硫化-LED防硫化培訓(xùn)教材.doc

LED防硫化培訓(xùn)教材目錄 ContentsPart1:TOP-LED發(fā)生硫化的不良表現(xiàn)Part2:TOP-LED的封裝工藝與結(jié)構(gòu)Part3: TOP-LED 發(fā)生硫化反應(yīng)的環(huán)節(jié)Part4:如何預(yù)防LED硫化問(wèn)題的發(fā)生Part1: TOP-LED 發(fā)生硫化的不良表現(xiàn)硫（S)，在工業(yè)上主要用于制作硫酸，硫化橡膠。硫化橡膠是在生膠原料中添加 適量硫磺及其他配料在一定溫度下進(jìn)行處理，生成線型分子相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 以增強(qiáng)橡膠的性能。什么是LED的硫化？LED的硫化是由于硫（S ） ，或含硫物質(zhì)在一定溫度（熱量促進(jìn)分子運(yùn)動(dòng)加?。穸龋℉2O)條件下，其中-2價(jià)的硫與+1價(jià)的銀發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色Ag2S的 過(guò)程。由于有機(jī)硅封裝的LED產(chǎn)品具有高度透濕透氧的特性，故LED硫化反應(yīng)在此類 產(chǎn)品的應(yīng)用過(guò)程中較為常見(jiàn)。硫化后的LED表現(xiàn)為支架黑化不良，光通量下降明顯。案例1某客戶采用 A-3528H252W-S 經(jīng)貼板回流焊接后出現(xiàn)支架黑化封裝前鍍銀支架硅膠工藝3528白光貼板回流焊接后，經(jīng)老化OK之成品放置一段時(shí)間支架功能區(qū)與硅膠界面鍍銀層產(chǎn)生黑色顆粒案例2某客戶采用A-3528H238W-S用于3燈發(fā)光模組，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化支架引腳 部位也出現(xiàn) 了黑色顆粒支架功能區(qū)、以及PIN腳部位均出現(xiàn)了黑化現(xiàn)象案例3某客戶采用A-3528H241W-S1用于LED燈管，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化正常品異常品案例4某客戶采用A-3528H196W-S用于照明燈具，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化案例5某客戶采用3528D20W-2P用于照明燈具，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化支架底部黑 化現(xiàn)象較為 嚴(yán)重，銀層 基本被完全 腐蝕，露出 內(nèi)部銅材案例6某客戶采用A-3528H322W-S用于發(fā)光模組，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化異常品正常品LED支架功能區(qū)黑化后， 光通量嚴(yán)重降低案例7某客戶采用A-5060H238W-3-B-S用于燈杯，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化庫(kù)存未使用 LED進(jìn)行正常 老化實(shí)驗(yàn)無(wú)黑 化現(xiàn)象發(fā)生通過(guò)觀察同 一顆LED發(fā)現(xiàn)：正極引腳發(fā) 生黑化，而 負(fù)極正常。案例8某客戶采用A-5060H245W-3-B-S用于照明燈具，經(jīng)貼板回流焊接放置一段時(shí)間后出現(xiàn)支架黑化黑化的漸進(jìn)過(guò)程案例95730H241W-3-S用于照明燈具后出現(xiàn)支架黑化 黑化現(xiàn)象的不良分析案例一：2燈模組中，對(duì)3528出現(xiàn)黑化的引腳部位A、B點(diǎn)進(jìn)行EDX、SEM分析，確認(rèn)含有硫的成分， 其含量約占所測(cè)成分的10%EDX元素掃描De-cap后，對(duì)支架功能區(qū)、PPA進(jìn)行EDX元素掃描分析PPA與硅 膠結(jié)合界 面不含硫支架鍍銀層與硅 膠結(jié)合界 面含硫De-cap后，對(duì)封裝膠進(jìn)行EDX元素掃描分析與支架鍍 銀層結(jié)合 界面的硅 膠含硫 黑化現(xiàn)象的不良分析案例二：通過(guò)EDX、SEM元素分析，支架無(wú)黑化現(xiàn)象部位不含硫；支架黑化部位硫的含量約占2%支架PAD正常區(qū)域ElementWeight%Atomic%Si K0.341.28Ag L96.3895.59Cd L3.293.13Totals100.001.將3528功能區(qū)黑化樣品， 剖開發(fā)現(xiàn)功能區(qū)表面及封 裝膠底部呈現(xiàn)的黑化現(xiàn)象 是一致性的。2.再將PPA膠體剖開，發(fā) 現(xiàn)PPA附著的表面并無(wú)黑 化現(xiàn)象。3.硅膠體與PPA結(jié)合面無(wú) 黑化，硅膠體與支架鍍層 結(jié)合面存在黑化現(xiàn)象。PAD異常區(qū)域ElementWeight%Atomic%O K0.000.00Si K0.732.17S K2.135.52Cu L32.4242.46Ag L62.0247.85Cd L2.702.00Totals100.004.經(jīng)EDX分析，功能區(qū)黑化區(qū)域，發(fā)現(xiàn)有(硅)Si及 (硫)S存在，也有微量Cu(備注:因有(硅)Si及 (硫)S存在，將Ag層表面侵蝕而產(chǎn)生Cu露出)。5.經(jīng)EDX分析，未有黑化的表面區(qū)域，都是Ag，屬正?，F(xiàn)象。6. 此黑化現(xiàn)象，應(yīng)發(fā)生于回流焊接過(guò)程中S滲入 支架底部，而導(dǎo)致與Ag層接觸產(chǎn)生的硫化反應(yīng)。支架鍍銀層表面的黑色物質(zhì)經(jīng)能譜儀掃描 含S元素，由此可斷定為Ag2S 總結(jié)： 綜合以上不良案例及案例分析可以發(fā)現(xiàn)，目前應(yīng)用端出現(xiàn)的LED黑化現(xiàn)象是由于支架 鍍銀層發(fā)生硫化的不良表現(xiàn)，從統(tǒng)計(jì)的所有硫化案例來(lái)看，該不良主要發(fā)生于TOP白光系 列產(chǎn)品中。硫化現(xiàn)象的發(fā)生與選用哪款LED芯片沒(méi)有必然聯(lián)系，大部分硫化不良主要發(fā)生 于硅膠工藝（-S）封裝的LED產(chǎn)品中，-S1硅樹脂工藝發(fā)生硫化的幾率則相對(duì)較低。支架底部變黑的原因是外界的硫離子S以空氣中的水分子作為載體侵入LED燈內(nèi)部 支架Ag 層，在一定條件下生成硫化物導(dǎo)致 。從發(fā)生的各種不良案例來(lái)看，支架銀層硫化 的強(qiáng)烈、快慢程度與硫含量、以及溫度、時(shí)間具有直接關(guān)系。該些硫化物質(zhì)或顆粒經(jīng)EDS 分析發(fā)現(xiàn)除了大量Ag(銀)的信號(hào)之外，其次S(硫)的信號(hào)也非常明顯，因此可以確定黑化 問(wèn)題是因?yàn)锳g 1+與S 產(chǎn)生反應(yīng)所造成之化學(xué)反應(yīng)；銀對(duì)硫有很強(qiáng)的親和力，加熱時(shí)可 以與硫直接化合成Ag2S。關(guān)于硫化銀Ag2S 硫化銀（化學(xué)式：Ag2S），是銀的硫化物，標(biāo)準(zhǔn)情況下為黑色立方體晶系晶體，難溶與水。自然屆中主要以輝銀礦和螺狀硫銀礦存 在，也是銀與硫化氫氧體接觸時(shí)表面生成的黑斑的主要成分。它有 三種變體：?jiǎn)涡钡穆萘蜚y，176以下穩(wěn)定；體心立方的輝銀礦，176以上穩(wěn)定；以及一種面心立方在586 以上穩(wěn)定的變體，它可以導(dǎo)電。 硫和銀混合不加熱情況下直接化合，氧化銀與硫加熱生成硫化銀 和硫酸銀，濕氣存在下硫酸銀被硫轉(zhuǎn)化為硫化銀，以及硫代硫酸鈉 與氧化銀、硝酸銀和其它可溶銀鹽反應(yīng)，生成的硫代硫酸銀不穩(wěn)定 分解，或可溶硫化物與銀鹽作用，都可以作為硫化銀的制作途徑。 硫化銀不溶于氨水，但溶于鹵金屬氰化物和硝酸中。室溫空氣中它是穩(wěn)定的，真空加熱到350時(shí)分解，空氣中加熱至1085 以下時(shí) 被氧化為硫酸銀。加熱時(shí)可被氫氧還原。Part2:TOP-LED的封裝工藝與結(jié)構(gòu)TOP LED是表面粘著型發(fā)光二極管，適用 于SMT制程，主要由以下幾個(gè)部分組成： a. 朔料外殼b. 透光膠體c. 粘接膠d. 芯片e. 芯片電極連接線f. 引腳支架PIN腳 基材為合金 銅，外表面為鍍銀層.TOP LED氣密性能受制于外殼材質(zhì)、以及外封 膠體與外殼的結(jié)合性能。目前TOP系列白光 LED為達(dá)到有效散熱效果，降低光衰率，普遍 采用高分子有機(jī)硅、硅樹脂作為密封膠，而硅膠具有透氧透濕性，在耐高溫方面盡管優(yōu)于環(huán) 氧（EPOXY），但密封性不佳。這就出現(xiàn)了當(dāng) TOP LED與含硫物質(zhì)接觸時(shí)，硫元素極易滲入 LED支架功能區(qū)，從而發(fā)生鍍銀層被硫化的現(xiàn) 象。TOP LED主要的三種封裝工藝 環(huán)氧封裝工藝主要作為普光LED封裝 膠水硅樹脂封裝工藝主要作為高亮度白光LED 封裝膠水硅膠封裝工藝主要作為常規(guī)照明系 列，且對(duì)于散熱有較 高要求的LED封裝膠水優(yōu)點(diǎn)：密封性好、 抗震性強(qiáng)、 防護(hù)能力好、成本低缺點(diǎn)：散熱不佳、應(yīng)力大、抗紫 外能力弱優(yōu)點(diǎn)：高折射率、 高透光率， 密封性能優(yōu)于硅膠，散熱能 力介于環(huán)氧樹脂和硅膠之間， 具有樹脂和硅膠的部分特性缺點(diǎn)：應(yīng)力較硅膠大，高溫焊接 不當(dāng)易出現(xiàn)膠裂/分層優(yōu)點(diǎn)：散熱性能好、應(yīng)力較小 、 抗紫光能力強(qiáng)缺點(diǎn)：密封性不佳、防護(hù)能力弱、 抗震性差、具有透氧透濕 特性，用于戶外時(shí)需對(duì)燈 體結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次防護(hù)處理硅樹脂封裝工藝、硅膠封裝工藝之白光LED抗硫化能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將A、B、C、D、E、F六款不同的封裝膠水（注：前三款為硅膠，后三款為硅樹脂膠） 的封裝成品放在濃度為10%的硫磺水中浸泡，常溫下存放24H，觀察膠水的浸泡效果及回流焊后的 效果。硫化實(shí)驗(yàn)表明硅樹脂工藝材料的抗硫化能力強(qiáng)于硅膠工藝材料，且硬度越高，抗硫化能力越強(qiáng)。硬度對(duì)比：FEDA,B,C(三款硬度相當(dāng)）；抗硫化能力： ABCDEFABC硅膠工藝實(shí)驗(yàn)后，支架內(nèi) 部均出現(xiàn)了不同 程度的支架功能 區(qū)硫化的現(xiàn)象。功能區(qū)嚴(yán)重硫化功能區(qū)中度硫化功能區(qū)中度硫化DEF硅樹脂工藝實(shí)驗(yàn)后，僅代號(hào) 為D的膠水封裝之材料出現(xiàn)支架 邊緣輕度黑化（硫化）的跡象。支架邊緣輕微滲透，出現(xiàn)黑化跡象功能區(qū)正常功能區(qū)正常硅樹脂封裝工藝、硅膠封裝工藝白光LED密封性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將A、B、C、D、E、F六款膠水封裝之白光LED進(jìn)行紅墨水滲透實(shí)驗(yàn)，其中A、B、C為硅膠工藝產(chǎn)品，D、E、F為硅樹脂工藝產(chǎn)品，以此來(lái)檢驗(yàn)各款膠水實(shí)際密封能力的好壞。ABC硅膠工藝實(shí)驗(yàn)后，支架內(nèi) 部均出現(xiàn)了不同 程度的紅墨水滲 入支架底部的現(xiàn)象。DEF硅樹脂工藝實(shí)驗(yàn)后，僅代號(hào)為F的膠水封裝 之材料出現(xiàn)少量紅墨水從支架底 部滲入的現(xiàn)象。結(jié)論：硅樹脂工藝LED密封性能明顯要優(yōu)于硅膠工藝LED。密封性方面FED CBAPart3: TOP-LED發(fā)生硫化反應(yīng)的環(huán)節(jié)通過(guò)對(duì)出現(xiàn)硫化的LED應(yīng)用不良樣品和良品進(jìn)行檢測(cè)、排查，發(fā)現(xiàn)TOP LED在應(yīng)用端發(fā)生支架硫化的不良環(huán)節(jié)均發(fā)生PCB經(jīng)回流焊老化儲(chǔ)存過(guò)程中。LED應(yīng)用產(chǎn)品的制作工藝流程：印制板裸板 （TOP LED） SMT回流焊（洗板水或其它化學(xué)溶劑） 清洗（電性）測(cè)試通電老化 為查找硫的來(lái)源，通過(guò)追溯可能含硫的核心原物料（支架、熒光粉、封裝膠），發(fā)生硫化的TOP LED工藝流程，客戶端采用的PCB、及相關(guān)物料進(jìn)行EDX分析，來(lái)逐 一排查導(dǎo)致TOP LED硫化之環(huán)節(jié)。追溯支架制程是否含硫?qū)σ逊庋b的正常品支架的功能區(qū)進(jìn)行EDX分析，確認(rèn)支架本身不含硫。ElementWeight%Atomic%C K2.8720.95Ag L97.1379.05Totals100.00追溯熒光粉是否含硫 目前主要采用以下兩大系列熒光粉配制白光 鋁酸鹽系熒光粉YAG:Ce3+ DopeY3Al5O12硅酸鹽系熒光粉Intematix:Eu2+ Dope(SrBaMg)2SiO4從化學(xué)分子式、以及物質(zhì)MSDS資料來(lái)看，熒光粉本身是不含硫的。追溯硅膠是否含硫追溯封裝工藝制程是否含硫通過(guò)對(duì)制程、相關(guān)工藝條件、環(huán)境及輔料追溯，以及對(duì)良品在經(jīng)過(guò)回流爐后進(jìn)行高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)，未在內(nèi)部發(fā)現(xiàn)硫（S）的來(lái)源。通過(guò)對(duì)已經(jīng)貼裝，且出現(xiàn)LED黑化不良的樣品進(jìn)行EDX分析，確認(rèn)支架外部硫含量遠(yuǎn)高于內(nèi)部，初步可判斷硫的來(lái)源為TOP LED支架外界回流焊接后逐漸滲入支架內(nèi)部。說(shuō)明： 表1、2中012、013取自支架功 能區(qū)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)； 表3、4中的018取自支架引腳部位的1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，019取自支架引腳焊錫膏上的1個(gè)測(cè)試點(diǎn)。從數(shù)據(jù)來(lái)看，支架引腳上S的 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于支架內(nèi)部功能區(qū)， 這表明硫元素從外界自然滲入。追溯LED應(yīng)用成品PCB是否含硫（分析案例一）經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)用端提供的PCB板材取不同的點(diǎn)進(jìn)行EDX掃描，確認(rèn)含有一定的硫（S）元素存 在。這表明硫的來(lái)源與PCB本身具有相關(guān)性。PCB板材表面取樣掃描1：說(shuō)明：對(duì)鋁基PCB板材鍍錫點(diǎn)1進(jìn)行元素掃描發(fā)現(xiàn)硫 元素（S）的含量約占0.63%。并且檢測(cè)位置不同， 硫的含量并非一致。PCB板材表面掃描2：說(shuō)明：對(duì)鋁基PCB板材 鍍錫點(diǎn)進(jìn)行元 素掃描發(fā)現(xiàn)硫 元素（S）的含 量約占0.65%。追溯LED應(yīng)用成品PCB是否含硫（分析案例一）A-3528H252W-S1應(yīng)用于日光燈管出現(xiàn)硫化說(shuō)明：對(duì)FR4板材鍍錫點(diǎn)1 進(jìn)行元素掃描發(fā)現(xiàn) 硫元素（S）的含 量約占1.91%。說(shuō)明：對(duì)FR4板材鍍錫點(diǎn)2 進(jìn)行元素掃描發(fā)現(xiàn) 硫元素（S）的含 量約占1.72%。 針對(duì)該產(chǎn)品在客戶端出現(xiàn)的LED硫化異?，F(xiàn)象，取同批庫(kù)存品100PCS，其中50PCS常溫25mA老化，另50PCS放入高溫高濕機(jī)（85/85%RH）中20mA（正常老化為5mA）進(jìn)行加速老化未發(fā)現(xiàn)類似硫化現(xiàn)象。通過(guò)了解PCB相關(guān)知識(shí)、制作工藝就能很容易明白為什么市面上很多PCB都含有少量的S元素PCB以材質(zhì)分為：a.有機(jī)材質(zhì) ： 酚醛樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、Polyimide（聚酰亞胺）、BT/Epoxy等 b.無(wú)機(jī)材質(zhì)：鋁、Copper-invar（鋼）-copper、ceramic（陶瓷）等。取決于其散熱功能 PCB的基材是由介電層（樹脂、玻璃纖維），及高純度導(dǎo)體（銅箔）二者所構(gòu)成的復(fù)合材料PCB（印制線路板）的制作流程通過(guò)PCB印制線路板的工藝流程來(lái)了解為什么PCB會(huì)殘留有硫。多層板內(nèi)層線路多層板壓合鉆孔通孔鍍銅刷磨微蝕吹干壓膜冷卻曝光靜置顯影蝕銅去膜沖鉚釘孔清潔微蝕熱水洗 黑化 水洗烘干組合疊板熱壓冷壓拆板鉆靶孔上PIN細(xì)裁CNC鉆孔重刷磨高壓沖洗膨潤(rùn)除膠渣中和整孔微蝕活化還原化學(xué)銅沉積硫酸預(yù)浸硫酸銅電鍍外層線路二次鍍銅防焊綠漆文字印刷刷磨微蝕水洗水洗吹干壓膜冷卻曝光靜置顯影去脂微蝕硫酸預(yù)浸硫酸銅電鍍氟硼酸預(yù)浸錫鉛電鍍水洗去膜蝕銅去錫鉛刷磨微蝕純水洗吹干冷卻綠漆涂布預(yù)烘干燥曝光顯影烘烤文字印刷烘烤鍍金噴錫成型終檢貼防護(hù)膠帶微蝕預(yù)浸鍍鎳預(yù)浸鍍金水洗撕防護(hù)膠帶水洗吹干金手指膠帶烘烤壓膠板面清洗上助焊劑熱風(fēng)噴錫風(fēng)扇冷卻熱水洗冷水洗吹干撕膠帶CNC成型（沖床成型）金手指斜邊開V槽水洗清潔電性測(cè)試成品檢驗(yàn)（上預(yù)焊劑）真空包裝PCB的內(nèi)層制作流程PCB的外層制作流程化學(xué)溶劑的使用在PCB（印制電路板）制造技術(shù)，各種溶液占了很大的比 重，對(duì)印制電路板的最終產(chǎn)品質(zhì)量起到關(guān)鍵的作用。例如：在PCB的蝕刻過(guò)程中就需要用到硫酸溶液。蝕刻是PCB生 產(chǎn)過(guò)程中基本步驟之一，簡(jiǎn)單的講就是基底銅被抗蝕層覆蓋， 沒(méi)有被抗蝕層保護(hù)的銅與蝕刻劑發(fā)生反應(yīng)，從而被咬蝕掉， 最終形成設(shè)計(jì)線路圖形和焊盤的過(guò)程。再一個(gè)就是化學(xué)清洗 用堿溶液去除銅表明的油污、指印及有機(jī)污物，然后用酸性溶液除去氧化層和原銅基材上為防止銅被氧化的保護(hù)涂層，最后再進(jìn)行微蝕處理以得到與干膜具有優(yōu)良粘附性能的 充分粗化的表明。PCB制作過(guò)程中采用的含S化學(xué)藥品主要有以下三種：硫酸：H2SO4-無(wú)色油狀液體，濃硫酸具有強(qiáng)烈地吸水性，因此它是 優(yōu)良的干燥劑。過(guò)硫酸銨：（NH4）2S2O8-無(wú)色甩時(shí)略帶淺綠色的薄片結(jié)晶，溶于水。硫酸銅：CuSO45H2O-三斜晶系的藍(lán)色結(jié)晶。Part4:如何預(yù)防TOP-LED硫化問(wèn)題的發(fā)生1.提高硅膠與PPA密封結(jié)合性能；針對(duì)部分客戶端出現(xiàn)的TOP LED硫化問(wèn)題，工廠內(nèi)部的改善措施主要從兩個(gè)方面展開：、由于硅膠具有透氧透濕特性，從產(chǎn)品工藝上選用硬度較高的硅樹脂作為封裝膠水；、制程環(huán)節(jié)的管控主要從封膠前支架清潔，提高烤箱內(nèi)部清潔度，以及支架烘 烤過(guò)程中流程單不隨材料一同進(jìn)烤，隔離污染源，以此提升封裝膠與PPA支 架的密封結(jié)合。通過(guò)上述手段，可顯著增強(qiáng)TOP LED的抗硫化能力。2. 選用不含硫的熒光粉；目前我司采用的均為不含硫元素的熒光粉，避免了產(chǎn)品本身的硫源。3. 應(yīng)用端須注意生產(chǎn)過(guò)程中硫的防護(hù)處理，并選用有質(zhì)量保證的PCB板材和錫膏、及其它配套輔料（不含硫或者硫的含量低于安全標(biāo)準(zhǔn)，從目前對(duì)發(fā)生硫化的幾起案例中的PC