LED鉴定、测试及失效分析

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广电计量 杜亚俊 先生

LED支架镀银层来料检验

    LED支架的镀银层质量非常关键,关系到LED光源的寿命。电镀银层太薄,电镀质量差,容易使支架金属件生锈,抗硫化能力差,从而使LED光源失效。即使封装了的LED光源也会因镀银层太薄,附着力不强,导致焊点与支架脱离。而一般的LED封装企业都不具备检验支架电镀银层质量的能力,这就让一些电镀企业有隙可乘,电镀支架功能区的镀银层减薄,减少成本支出。针对这种现象,广电计量推出LED支架镀银层的来料检验业务,帮助LED封装厂选择品质可靠的支架。
服务客户:LED封装厂, LED支架厂
    对镀层质量进行检验是电镀质量事后把关的重要手段。广电计量LED支架镀银层来料检验项目包括支架基体材质、镀层的质量、镀层的厚度和均匀度的检验等。
执行标准:HSJ20146-92 银电镀层总规范
1.鉴定支架基体材质
    目前市场上有铁支架、铝支架、黄铜支架、紫铜支架等,铝支架最便宜,然后是黄铜,最后是紫铜。铁支架导热性最差、铝和黄铜次之,紫铜最好。很多封装厂承诺支架是紫铜,其实就是黄铜或者掺假的紫铜。 
    不同材料的支架对LED性能的影响也不同,特别是对光衰的影响尤为突出。这主要是由于铜的导热性能比铁、铝的好很多,铜的导热系数是398W(m.k),而铁的导热系数只有50W(m.k)左右,仅为前者的1/8。
2.鉴定电镀层表面形貌质量
    好的电镀层应该镀层结晶细致、平滑、均匀、连续,不允许有污染物、化学物残留、斑点、黑点、烧焦、粗糙、针孔、麻点、裂纹、分层、起泡、起皮起皱、镀层剥落、发黄、晶状镀层、局部无镀层,和树枝状、海绵状和条纹状的镀层等缺陷。结晶组织较细的镀层,其防护性能和外观质量都较理想。       铜基体金属的表面状态,其清洁程度和粗糙度对镀银覆盖能力也有较大的影响。金属在基体的不洁净部位沉积比洁净部位要困难,甚至可能完全没有镀层。铜基体的不洁净通常指表面有锈、钝化膜、油污或者表面活性剂的污染等。铜基体金属表面粗糙时,其真实面积比表观面积大得多,致使真实电流度比表观电流密度小得多。如果某部位的实际电流密度太小,达不到金属的析出电势,那么在该处有没有金属沉积。
    粗糙的镀银层表面容易使电镀溶液渗入孔隙内,往往在经过一定时间以后,出现黑色的斑点,这种现象在电镀术语上,称为泛点或渗点。产生渗点的原因是由于零件浸入电镀槽时,电镀溶液渗入零件的孔隙内,这样,当电镀完毕并经过一定的时间以后,藏于孔隙内的电镀溶液往外流渗出,并与镀层金属作用,结果生成斑点状的腐蚀产物。
    镀银层表面粗糙多孔,更易凝聚水分和进入腐蚀性介质而引起镀银层变色。镀银层表面空隙的存在,从物体表面能级这一角度讲无疑说明其镀层的“比表面”(实际表面与单位面积之比)是比较大的,进而使其表面能级产生较大的能级梯度。由于不同能级的金属具有不同的电位,必然存在腐蚀微电池。表面状态不佳的镀银层与光亮平滑的镀银层或纯银表面相比更易变色,就是因为在晶格有缺陷的地方要比晶格完整的区域更有利于变色膜的成核和生长。这就是从宏观角度看银镀层容易产生腐蚀(变色)的原因之一。而且由于镀银层表面不如纯银表面的晶格致密,使得镀银层 比纯银更易吸附大气中的氧、水蒸气、硫等杂质,从而导致了镀银层比纯银表面更易变色。
3.测量支架镀层的厚度和均匀度(氩离子抛光)
    市场上现有的LED光源选择铜作为引线框架的基体材料。为防止铜发生氧化,一般支架表面都要电镀上一层银。如果镀银层过薄,在高温条件下,支架易黄变。镀银层的发黄不是镀银层本身引起的,而是受银层下的铜层影响。在高温下,铜原子会扩散、渗透到银层表面,使得银层发黄。铜的可氧化性是铜本身最大的弊病。当铜一旦出现氧化状态,导热和散热性能都会大大的下降。所以镀银层的厚度至关重要。同时,铜和银都易受空气中各种挥发性的硫化物和卤化物等污染物的腐蚀,使其表面发暗变色。有研究表明,变色使其表面电阻增加约20~80%,电能损耗增大,从而使LED的稳定性、可靠性大为降低,甚至导致严重事故。
    在电镀生产实践中,金属镀层的厚度及镀层的均匀性和完整性是检查镀层质量的重要指标之一,因为镀层的防护性能、孔隙率等都与镀层厚度有直接关系。特变是阴极镀层,随着厚度的增加,镀层的防护性能也随之提高。如果镀层的厚度不均匀,往往其最薄的地方首先被破坏,其余部位镀层再厚也会失去保护作用。
    LED支架镀层厚度异常导致的失效在广电计量接触的失效案例占了很高的比例。由于大部分LED企业没有准确测量支架镀层厚度的仪器,因此不良支架容易蒙混过关,影响LED行业的健康发展。目前常见的测量镀层的厚度方法是利用金相研磨、抛光制作镀层截面样品,再通过SEM拍摄的高倍率图片并测量尺寸。但由于金属镀层有一定的延展性(尤其是镀银层),金相磨抛过程中会导致金属有划痕、变形,产生假象,造成测量错误,影响判定。为了解决该问题,广电计量提出利用离子抛光法制作LED支架截面样品。离子抛光法加工应力小,制作出来的截面没有变形,表面质量非常高,镀层结构不会发生变化,可以更加精确地测量镀层厚度。    
4.镀层内部结构质量鉴定(抗氧化腐蚀能力)(FIB测试)
    金属特性受晶粒大小、杂质共析量、内应力以及结晶择优取向等因素的影响。不合格的镀层,其镀铜层、镀镍层厚度和质量都会有差别,而这些差别用传统的制样手段是观测不出来,用聚焦离子束显微镜做截面制样,用场发射电镜观察,每层晶格织构和内部缺陷却能一清二楚。镀银、镀铜和镀镍层的厚度和质量优化是LED支架抗氧化腐蚀的基础。
镀银层质量与基体质量的关系
    因为电镀层厚度是按微米计算,并不能很好履盖住产品基底的一些缺陷。事实上,许多基底上的毛病,在经电镀后,反而会变得更加明显。象什么:产品孔洞、暗泡、水波纹、机加工或打砂抛光后留下的纹路。再有一件工件的冲、压、钻或热处理的方式对电镀质量有非常大的影响。嵌入工件表面的那些难以除去的油污,或是其它什么东西,会导致镀层白雾、结合力差。镀层的平整程度、结合力、抗腐蚀能力等等性能的好坏与镀前处理密切相关。选用最好的电镀药水或工艺体系并不能改变这样一个事实:工件表面前处理不良,会浪费许多的时间、金钱、与身心疲备!
5.抗硫性试验
    按SJ20146-92 银电镀层总规范执行,在1%的硫化钠溶液中,温度控制在15-25度条件下,浸渍30分钟,镀银层不应变色。
6.弯曲试验
    按SJ20146-92 银电镀层总规范执行,将试样放在固定芯轴曲率半径4mm的弯曲试验机中(或用其他适当的方法),弯曲试样到90度,再回到原状,反复弯曲不少于三次。在放大8倍或4倍具有照明的观察器下检查电镀层是否分离。
7.热震试验
    按SJ20146-92 银电镀层总规范执行,根据不同基体金属试样,采用不同炉温,铁为300C,铜和铜合金为250C的炉子中加热大约30min,然后浸入室温的水中,取出后,在放大8倍或4倍具有照明的观察器下检查电镀层是否起泡或脱落。

除此之外,客户还可以自行采用以下来料检验方法,选择可靠物料:
1. 外观检验:目视法、放大镜( 4~10倍) 。
2. 镀银层附着力试验:折弯法、胶带法或并用法。
3. 焊锡试验:沾锡法,一般95% 以上沾锡面积均匀平滑即可。
4. 水蒸气老化试验:测试是否变色或腐蚀斑点及后续之可焊性。
5. 抗变色试验:使用烤箱烘烤法,是否变色或脱皮。
6. 耐腐蚀试验:盐水喷雾试验、硝酸试验、二氧化硫试验、硫化氢试验。
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