林遠彬，秦 快，文 波

(佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000)

引言

LED顯示器件為了滿足高可靠性，防磕碰，一般會使用環(huán)氧樹脂作為封裝膠，而環(huán)氧樹脂在使用過程中，容易受到光照、氧、熱等因素的影響而發(fā)生老化降解[1]，其分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化而生成某些生色或者發(fā)色基團，導致樣品表面發(fā)生顏色的變化。通過觀察樣品的色差能夠直觀地反映出樣品的老化程度，樣品老化同時會伴隨著LED器件光電參數(shù)的下降，從而影響LED器件的使用性能及使用壽命[2-4]。

溫度對于環(huán)氧樹脂的影響主要表現(xiàn)在溫度的升高導致分子熱運動加劇，低溫以及高低溫交變等導致環(huán)氧樹脂產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而使環(huán)氧樹脂發(fā)生降解或交聯(lián)，影響環(huán)氧樹脂的粘結(jié)性能，壽命縮短[5-8]。

目前顯示屏廠維修LED器件時一般使用熱風槍的方法，其需要一定的高溫和時間，長時間的高溫容易使LED器件出現(xiàn)黃變老化現(xiàn)象。在LED器件后續(xù)使用過程中，顯示屏存在外觀和性能等差異。

因此，基于以上理論以及實際應(yīng)用，本文設(shè)計實驗對受熱后的LED器件從外觀顏色、光電參數(shù)、封裝膠推力以及色差四方面進行實驗分析，從而評估LED器件采用不同封裝膠的耐熱性差異，以期提供LED器件的維修參考。

1 實驗過程

本實驗首先對LED器件(封裝膠：固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧、液態(tài)硅膠)的外觀顏色、光電參數(shù)及樹脂推力進行實驗測試，然后將正品LED器件分別放置于180 ℃、350 ℃、400 ℃溫度環(huán)境中，加熱30s(見表1)，最后將加熱后的LED器件進行外觀顏色、光電參數(shù)及樹脂推力測試，對比其形貌及數(shù)值變化，從而評估出三種封裝膠的耐熱差異性。

表1 不同封裝膠LED器件耐熱性實驗方案

2 結(jié)果與討論

2.1 色差分析

對上述實驗前后的樣品進行加熱烘烤，可觀察到隨著烘烤溫度的升高，LED燈珠表面的封裝膠顏色逐漸黃化，這是因為封裝膠遇高溫加熱會發(fā)生老化降解，其分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應(yīng)的變化而生成某些生色或者發(fā)色基團，導致樣品表面發(fā)生顏色的變化[9-11]。具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同封裝膠LED器件加熱后色差

進一步地，為了量化黃化程度，本實驗通過分光測色儀對實驗前后的LED燈珠進行色差測試，采用的是CIE1976L*a*b*均勻的色空間，其中b*則是代表黃藍軸，在計算差值Δb時，當b*的差值為正值時，則待測物相比于標準物偏黃色；如果差值為負值，則待測物相比于標準物偏藍色。具體測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同封裝膠LED器件加熱后Δb值

通過實驗數(shù)據(jù)，可知：固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧以及液態(tài)硅膠塑封LED器件經(jīng)過加熱烘烤后，燈珠表面均存在黃化現(xiàn)象，印證了上述圖片信息，也進一步證明了LED器件加熱后黃化是正?，F(xiàn)象。同時分析表3數(shù)據(jù)可以判斷出固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧塑封LED燈珠表面黃化程度相當，且均大于液態(tài)硅膠塑封LED器件表面的黃化現(xiàn)象，這是由于LED封裝用有機硅材料的主要結(jié)構(gòu)是Si—O—Si鍵，其鍵能較大，高達460 kJ/mol[12-14]，而環(huán)氧樹脂封裝材料主要由C—O—C、C—C結(jié)構(gòu)組成，其鍵能較低，僅為326 kJ/mol和332 kJ/mol，在高溫(250 ℃)下非常容易降解，同時大部分LED環(huán)氧樹脂還含有更容易氧化變色的苯氧基—C6H4—O，在高溫下被氧化成苯醌或其他有顏色的不飽和小分子，因此硅樹脂的耐黃變性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂。

2.2 光電參數(shù)分析

利用光電測試機對實驗樣品進行光強、波長的光電參數(shù)測試。結(jié)果顯示，隨著加熱烘烤條件的改變，LED器件的光電參數(shù)均存在不同程度的變化，如表4所示。

表4 不同封裝膠LED器件隨加熱條件改變的光參值

進一步地，為了直觀評估加熱烘烤LED器件對光電參數(shù)的影響，根據(jù)表4實驗數(shù)據(jù)，繪制如圖1所示的光電參數(shù)圖。

由圖1可知，固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧和液態(tài)硅膠塑封LED器件的光電參數(shù)均隨著溫度的升高出現(xiàn)先增大而后逐步降低的現(xiàn)象，這是因為由于烘烤過程具有退火效應(yīng)，使芯片內(nèi)的Mg—H絡(luò)合物分解，相當于Mg2+濃度增大。即P型雜質(zhì)濃度增大，器件工作時注入量子阱中的載流子數(shù)增加，輻射復合機率增大，增加了光輸出。隨著溫度的升高，芯片中發(fā)生晶格失配等缺陷反應(yīng)，這些缺陷造成非輻射復合和隧穿通道，從而導致LED器件光衰[15,16]，同時溫度過高會導致LED器件封裝膠表面黃化，降低了外量子效應(yīng)(external quantum efficiency，EQE)，從而使其光提取效率(光提取效率是指單位時間內(nèi)有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與逸出到自由空間光子數(shù)的比例)下降，導致LED器件光電參數(shù)值降低。

2.3 樹脂推力分析

當高分子膠黏劑長時間處于高溫環(huán)境下能夠使膠黏劑中小分子物質(zhì)從膠層中逸出，使膠黏劑呈現(xiàn)出硬化或多孔狀態(tài)，在有氧氣存在的條件下，氧氣滲入膠黏劑內(nèi)部，使膠黏劑發(fā)生嚴重的熱氧老化而出現(xiàn)降解或交聯(lián)，導致其粘結(jié)性能下降。

因此，為了進一步驗證溫度對封裝膠與PCB板粘接力的影響，利用推力測試機對實驗樣品進行樹脂推力測試，具體結(jié)果如表5所示。

圖1 不同封裝膠LED器件隨加熱條件改變的光參圖

表5 不同封裝膠LED隨加熱條件改變的樹脂推力值

整理表5數(shù)據(jù)，繪制如圖2所示的樹脂推力值變化趨勢圖?？芍?/p>

圖2 不同封裝膠LED隨加熱條件改變的樹脂推力圖

1)固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧封裝膠，其推力值隨著LED器件受熱溫度的升高而減小，當加熱溫度低于180 ℃時，溫度的變化對樹脂推力值的影響不大，當加熱溫度高于180 ℃時，樹脂推力值隨著溫度的升高而急劇減小，表明固態(tài)環(huán)氧和液態(tài)環(huán)氧封裝膠的耐熱溫度近似為180 ℃。

2)液態(tài)硅膠封裝膠的推力值隨加熱溫度的變化趨于一條直線，表明液態(tài)硅膠熱穩(wěn)定性更好。

3)液態(tài)硅膠相較于固態(tài)環(huán)氧和液態(tài)環(huán)氧，推力值過低，防碰撞能力差。因此在終端應(yīng)用上，性能略低于環(huán)氧塑封LED器件。

2.4 維修溫度建議

由上述測試數(shù)據(jù)對比可知，當加熱溫度高于350 ℃，LED器件的光電參數(shù)和樹脂推力開始急劇下降，且LED器件表面色差變化較大；當溫度處于180 ℃與350 ℃之間時，參數(shù)值下降較為平緩，且溫度變化對LED器件表面色差影響不大，考慮到客戶端貼片時使用錫膏，而無鉛錫膏溶錫溫度在240 ℃以上。因此，在使用熱風槍維修LED器件時，需要使LED器件表面色差盡可能保持不變的條件下選定加熱烘烤溫度，讓LED器件順利取下。本實驗設(shè)計三個加熱溫度及加熱時間方案，如表6所示。

表6 LED器件加熱溫度實驗方案

觀察加熱后的LED器件顏色的變化程度，選擇色差變化最小的對應(yīng)溫度為本次實驗評估的加熱溫度。圖3為具體實驗結(jié)果。

圖3 不同加熱條件LED器件外觀圖

通過分光測試儀測試圖3燈珠的Δb值，結(jié)果如表7所示。

表7 不同加熱條件LED器件的Δb值

分析圖3及對應(yīng)的Δb值可知：

1)加熱后的LED器件，對比加熱前的LED器件表面顏色，存在熔融現(xiàn)象，因此加熱溫度及加熱時間共同決定了燈珠的耐熱效果。

2)當加熱溫度恒定時，隨著加熱時間的延長，Δb值有明顯的變化且隨時間的延長而增大，黃化程度加大。

3)當加熱時間恒定時，隨著加熱溫度的升高，Δb值有明顯的變化且隨溫度的升高而增大，黃化現(xiàn)象愈明顯，但當溫度超過300 ℃時，Δb值變化趨于平緩。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，建議熱風槍溫度保持在300 ℃以下，每次維修的持續(xù)時間不得超過10 s，且維修過程中需對周圍燈珠進行保護，防止燈珠損壞。

3 結(jié)論

綜上所述，利用分光測色儀、光電測試機和推力測試機等測試手段，實驗測定了不同加熱烘烤條件下LED的表面色差、光電參數(shù)及樹脂推力，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)不同加熱烘烤條件下的LED器件表面形貌，結(jié)合分光測色儀的測試結(jié)果可知：固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧的耐熱性相當，液態(tài)硅膠的熱穩(wěn)定性較好，但液態(tài)硅膠的樹脂推力遠低于環(huán)氧樹脂的推力，在實際終端應(yīng)用上較弱于環(huán)氧樹脂。

2)通過分析光電測試機的測試結(jié)果確定了LED器件的光電參數(shù)隨加熱溫度改變而變化的規(guī)律，且在目前行業(yè)的使用溫度范圍內(nèi)，加熱溫度對LED器件的光電參數(shù)影響不大。

3)通過控制變量法對LED器件的加熱溫度和加熱時間進行實驗研究，證實了加熱溫度和加熱時間共同決定了LED器件黃化現(xiàn)象。

4)結(jié)合實驗結(jié)果，建議在維修LED器件時勿使用高溫且維修時間盡量短，能保證LED器件表面色差盡可能保持不變。