全产业链努力 提升户外SMDLED 显示屏的可靠性
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近年户外标贴显示屏因其相对于灯管（346、546等）户外显示屏而言，在混光效果和安装工艺上具有极大的优越性，因而需求有大幅度的增加，同时也出现诸多可靠性问题，引起的质量纠纷也时有发生。因此笔者认为，对户外用SMDLED以及由SMDLED制作的户外显示屏的可靠性进行整理、研究、分析，集思广益，总结整理出有关的制造、检验、使用的规范，制定相关标准，应是当务之急。
笔者认为，对于户外SMDLED和户外SMDLED显示屏可靠性问题，要考虑以下问题：
（一）曾经有网友指出，封装材料，PPA（聚邻苯二甲酰胺），环氧树脂，金属的热胀系数差异，在环境温度变化或管子工作时温升时造成LED引线开路，从而造成死灯，就是LED户外表贴显示屏的“命门”所在。确切地说，这只是“命门”的一个部分，或许还不是当前户外SMDLED显示屏可靠性问题的最关键的部分。实际上，封装材料与引线金属的热胀系数不同，热胀冷缩造成LED内部应力的问题是各种LED管都有的问题，经过业界十年以上的研究发展，已经在很大程度上得到解决。众所周知，直插式灯管的封装材料也是环氧树脂，引线也是金丝，而目前如346，546等经典户外用LED直插式灯管因引线热胀系数差异引起的死灯现象已非常少见，可以说问题已基本解决。可见封装厂家在材料工艺上采取措施是可以有效地解决这个“命门”。事实上多数生产SMDLED的封装厂家就已经采取措施，也取得成效。SMDLED产品出厂前检验中要进行的包括高低温存贮，高低温冲击，潮湿试验，机械震动和冲击等例行试验能有效地检验这一类可靠性问题。
（二）户外SMDLED封装材料热胀系数的差异的影响可能更多的是影响器件的密封性。首先，无论是SMDLED还是直插式灯管，其金属引线（管脚）与树脂的热胀系数不同，在冷热变化的情况下，它们的界面会出现细小的缝隙，久而久之，产生裂纹。环氧树脂等封装本身，因工艺的缺陷其致密性也有可能存在缺陷，这样，水汽或其他有害气体就可能侵入，造成危害。PPA材料吸湿性相对较大，在潮湿环境下其湿应力也会造成密封性缺陷。对此，必须在材料和封装工艺方面寻找解决方法。制作户外显示屏，普遍采用封胶的办法，能有效解决这个问题。可惜对于户外SMDLED显示屏，封胶的方法效果有限。众所周知，直插式灯管封胶时是自PCB板向上，一直封到管帽高度，且将部分管帽封住，也就是说，把管脚出线处淹没在密封胶里，只要保证密封胶与管子封装材料的良好连接，就可以解决金属引线与封装树脂的热胀系数差异引起的密封性问题。
但是户外SMFLED显示屏的问题要大些。SMDLED的困难在于，除了引线问题之外，它的出光窗口的材料（多为环氧树脂）与外壳（采用PPA）的材料的连接处的缝隙也会造成密封性不佳的问题；首先是它们的热胀系数的不同，其次这两种材料本身的接触性不够好，这样温度变化必然产生细微缝隙，导致密封性变差。为此要采用好的密封胶水改善其接触性。很显然，SMDLED出光窗口处不同材质的材料接触面的大小比引线出线处的要大得多，所以这种潜在的漏气的危险也大得多。户外SMDLED屏幕尽管也可以采用封胶方法，把引线灌封住，但一般不能把出光窗口也灌封起来，这就使得户外SMDLED显示屏密封性远比直插式灯管屏的密封性差。
（三）同样，对于有害气体如腐蚀性气体、盐雾等的危害，户外SMDLED显示屏的抗御能力也比直插式灯管显示屏要差很多。事实上，国内外知名厂商的在推出户外SMDLED器件和屏幕产品方面，是十分慎重和稳健的，有的厂商尽管室内SMDLED已经十分广泛使用，仍然迟迟不推出用于户外的SMDLED产品，这当然有他的原因。还有的厂商在制作户外SMDLED显示屏时，尽管已经采用适于户外用的SMDLED器件，仍然使用专门设计的防护罩或采用其他防护措施，例如整体灌胶等。这样当然增加成本和并且损失一些光能输出，但是可靠性得到更大的保障。
目前国内外许多封装厂商推出户外用SMDLED器件产品，这是产品开发和技术进步的成果，负责任的厂商在可靠性方面是做了大量的工作，经过必要和足够的试验验证，有的还为此申报并获得若干专利和奖励。但另一方面，其成熟程度确实尚待更多的应用来证实。
不过笔者看来，密封性的问题，还是不能掉以轻心，应用户外SMDLED产品制作户外显示屏，仍应非常慎重，应当详细了解工作环境和工作条件，采取足够的防护措施，精心设计精心施工。在把握不大的场合，例如可靠性要求特别高或环境特别恶劣，或有腐蚀性气体的场合，宁可采取更多的措施，或避免使用SMDLED。
（四）SMDLED屏幕的制作，与直插式LED灯管显示屏最大的不同在于，直插式灯管的装焊，采用波峰焊或人工手焊，而SMDLED必须采用回流焊。波峰焊是将元器件插装好以后，将PCB板通过熔融的焊锡池，这时受热的是PCB板和元器件的引脚，以LED管而言，受热点在引线与PCB的接触焊点处，距离LED的PN结一般有10mm左右。而回流焊完全不同，它是整个器件加热的，在预热阶段，整个器件被加热到150~200oC，焊接时的温度更达到240~260oC，这样LED受热的情况比起直插式灯管要严峻的多得多。为了保证回流焊的质量，又保证SMDLED和其他元器件安全可靠，厂商在SMDLED产品技术条件中都会提供一个回流焊应遵循的温度分布曲线，也就是在预热阶段，保温阶段，回流阶段和冷却阶段的温度分布要求，包括温度上升速率控制，最高焊接温度，保持高于某一焊接温度的最大时间，以及冷却速率等重要参数，技术条件一般也都会着重说明，必须按照该曲线来调控回流焊的温度和过回流焊的时间，否则有可能损坏或伤害SMDLED器件。因此，屏幕制造厂家应当根据这个温度分布曲线和焊料焊剂条件控制好回流焊的温度分布特性。还要特别指出的是，各个厂家的不同型号的SMDLED的温度控制曲线是不同的，屏幕制作厂家应根据所用的SMDLED调整回流焊温度控制过程，这样才能保证避免发生器件损坏或受损，或是造成安全隐患，也就是当时并不立即表现出来，而是在屏幕运行一段时间后再变成死灯。
（五）元器件的湿度敏感等级对于回流焊前的准备工作极为重要。显示屏所用的SMDLED和塑料封装的各种元器件如贴片电阻、贴片电容都属于非密封型固态表面贴装组件。它们在存贮或进行回流焊之前的工序中，如果吸收了湿气，那么，当这类封装暴露在回流焊的高温时，封装内的蒸汽压力会大幅增加，在特定状况下，该压力会造成封装材料发生内部脱层从而脱离晶粒及（或）导线框/基座，或是发生未扩展到封装外面的内部裂缝、或是邦定损伤、金属线窄化、邦定翘起、薄膜裂缝、或邦定下方凹口等等损伤，以最严重的状况来说，这个应力会造成封装外部裂缝，即称为“爆米花”的现象。器件当即损坏，还可能会造成其他元器件或设备的损伤。JEDEC规定湿气敏感等级分为8级，在进行回流焊之前必须按其等级和环境条件对器件进行消除湿气的处理，对于密封包装的元器件在拆封时间超过一定时间（车间寿命）的要进行烘烤除湿，烘烤的条件和烘烤时间也有规定（参见JEDEC《非密封型固态表面贴装组件的湿度/回流焊敏感性分类标准》IPCJ-STD020D.1）。所以，SMDLED器件的存贮保管和焊前准备要求非常严格。SMDLED出厂时必须用密封包装，包装上注明产品的湿气敏感度等级，包装内还有吸潮剂，一般密封包装和吸潮剂保质期为一年，存贮超过一年的SMDLED其质量已经无法保证，不能使用。因此，SMDLED是不能在仓库保藏太久的。同时在SMDLED从密封包装取出后，应当在24小时内过回流焊，否则必须经过恒湿恒温箱烘烤。
不仅仅是SMDLED，凡属SMD器件的回流焊都必须高度重视，如果元器件不满足湿敏条件，（塑封元器件都属于这种类型）都必须确保没有水汽侵入，或在焊前进行烘烤，否则，在过回流焊的时候就会发生脱层现象。损坏元器件。
（六）无论是室内用的LED还是户外用的LED，也不分是何种封装，直插式还是表面贴装式，静电放电都会造成损坏。而且静电损伤具有隐蔽性、潜在性、随机性和积累性，对于显示屏的可靠性和寿命影响极大。只有在生产、运输、存贮、处理的每一个环节都采取足够的静电防护措施，才能保证器件长期安全有效的运用。
（七）用于户外的LED显示屏，无论是直插式灯管还是SMDLED显示屏，如何抵御紫外线的侵害，是一个重要的课题，紫外线会导致半导体材料性能的改变，降低LED的发光效率，同时又使得封装材料老化，降低气密性和透明度，使得LED的发光能力下降，屏幕亮度下降，而且环氧树脂透明度降低，不仅出光效率下降，导致亮度下降，而且有更多的光被吸收，又使得结温上升，最终影响管子的寿命。解决的途径是采用抗紫外线性能好的封装材料和胶水。
（八）实现和提升LED显示屏的可靠性是一个系统工程问题，涉及企业的方方面面。LED灯管和SMDLED芯片的可靠性是最重要的要素，除此之外，还要良好的设计、生产、安装、使用和维护，可靠性工程说到底是企业的综合实力的集中体现。至于户外SMDLED显示屏，作为LED显示屏的新品种，其优越性和发展前景毋庸置疑。但是毕竟历史较短，经验也有限，积累的数据也不多，为了不断提高户外SMDLED显示屏的性能和可靠性，需要全行业，上下游厂商共同努力，形成良好的互动，相辅相成，共谋发展。当务之急，是制定相关标准。这已经成为业内企业家和专家的共识，行业协会也已经着手委托业内有影响的厂商组织起草标准，不久将进入评审报批阶段，也希望得到更多的企业和专家的关注和支持。
作者简介：李熹霖（1939-），毕业于清华大学无线电电子学系，长期在中国电子科技集团公司第十四研究所从事信号和图像处理研究工作，现为14所退休人员。1989年起从事LED显示研究和产业化工作，曾任南京洛普公司总工程师（1990-2001），深圳键合隆公司总工程师（2001-2002），南京大贺显示系统公司总工程师（2002-2003），江苏亿科达技术发展有限公司高级顾问（2003-2006）等。现为中国光学光电子行业协会LED显示应用分会技术组组长，发表LED应用论文20余篇。
本文章由澳镭照明电器整理发布,澳镭照明官方网站:www.aooled.com
