LED硫化對TFT-LCD產品的影響及硫化原因分析

北京京東方顯示技術有限公司 王曉紅 許向輝 徐習亮 王 超

本文研究了LED硫化對TFT-LCD的光學影響及引起硫化的原因分析。首先對TFT-LCD光學缺陷產品進行拆解分析及SEM-EDX分析，其次將硫粉與LED混合高溫高濕處理模擬復現LED硫化，研究硫化對LED光學參數的影響，最后通過SEM-EDX對TFT-LCD組件排查是否含硫并進行高溫高濕試驗驗證組件是否會導致LED硫化。通過試驗得出：高溫高濕硫化氣體環境會導致LED硫化，導致LED的光學參數色坐標Wy和亮度衰減，約50%的產品光學參數超行業標準。TFT-LCD中含硫組件透鏡下粘結膠會提供硫源導致LED硫化。據此提出TFT-LCD產品LED防硫化的方向：TFT-LCD部品除硫和降低熒光膠對硫的滲透率。

LED（發光二極管）因其具有色彩還原性好、節能、壽命長，作為大部分TFT-LCD模組產品的背光源使用。LED燈條硫化現象在很多應用領域中已被發現，如汽車車燈、LED照明燈等，例如目前已有相關領域LED硫化的改善報導，如汽車行業的羅姆（ROHM）公司推出過避免硫化的完全無銀的高亮度紅色LED“SML-Y18U2T”。LED作為TFT-LCD顯示產品的光源，對其光學性能有著更高的要求，但硫化失效報道較少，筆者在生產實際中遇到LED硫化導致TFT-LCD產品表現出色坐標偏低問題，對此進行了深入分析。

1 色坐標偏低的TFT-LCD不良品拆解分析

拆解不良品，測試背光源光學色坐標Wy值超標。進一步對背光源的LED燈條進行拆解分析，如圖1所示，不良品LED燈條鍍銀層及引腳處發黑。對不良和正常的LED膠體、引腳、支架鍍銀層進行SEM-EDX（Scanning Electron Mictoscopy-X-ray Energy Dispersive Analysis）分析，只有不良品的支架處檢測出S元素，見圖2所示。結果顯示：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 不良復現模擬：單顆LED與硫粉混合高溫高濕試驗

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，進行光學測試，結果見表1所示。按照行業判定合格標準為：亮度（Lux.）衰減≦20%，色坐標（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，按行業標準判定50%不達標。

表1 單顆LED與硫粉混合高溫高濕實驗前后光學數據

觀察實驗后LED表面與實驗前對比，目視可見支架黑化。而LED黑化的原因有兩類：一類是物理黑化，即是光源和燈具由于物理原因——如過電壓、過電流及結溫超標等因素引起的黑化；一類是化學黑化，即在LED封裝部件中或在固晶、焊接時使用的銀或錫元素產生硫化或鹵化引起的。

取與硫粉混合前色坐標OK的和與硫粉混合高溫高濕試驗后NG的單顆LED，去除膠體后在大基島附近位置進行SEM-EDX測試，結果如圖3所示，可見高溫高濕試驗后NG的單顆LED已經被硫化。

圖3 未處理過的LED(a)與實驗后NG LED(b)的SEM-EDX圖

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

圖4 LED硫化示意圖

3 TFT-LCD產品LED硫化風險排查

對LED易接觸物分別做SEM-EDX分析，排查是否含硫，原料類排查物包括：膠框、墊片、擴散片、棱鏡片、反射片、PCB、連接器，耗材類排查物包括：紙箱、周轉盤、泡棉、靜電衣、手套、錫膏、透鏡下粘結膠，結果只有擴散片和透鏡下粘結膠含硫，SEM-EDX見圖5所示。

圖5 擴散片(a)和透鏡下粘結膠(b)的SEM-EDX圖

為確定含硫物擴散片和透鏡下粘結膠是否會揮發硫化氣體使LED硫化，將其分別與正常的LED銀支架放在一個磨口瓶中，于85℃烘箱中7天后對LED銀支架做SEM-EDX，分析是否硫化，見圖6。與擴散片一起高溫的LED銀支架沒有黑化，且SEM-EDX圖顯示表面沒有腐蝕現象，無硫元素檢出；與透鏡下粘結膠一起高溫的LED銀支架目視黑化，且SEM-EDX圖顯示表面有腐蝕現象，且有硫元素檢出。這說明擴散片在高溫下不會揮發出硫化氣體導致LED硫化，而透鏡下粘結膠會揮發硫化氣體導致LED硫化。

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

綜上所述，本次TFT-LCD產品的LED硫化原因為透鏡下粘結膠會揮發硫化氣體導致。

4 抗硫化方案介紹

為了減少TFT-LCD的LED硫化風險，首先要排除所有組件的含硫風險，避免含硫組件在高溫環境中硫擴散，因此在新品設計時要充分評估組件導致硫化風險，可通過分析組件成分和高溫試驗進行評估。

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

（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；此方法優點是抗硫效果最佳，缺點是成本上升最多，且亮度衰減較大，不適合用于TFT-LCD產品。

（2）在鍍銀層上加保護層。抗硫效果一般，亮度有輕微衰減，缺點是在冷熱沖擊下會有膜層脫落風險，不建議用于TFT-LCD產品。

（3）改變熒光膠膠體材質，降低膠體透濕透氣率。根據膠材的材質不同，抗硫效果有差異，但亮度無衰減，適合應用于TFTLCD產品。后續可對比不同膠材材質的抗硫效果，選擇抗硫較好的膠材進行封裝。

目前TFT-LCD產品所用的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熒光粉發出光的反射，進而表現出對LED的光學影響：亮度和色坐標Wy值衰減明顯，色坐標Wx值衰減較小。

通過排查本次硫化原因得出：TFT-LCD產品的含硫組件有可能在高溫環境中會發含硫氣體導致LED鍍銀層支架硫化。并據此分析結論和市場分析提出提高TFT-LCD產品LED抗硫化特性的重要方向：（1）對TFT-LCD產品組件進行排硫檢測，可通過成分分析和高溫測試方法進行；（2）可通過降低熒光膠膠體對硫的滲透率來提升抗硫特性。