LED硫化對(duì)TFT-LCD產(chǎn)品的影響及硫化原因分析

北京京東方顯示技術(shù)有限公司 王曉紅 許向輝 徐習(xí)亮 王 超

本文研究了LED硫化對(duì)TFT-LCD的光學(xué)影響及引起硫化的原因分析。首先對(duì)TFT-LCD光學(xué)缺陷產(chǎn)品進(jìn)行拆解分析及SEM-EDX分析，其次將硫粉與LED混合高溫高濕處理模擬復(fù)現(xiàn)LED硫化，研究硫化對(duì)LED光學(xué)參數(shù)的影響，最后通過(guò)SEM-EDX對(duì)TFT-LCD組件排查是否含硫并進(jìn)行高溫高濕試驗(yàn)驗(yàn)證組件是否會(huì)導(dǎo)致LED硫化。通過(guò)試驗(yàn)得出：高溫高濕硫化氣體環(huán)境會(huì)導(dǎo)致LED硫化，導(dǎo)致LED的光學(xué)參數(shù)色坐標(biāo)Wy和亮度衰減，約50%的產(chǎn)品光學(xué)參數(shù)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TFT-LCD中含硫組件透鏡下粘結(jié)膠會(huì)提供硫源導(dǎo)致LED硫化。據(jù)此提出TFT-LCD產(chǎn)品LED防硫化的方向：TFT-LCD部品除硫和降低熒光膠對(duì)硫的滲透率。

LED（發(fā)光二極管）因其具有色彩還原性好、節(jié)能、壽命長(zhǎng)，作為大部分TFT-LCD模組產(chǎn)品的背光源使用。LED燈條硫化現(xiàn)象在很多應(yīng)用領(lǐng)域中已被發(fā)現(xiàn)，如汽車(chē)車(chē)燈、LED照明燈等，例如目前已有相關(guān)領(lǐng)域LED硫化的改善報(bào)導(dǎo)，如汽車(chē)行業(yè)的羅姆（ROHM）公司推出過(guò)避免硫化的完全無(wú)銀的高亮度紅色LED“SML-Y18U2T”。LED作為T(mén)FT-LCD顯示產(chǎn)品的光源，對(duì)其光學(xué)性能有著更高的要求，但硫化失效報(bào)道較少，筆者在生產(chǎn)實(shí)際中遇到LED硫化導(dǎo)致TFT-LCD產(chǎn)品表現(xiàn)出色坐標(biāo)偏低問(wèn)題，對(duì)此進(jìn)行了深入分析。

1 色坐標(biāo)偏低的TFT-LCD不良品拆解分析

拆解不良品，測(cè)試背光源光學(xué)色坐標(biāo)Wy值超標(biāo)。進(jìn)一步對(duì)背光源的LED燈條進(jìn)行拆解分析，如圖1所示，不良品LED燈條鍍銀層及引腳處發(fā)黑。對(duì)不良和正常的LED膠體、引腳、支架鍍銀層進(jìn)行SEM-EDX（Scanning Electron Mictoscopy-X-ray Energy Dispersive Analysis）分析，只有不良品的支架處檢測(cè)出S元素，見(jiàn)圖2所示。結(jié)果顯示：LED支架鍍銀層硫化。

圖1 不良品與合格品LED的拆解照片

圖2 合格品（a）與不良品（b）LED支架的SEM-EDX圖

2 不良復(fù)現(xiàn)模擬：?jiǎn)晤wLED與硫粉混合高溫高濕試驗(yàn)

單顆LED與硫粉混合后放于廣口瓶中密封，放置于老化封箱中溫度85℃濕度85RH%，6h后取出，進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1所示。按照行業(yè)判定合格標(biāo)準(zhǔn)為：亮度（Lux.）衰減≦20%，色坐標(biāo)（Wx/Wy）衰減≦0.01。

如表1中所示，10顆LED與硫粉混合高溫高濕后亮度和Wy值衰減明顯，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)判定50%不達(dá)標(biāo)。

表1 單顆LED與硫粉混合高溫高濕實(shí)驗(yàn)前后光學(xué)數(shù)據(jù)

觀察實(shí)驗(yàn)后LED表面與實(shí)驗(yàn)前對(duì)比，目視可見(jiàn)支架黑化。而LED黑化的原因有兩類(lèi)：一類(lèi)是物理黑化，即是光源和燈具由于物理原因——如過(guò)電壓、過(guò)電流及結(jié)溫超標(biāo)等因素引起的黑化；一類(lèi)是化學(xué)黑化，即在LED封裝部件中或在固晶、焊接時(shí)使用的銀或錫元素產(chǎn)生硫化或鹵化引起的。

取與硫粉混合前色坐標(biāo)OK的和與硫粉混合高溫高濕試驗(yàn)后NG的單顆LED，去除膠體后在大基島附近位置進(jìn)行SEM-EDX測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)高溫高濕試驗(yàn)后NG的單顆LED已經(jīng)被硫化。

圖3 未處理過(guò)的LED(a)與實(shí)驗(yàn)后NG LED(b)的SEM-EDX圖

據(jù)此判定為化學(xué)黑化，即為支架鍍銀層的硫化：在高溫和有水汽存在的條件下，銀與硫或硫化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成黑色立方晶系晶體硫化銀（Ag2S），硫化示意圖見(jiàn)圖4所示。黑色的硫化銀附著于鍍銀層的上面，影響LED熒光粉發(fā)出光的反射，進(jìn)而表現(xiàn)出對(duì)LED的光學(xué)影響：亮度和色坐標(biāo)Wy值衰減明顯，色坐標(biāo)Wx值衰減較小。也因此可以看出目前TFT-LCD產(chǎn)品所用的LED缺乏抗硫能力。

圖4 LED硫化示意圖

3 TFT-LCD產(chǎn)品LED硫化風(fēng)險(xiǎn)排查

對(duì)LED易接觸物分別做SEM-EDX分析，排查是否含硫，原料類(lèi)排查物包括：膠框、墊片、擴(kuò)散片、棱鏡片、反射片、PCB、連接器，耗材類(lèi)排查物包括：紙箱、周轉(zhuǎn)盤(pán)、泡棉、靜電衣、手套、錫膏、透鏡下粘結(jié)膠，結(jié)果只有擴(kuò)散片和透鏡下粘結(jié)膠含硫，SEM-EDX見(jiàn)圖5所示。

圖5 擴(kuò)散片(a)和透鏡下粘結(jié)膠(b)的SEM-EDX圖

為確定含硫物擴(kuò)散片和透鏡下粘結(jié)膠是否會(huì)揮發(fā)硫化氣體使LED硫化，將其分別與正常的LED銀支架放在一個(gè)磨口瓶中，于85℃烘箱中7天后對(duì)LED銀支架做SEM-EDX，分析是否硫化，見(jiàn)圖6。與擴(kuò)散片一起高溫的LED銀支架沒(méi)有黑化，且SEM-EDX圖顯示表面沒(méi)有腐蝕現(xiàn)象，無(wú)硫元素檢出；與透鏡下粘結(jié)膠一起高溫的LED銀支架目視黑化，且SEM-EDX圖顯示表面有腐蝕現(xiàn)象，且有硫元素檢出。這說(shuō)明擴(kuò)散片在高溫下不會(huì)揮發(fā)出硫化氣體導(dǎo)致LED硫化，而透鏡下粘結(jié)膠會(huì)揮發(fā)硫化氣體導(dǎo)致LED硫化。

圖6 與擴(kuò)散片(a)和透鏡下粘結(jié)膠(b)共同高溫的LED銀支架的SEM-EDX圖

綜上所述，本次TFT-LCD產(chǎn)品的LED硫化原因?yàn)橥哥R下粘結(jié)膠會(huì)揮發(fā)硫化氣體導(dǎo)致。

4 抗硫化方案介紹

為了減少TFT-LCD的LED硫化風(fēng)險(xiǎn)，首先要排除所有組件的含硫風(fēng)險(xiǎn)，避免含硫組件在高溫環(huán)境中硫擴(kuò)散，因此在新品設(shè)計(jì)時(shí)要充分評(píng)估組件導(dǎo)致硫化風(fēng)險(xiǎn)，可通過(guò)分析組件成分和高溫試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。

另外，為了從根源上改善避免TFT-LCD的LED硫化，梳理目前LED市場(chǎng)上的抗硫化方案，大致分為以下三類(lèi)：

（1）支架鍍層去銀化。如將鍍銀層改成鍍NiAu合金層，基于金的特性，NiAu合金層能大大地提高LED的抗硫化能力；此方法優(yōu)點(diǎn)是抗硫效果最佳，缺點(diǎn)是成本上升最多，且亮度衰減較大，不適合用于TFT-LCD產(chǎn)品。

（2）在鍍銀層上加保護(hù)層?？沽蛐Ч话?，亮度有輕微衰減，缺點(diǎn)是在冷熱沖擊下會(huì)有膜層脫落風(fēng)險(xiǎn)，不建議用于TFT-LCD產(chǎn)品。

（3）改變熒光膠膠體材質(zhì)，降低膠體透濕透氣率。根據(jù)膠材的材質(zhì)不同，抗硫效果有差異，但亮度無(wú)衰減，適合應(yīng)用于TFTLCD產(chǎn)品。后續(xù)可對(duì)比不同膠材材質(zhì)的抗硫效果，選擇抗硫較好的膠材進(jìn)行封裝。

目前TFT-LCD產(chǎn)品所用的LED缺乏抗硫能力。LED被硫化后，黑色的硫化銀附著于鍍銀層表面，影響LED熒光粉發(fā)出光的反射，進(jìn)而表現(xiàn)出對(duì)LED的光學(xué)影響：亮度和色坐標(biāo)Wy值衰減明顯，色坐標(biāo)Wx值衰減較小。

通過(guò)排查本次硫化原因得出：TFT-LCD產(chǎn)品的含硫組件有可能在高溫環(huán)境中會(huì)發(fā)含硫氣體導(dǎo)致LED鍍銀層支架硫化。并據(jù)此分析結(jié)論和市場(chǎng)分析提出提高TFT-LCD產(chǎn)品LED抗硫化特性的重要方向：（1）對(duì)TFT-LCD產(chǎn)品組件進(jìn)行排硫檢測(cè)，可通過(guò)成分分析和高溫測(cè)試方法進(jìn)行；（2）可通過(guò)降低熒光膠膠體對(duì)硫的滲透率來(lái)提升抗硫特性。