В контроле качества светодиодов и анализе отказов, Почернение, вызванное сульфированием, является одним из наиболее типичных хронических рисков надежности, которые могут привести к сбоям в работе партии..

Одной из наиболее вводящих в заблуждение характеристик сульфуризации является то, что все оптические и электрические параметры могут соответствовать спецификациям на момент отгрузки., и при кратковременной эксплуатации не может наблюдаться никаких отклонений от нормы. Однако, после того, как продукты были установлены и эксплуатировались в течение нескольких месяцев или даже тысяч часов, проблемы могут появиться постепенно, включая амортизацию люмена, желтоватый сдвиг цветовой температуры, обширное чернение области отражателя выводной рамы, коррозия или отслоение мест соединения золотой проволоки, и, в конечном итоге, выход из строя светодиода обрыва цепи.

В отличие от очевидных неисправностей, таких как перегорание светодиодного чипа или электростатический разряд (ЭСР) повреждать, сульфирование – это необратимый процесс химической коррозии.. Он не может самостоятельно восстановиться или отремонтироваться и является одной из основных причин долгосрочных сбоев в работе светодиодов..

1. Механизм отказа светодиодного сульфурирования

Обычные светодиоды SMD обычно используют посеребренный отражающий слой в области отражателя выводной рамки для достижения высокой отражательной способности и поддержания высокой эффективности оптического выхода..

Однако, серебро химически чувствительно к серосодержащим веществам. Серосодержащие ионы и сероводород (H₂S) в окружающей среде может постепенно проникать в герметизирующий материал светодиода. Как только они достигнут посеребренной свинцовой рамы, они реагируют с серебром и образуют черный сульфид серебра. (Ag₂S).

Основная химическая реакция

2Аг + S → Ag₂S

Сульфид серебра темный или черный и сильно поглощает свет.. Как только он образуется на отражающей поверхности, Отражательная способность выводной рамки светодиода значительно снижается, что приводит к снижению оптического выхода.

Поскольку коррозия продолжается, посеребренный слой постепенно изнашивается. Поверхность соединения, поддерживающая второе соединение золотой проволоки, также может ухудшиться., в конечном итоге вызывая разрыв связи, отсоединение провода, открытые цепи, и выход из строя светодиода.

Кроме того, Продукты коррозии и поверхностное загрязнение могут изменить характеристики электрической изоляции и способствовать аномальному току утечки., мерцающий, или полный отказ светодиода.

Как отличить выгорание стружки от сульфурации

Иногда путают выгорание светодиодного чипа и почернение, вызванное сульфуризацией..

Простое предварительное различие можно провести по расположению затемненной области.:

• Выгорание чипа: Основной почерневший или поврежденный участок находится непосредственно на самом светодиодном чипе..
• сульфуризация: Почернение в первую очередь сосредоточено на посеребренном отражателе или в области выводной рамки., при этом сам светодиодный чип может остаться визуально нетронутым.

Изображение

Изображение

2. Анализ причин

2.1 Пути проникновения серы

Серосодержащие вещества могут попасть в корпус светодиода двумя основными путями..

Путь 1: Через интерфейс между металлической выводной рамкой и белым пластиковым корпусом

Если расслоение, плохая адгезия, микроразрывы, или недостаточное уплотнение между металлической выводной рамкой и пластиковым корпусом, серосодержащие газы могут проникнуть в корпус светодиода по интерфейсу.

Путь 2: Диффузия через инкапсуляционный материал

Материалы для герметизации светодиодов на основе силикона обладают определенной степенью газо- и влагопроницаемости.. Серосодержащие газы или соединения могут постепенно диффундировать через герметизирующий материал и в конечном итоге достигать посеребренной выводной рамки..

2.2 Основные ускоряющие факторы

Наличие источника серы само по себе не обязательно приводит к быстрому выходу из строя..

Высокая температура, высокая влажность, и закрытая среда являются тремя основными факторами, которые могут значительно ускорить сульфирование..

1. Высокая температура

Когда светодиод работает непрерывно при повышенной температуре перехода, диффузия серосодержащих веществ и связанные с ней химические коррозионные реакции могут значительно ускориться.

2. Высокая влажность

Влага может способствовать транспорту ионов и способствовать реакциям коррозии., увеличение вероятности и серьезности воздействия серы на посеребренный слой.

3. Закрытая среда

В плохо вентилируемом или герметичном помещении., серосодержащие газы могут накапливаться, а не рассеиваться, создание постоянно коррозионной микросреды вокруг светодиодных компонентов.

По этой причине, испытания на надежность при высокой температуре/высокой влажности, такой как 85Тестирование °C/85% относительной влажности, может быть полезно для оценки недостатков упаковки, связанных с влажностью. Однако, когда целью является именно проверка стойкости к сере, также следует рассмотреть возможность использования контролируемой серосодержащей атмосферы или специального испытания на стойкость к сульфированию..

2.3 Этапы производства и применения, на которых может произойти сульфурирование

Серообразование светодиодов может происходить в основном в три этапа.:

1. Процесс производства светодиодов

Сырье, полуфабрикаты, или готовые светодиоды могут подвергаться воздействию серосодержащих загрязнений..

Процессы штамповки и герметизации требуют особого внимания к совместимости материалов и контролю загрязнения..

2. Процесс сборки SMT

Процесс SMT может быть основным источником риска загрязнения..

материалы для печатных плат, паяльная паста, чистящие средства, резиновые материалы, клеи, или другие серосодержащие вещества могут присутствовать вокруг светодиода во время процессов сборки и оплавления..

3. Среда конечного использования

Серообразование особенно вероятно в суровых условиях, содержащих агрессивные газы., такой как:

• Мины
• Заводы по производству удобрений
• Животноводческие фермы
• Очистные сооружения
• Среды химической переработки
• Другие промышленные объекты, содержащие серосодержащие газы

3. Превентивные меры

3.1 Контроль материалов

Выводные рамки и герметизирующие материалы

Выбирайте материалы для герметизации светодиодов с более низкой газопроницаемостью., лучшие характеристики герметизации, и повышенная устойчивость к серосодержащим средам.

Во время квалификации нового поставщика, Ключевые материалы светодиодов, такие как герметизирующий силикон и свинцовые рамки, должны быть включены в оценку содержания серы., тестирование совместимости материалов, или оценка риска серной коррозии.

печатная плата

Содержание серы и риск загрязнения серой материалов печатных плат должны контролироваться в соответствии с применимыми спецификациями материалов и требованиями надежности..

Где необходимо, Материалы печатных плат и готовые платы должны быть проверены на наличие летучих серосодержащих веществ и совместимость с посеребренными светодиодными компонентами..

До сборки SMT, подходящая выпечка, уборка, или процессы предварительной подготовки могут быть внедрены, когда это технически оправдано..

Вспомогательные материалы

По возможности используйте производственные материалы, не содержащие серы или с низким содержанием серы., включая:

• Перчатки без серы
• Маски с низким уровнем загрязнения
• Чистящие средства без серы
• Специальные чистые печи для выпечки
• Совместимые упаковочные материалы

Перекрестное загрязнение между серосодержащими материалами и светодиодами должно строго контролироваться..

3.2 Улучшения процесса и конструкции

Свинцовые рамки с защитой от серы

Используйте стойкие к серообразованию конструкции выводных рамок TOP., оптимизированные системы покрытия, позолоченные защитные слои, или многослойные конструкции с антикоррозионным покрытием.

Защитные покрытия

Для источников света COB и других открытых конструкций., можно наносить подходящие защитные покрытия для уменьшения проникновения влаги и агрессивных газов..

Материалы на основе эпоксидной смолы или специально разработанные силиконовые системы с высоким показателем преломления могут быть оценены с помощью оптических методов., термический, механический, и требования к надежности.

Расширенная упаковка

Передовые решения по обеспечению устойчивости к сере могут включать в себя:

• Многослойные серобарьерные конструкции
• Улучшенная герметизация упаковки
• Системы герметизации с низкой проницаемостью
• Коррозионностойкая металлизация
• Технологии улавливания серы или контроля загрязнения

Изолированное хранилище

Светодиодные компоненты и готовая светодиодная продукция не должны храниться в одной среде с серосодержащими материалами..

Особое внимание следует уделить резиновым изделиям., упаковочная пена, картон, клеи, химикаты, и другие материалы, которые могут выделять коррозийные серосодержащие соединения..

3.3 Экологический контроль

Поддерживайте чистую и контролируемую производственную среду и минимизируйте воздействие серосодержащих загрязнителей..

Стандартные светодиоды не следует использовать непосредственно в средах с высокой концентрацией серосодержащих агрессивных газов., такие как мины, заводы по производству удобрений, животноводческие объекты, очистные сооружения, или определенные среды химической обработки, если только светодиоды не были специально разработаны и сертифицированы для таких применений..

Следует также признать, что внутренние помещения могут содержать следовые количества агрессивных серосодержащих газов, выделяющихся из строительных материалов., резина, клеи, упаковочные материалы, или другие близлежащие компоненты.

4. Обзор отказов и анализ первопричин

4.1 Стандартная процедура выявления отказа сульфурации

Чтобы определить, вызвано ли почернение светодиодов сульфуризацией, можно использовать стандартизированный процесс анализа неисправностей..

Шаг 1: Вскрытие упаковки и визуальный осмотр

Осмотрите светодиод под микроскопом.

Если посеребренная область отражателя постепенно желтеет, коричневое изменение цвета, или почернение, в то время как сам светодиодный чип не имеет явных повреждений от ожога, сульфирование следует рассматривать как возможный механизм отказа..

Шаг 2: Электрическое повторное тестирование

Сравните электрические параметры до и после старения или использования в полевых условиях., включая:

• Прямое напряжение (ВФ)
• Обратный ток / ток утечки (И)
• Оптический выход
• Другие важные электрические характеристики

Это помогает выявить постепенную электрическую деградацию, связанную с коррозией..

Шаг 3: КОТОРЫЙ + Элементный анализ ЭДС

СЭМ в сочетании с ЭДС является одним из важнейших аналитических методов подтверждения элементного состава почерневшего или корродированного участка..

Если сера (С) обнаруживается вместе с серебром (Аг) в зоне коррозии, данные убедительно подтверждают коррозию посеребренного слоя, вызванную серой..

Если хлор (кл.) или бром (Бр) вместо этого обнаруживается, Галогенная коррозия также должна быть исследована..

Шаг 4: Прослеживаемость на уровне процесса

Определите, произошло ли загрязнение от:

• Светодиодная упаковка
• СМТ сборка
• Печатная плата или вспомогательные материалы
• Сборка готовой продукции
• Упаковка и хранение
• Транспорт
• Операционная среда конечного пользователя

Цель состоит в том, чтобы идентифицировать фактический источник серы и определить стадию, на которой произошло загрязнение..

4.2 Ключевые критерии идентификации отказов

Одним из наиболее убедительных доказательств сульфуризационной коррозии является одновременное обнаружение сера (С) и серебро (Аг) в пострадавшем регионе, в сочетании с морфологией и расположением коррозии.

EDS-анализ может показать измеримое обогащение серы в сильно корродированных участках.. Точное процентное содержание серы может значительно варьироваться в зависимости от образца., положение измерения, уровень загрязнения, условия прибора, и степень коррозии.

Сравнивая элементный состав разных мест, включая функциональную область выводного кадра., Светодиодные клеммы, области склеивания, и контактные площадки печатной платы — возможно, можно будет определить, возникла ли сера из внешней среды или из материалов внутри системы сборки светодиодов..

4.3 Применение результатов анализа отказов

Ответственность Прослеживаемость

Создайте полную запись анализа отказов, содержащую:

• Фотографии открытия упаковки
• Микроскопические изображения
• НЕТ изображений
• Спектры ЭДС и элементарные данные
• Результаты электрических испытаний
• Результаты испытаний на надежность
• Информация о материалах и производственных партиях

Эти записи могут служить техническим доказательством для обсуждений качества с поставщиками., корректирующие действия, определение ответственности, и претензии.

Корректирующие действия

На основании выявленной основной причины, корректирующие действия должны осуществляться с трех основных точек зрения.:

• Выбор материала
• Процессы производства и сборки
• Условия хранения и эксплуатации

Механизм раннего предупреждения

Внедрить чувствительность к сульфированию или проверку защиты от сульфирования в процессе IQC для важных посеребренных выводных рамок., упаковочные материалы, или светодиодные компоненты.

Это может помочь идентифицировать и блокировать партии материалов высокого риска до того, как они поступят в массовое производство..

4.4 Идентификация других видов неисправности почернения светодиодов

Важно понимать, что Почернение светодиодов не означает автоматически сульфирование.

Другие возможные механизмы отказа включают в себя:

• Окисление
• Хлоридная коррозия
• Бромидная коррозия
• Карбонизация
• Термическая деградация
• Химическая несовместимость
• Загрязнение флюса
• Загрязнение клея или герметизирующего материала
• Другие механизмы коррозии под воздействием окружающей среды

Поэтому, производители должны установить полный Карта маршрута анализа неисправностей почернения светодиодов и систематически расследовать неисправность с помощью визуального осмотра, открытие упаковки, микроскопия, электрические испытания, СЭМ/ЭДС-анализ, отслеживаемость материалов, и проверка надежности.

Заключение

Осеривание и почернение светодиодов связано, прежде всего, с химическими реакциями между посеребрёнными поверхностями и серосодержащими веществами., который может производить темный сульфид серебра (Ag₂S) продукты коррозии.

На риск влияет источник серы., проницаемость упаковки, температура, влажность, совместимость материалов, производственное загрязнение, и конечная операционная среда.

Эффективное предотвращение сульфуризации требует систематического контроля в трех основных областях.:

Контроль материалов + Проектирование процессов и упаковки + Экологический контроль

Как только происходит почернение светодиода, Рекомендуемая последовательность анализа отказов::

Визуальный осмотр → Вскрытие упаковки → Микроскопический анализ → Электрические испытания → Элементный анализ SEM/EDS → Прослеживаемость материалов и процессов → Проверочные испытания → Подтверждение основной причины → Корректирующие действия

Конечная цель состоит не только в том, чтобы определить, присутствует ли сера., но и определить откуда взялась сера, как он попал в комплект светодиодов, почему возникла коррозия, и как можно предотвратить рецидив.

Научно структурированный процесс анализа неисправностей может помочь производителям светодиодов определить истинную причину., повысить долгосрочную надежность продукта, усилить управление качеством поставщиков, и снизить риск пакетных сбоев в приложениях клиентов..