LED硫化对TFT-LCD产品的影响及硫化原因分析

北京京东方显示技术有限公司 王晓红 许向辉 徐习亮 王 超

本文研究了LED硫化对TFT-LCD的光学影响及引起硫化的原因分析。首先对TFT-LCD光学缺陷产品进行拆解分析及SEM-EDX分析，其次将硫粉与LED混合高温高湿处理模拟复现LED硫化，研究硫化对LED光学参数的影响，最后通过SEM-EDX对TFT-LCD组件排查是否含硫并进行高温高湿试验验证组件是否会导致LED硫化。通过试验得出：高温高湿硫化气体环境会导致LED硫化，导致LED的光学参数色坐标Wy和亮度衰减，约50%的产品光学参数超行业标准。TFT-LCD中含硫组件透镜下粘结胶会提供硫源导致LED硫化。据此提出TFT-LCD产品LED防硫化的方向：TFT-LCD部品除硫和降低荧光胶对硫的渗透率。

LED（发光二极管）因其具有色彩还原性好、节能、寿命长，作为大部分TFT-LCD模组产品的背光源使用。LED灯条硫化现象在很多应用领域中已被发现，如汽车车灯、LED照明灯等，例如目前已有相关领域LED硫化的改善报导，如汽车行业的罗姆（ROHM）公司推出过避免硫化的完全无银的高亮度红色LED“SML-Y18U2T”。LED作为TFT-LCD显示产品的光源，对其光学性能有着更高的要求，但硫化失效报道较少，笔者在生产实际中遇到LED硫化导致TFT-LCD产品表现出色坐标偏低问题，对此进行了深入分析。

1 色坐标偏低的TFT-LCD不良品拆解分析

拆解不良品，测试背光源光学色坐标Wy值超标。进一步对背光源的LED灯条进行拆解分析，如图1所示，不良品LED灯条镀银层及引脚处发黑。对不良和正常的LED胶体、引脚、支架镀银层进行SEM-EDX（Scanning Electron Mictoscopy-X-ray Energy Dispersive Analysis）分析，只有不良品的支架处检测出S元素，见图2所示。结果显示：LED支架镀银层硫化。

图1 不良品与合格品LED的拆解照片

图2 合格品（a）与不良品（b）LED支架的SEM-EDX图

2 不良复现模拟：单颗LED与硫粉混合高温高湿试验

单颗LED与硫粉混合后放于广口瓶中密封，放置于老化封箱中温度85℃湿度85RH%，6h后取出，进行光学测试，结果见表1所示。按照行业判定合格标准为：亮度（Lux.）衰减≦20%，色坐标（Wx/Wy）衰减≦0.01。

如表1中所示，10颗LED与硫粉混合高温高湿后亮度和Wy值衰减明显，按行业标准判定50%不达标。

表1 单颗LED与硫粉混合高温高湿实验前后光学数据

观察实验后LED表面与实验前对比，目视可见支架黑化。而LED黑化的原因有两类：一类是物理黑化，即是光源和灯具由于物理原因——如过电压、过电流及结温超标等因素引起的黑化；一类是化学黑化，即在LED封装部件中或在固晶、焊接时使用的银或锡元素产生硫化或卤化引起的。

取与硫粉混合前色坐标OK的和与硫粉混合高温高湿试验后NG的单颗LED，去除胶体后在大基岛附近位置进行SEM-EDX测试，结果如图3所示，可见高温高湿试验后NG的单颗LED已经被硫化。

图3 未处理过的LED(a)与实验后NG LED(b)的SEM-EDX图

据此判定为化学黑化，即为支架镀银层的硫化：在高温和有水汽存在的条件下，银与硫或硫化物发生化学反应，生成黑色立方晶系晶体硫化银（Ag2S），硫化示意图见图4所示。黑色的硫化银附着于镀银层的上面，影响LED荧光粉发出光的反射，进而表现出对LED的光学影响：亮度和色坐标Wy值衰减明显，色坐标Wx值衰减较小。也因此可以看出目前TFT-LCD产品所用的LED缺乏抗硫能力。

图4 LED硫化示意图

3 TFT-LCD产品LED硫化风险排查

对LED易接触物分别做SEM-EDX分析，排查是否含硫，原料类排查物包括：胶框、垫片、扩散片、棱镜片、反射片、PCB、连接器，耗材类排查物包括：纸箱、周转盘、泡棉、静电衣、手套、锡膏、透镜下粘结胶，结果只有扩散片和透镜下粘结胶含硫，SEM-EDX见图5所示。

图5 扩散片(a)和透镜下粘结胶(b)的SEM-EDX图

为确定含硫物扩散片和透镜下粘结胶是否会挥发硫化气体使LED硫化，将其分别与正常的LED银支架放在一个磨口瓶中，于85℃烘箱中7天后对LED银支架做SEM-EDX，分析是否硫化，见图6。与扩散片一起高温的LED银支架没有黑化，且SEM-EDX图显示表面没有腐蚀现象，无硫元素检出；与透镜下粘结胶一起高温的LED银支架目视黑化，且SEM-EDX图显示表面有腐蚀现象，且有硫元素检出。这说明扩散片在高温下不会挥发出硫化气体导致LED硫化，而透镜下粘结胶会挥发硫化气体导致LED硫化。

图6 与扩散片(a)和透镜下粘结胶(b)共同高温的LED银支架的SEM-EDX图

综上所述，本次TFT-LCD产品的LED硫化原因为透镜下粘结胶会挥发硫化气体导致。

4 抗硫化方案介绍

为了减少TFT-LCD的LED硫化风险，首先要排除所有组件的含硫风险，避免含硫组件在高温环境中硫扩散，因此在新品设计时要充分评估组件导致硫化风险，可通过分析组件成分和高温试验进行评估。

另外，为了从根源上改善避免TFT-LCD的LED硫化，梳理目前LED市场上的抗硫化方案，大致分为以下三类：

（1）支架镀层去银化。如将镀银层改成镀NiAu合金层，基于金的特性，NiAu合金层能大大地提高LED的抗硫化能力；此方法优点是抗硫效果最佳，缺点是成本上升最多，且亮度衰减较大，不适合用于TFT-LCD产品。

（2）在镀银层上加保护层。抗硫效果一般，亮度有轻微衰减，缺点是在冷热冲击下会有膜层脱落风险，不建议用于TFT-LCD产品。

（3）改变荧光胶胶体材质，降低胶体透湿透气率。根据胶材的材质不同，抗硫效果有差异，但亮度无衰减，适合应用于TFTLCD产品。后续可对比不同胶材材质的抗硫效果，选择抗硫较好的胶材进行封装。

目前TFT-LCD产品所用的LED缺乏抗硫能力。LED被硫化后，黑色的硫化银附着于镀银层表面，影响LED荧光粉发出光的反射，进而表现出对LED的光学影响：亮度和色坐标Wy值衰减明显，色坐标Wx值衰减较小。

通过排查本次硫化原因得出：TFT-LCD产品的含硫组件有可能在高温环境中会发含硫气体导致LED镀银层支架硫化。并据此分析结论和市场分析提出提高TFT-LCD产品LED抗硫化特性的重要方向：（1）对TFT-LCD产品组件进行排硫检测，可通过成分分析和高温测试方法进行；（2）可通过降低荧光胶胶体对硫的渗透率来提升抗硫特性。