片、荧光粉、封胶等均不含硫，因此判断此发黑现象为硫从外界侵入与镀银层发生反应生成黑色硫化银导致。但是，我们的案例在制程与使用环境中都未发现有特别的含硫物质。而且发黑的情况只出现在部分LED生产批次，同时奇怪的是On/Off老化测试似乎有更明显发黑情况。因此怀疑应有其他因素造成的问题。