LED漏電的原因

在導(dǎo)讀部分，羅列了一些人給出的造成LED漏電的原因。根據(jù)本人多年處理LED問(wèn)題及使用LED的經(jīng)驗(yàn)，本人認(rèn)為，在目前，最可能導(dǎo)致LED發(fā)生漏電的主要原因排序應(yīng)該如下：
(1)芯片受到沾污 (——最主要、高發(fā)問(wèn)題)
(2)銀膠過(guò)高
(3)打線偏焊
(4)應(yīng)力
(5)使用不當(dāng)
(6)晶片本身漏電
(7)工藝不當(dāng)，使得芯片開(kāi)裂
(8)靜電
(9)其它原因

1. 芯片受到沾污引起漏電

LED芯片是非常小的，灰塵等易對(duì)它產(chǎn)生遮蔽作用，最重要的是灰塵、水汽、各種雜質(zhì)離子會(huì)附著與芯片表面，不僅會(huì)在表面對(duì)芯片內(nèi)部產(chǎn)生作用，還會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入芯片內(nèi)部產(chǎn)生作用。比如，銅離子、鈉離子都很容易擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體材料中，非常微小的數(shù)量就可以使半導(dǎo)體器件的性能?chē)?yán)重惡化。對(duì)于半導(dǎo)體器件的制造，通常都要求有凈化等級(jí)非常高的潔凈廠房?？梢钥疾煲幌翷ED封裝廠，上千家之中有幾家的廠房能有什么樣的潔凈等級(jí)?絕大多數(shù)都是能與大氣直接相通的房間，根本談不上凈化。雖然有人會(huì)說(shuō)，“我們的廠房沒(méi)有灰塵，很潔凈”，可是，潔凈程度不是用眼睛來(lái)看的!眼睛是根本看不到芯片生產(chǎn)和封裝要求的潔凈程度的，必須是用專門(mén)的儀器來(lái)檢測(cè)。不僅僅要求廠房要達(dá)到要求的潔凈度，對(duì)涉及到芯片裸露的工序，工作人員要穿凈化工作服，戴工作帽，戴口罩，工作人員不許涂化妝品等。這些個(gè)嚴(yán)苛生產(chǎn)條件，目前對(duì)LED封裝廠來(lái)講，不是想不到，就是不愿做。不愿做的原因非常簡(jiǎn)單，成本上的增加無(wú)法接受——競(jìng)爭(zhēng)太激烈。封裝廠房達(dá)不到要求的潔凈程度，那么，LED的質(zhì)量問(wèn)題就來(lái)了。

早期的LED芯片以及現(xiàn)在很多廠家的芯片，都沒(méi)有在芯片的側(cè)面做保護(hù)層?，F(xiàn)在國(guó)外一些芯片廠商已經(jīng)開(kāi)始在芯片的側(cè)面做保護(hù)層了。但是，現(xiàn)在的保護(hù)層一般是采用二氧化硅材料，而且厚度很薄，保護(hù)能力是有限的。在潔凈度很差的封裝廠，仍然會(huì)由于沾污造成漏電現(xiàn)象。

1.1 芯片側(cè)面沒(méi)有做鈍化

很多芯片由于各種因素，沒(méi)有對(duì)芯片的側(cè)面做鈍化保護(hù)，使得芯片劃片后，PN結(jié)在側(cè)面裸露于空氣中。如圖1所示。

以前未作側(cè)面鈍化的圓片，劃片方法見(jiàn)圖2和圖3.從圖4對(duì)實(shí)際芯片包裝的照片上就可以證明芯片側(cè)面是不做鈍化的。因?yàn)閺恼掌峡梢钥吹?，芯片?cè)面極不規(guī)整。為什么這樣芯片還可以出廠呢?因?yàn)?，在芯片廠里，側(cè)面即使沒(méi)有保護(hù)層，由于廠房的潔凈度高，加之裸露時(shí)間不長(zhǎng)，側(cè)面還沒(méi)有受到沾污，所以測(cè)量是沒(méi)有漏電的，就將它們出廠了。
為什么這樣的狀況就會(huì)造成漏電呢?下面就要從微觀結(jié)構(gòu)上來(lái)講講了。
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圖5是一個(gè)晶體表面處的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。表面處原子外層電子數(shù)不飽和，存在懸掛鍵。這些懸掛鍵形成表面態(tài)能級(jí)，引起漏電【3】【4】。而且，這些懸掛鍵非常有活性，很容易吸附其它分子、原子和離子。所吸附的雜質(zhì)發(fā)生電離，直接就形成了電流通道。這個(gè)電流通道相當(dāng)于給PN結(jié)并聯(lián)了一個(gè)電阻。
這種表面沾污造成的漏電及短期失效問(wèn)題，早已被半導(dǎo)體元器件制造行業(yè)認(rèn)識(shí)，并通過(guò)制作保護(hù)層來(lái)加以解決。

1.2 芯片側(cè)面有保護(hù)層

現(xiàn)在有些LED芯片廠在芯片側(cè)面也做上了二氧化硅保護(hù)層。但是，即使是PN結(jié)端面上有二氧化硅保護(hù)層，由于制造方面的原因，在二氧化硅中可能會(huì)有可移動(dòng)的離子存在。在封裝廠的不潔凈環(huán)境中，還會(huì)收到沾污。所以，沒(méi)有良好的二氧化硅生產(chǎn)工藝，沒(méi)有達(dá)到潔凈等級(jí)的封裝廠房，LED封裝后出現(xiàn)漏電的幾率仍然是很高的。

二氧化硅層中的可移動(dòng)離子移動(dòng)到半導(dǎo)體材料表面，可能使P型材料表面產(chǎn)生耗盡層，嚴(yán)重的發(fā)生反型,從而發(fā)生漏電。

在通常的硅半導(dǎo)體器件制造中，為了解決二氧化硅的問(wèn)題，一般會(huì)在芯片功能制造完畢后，再增加一層鈍化層?，F(xiàn)在常用的是氮化硅材料。這樣會(huì)大大提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性【5】【6】。這些不是本文討論的內(nèi)容，提及它只是提醒大家，在LED中，雖然有二氧化硅保護(hù)層，但后期不注意保潔，還是會(huì)有漏電問(wèn)題的。
對(duì)于二氧化硅中含可移動(dòng)離子及沾污對(duì)漏電的更詳細(xì)的分析，讀者可以參考有關(guān)半導(dǎo)體的資料，如半導(dǎo)體物理、晶體管原理、半導(dǎo)體器件制造工藝等書(shū)籍。

1.3 沾污漏電的表現(xiàn)

晶體管的漏電，可能是PN結(jié)制造不良產(chǎn)生，也可能是沾污造成。通常，PN結(jié)不良或受損產(chǎn)生漏電是不可恢復(fù)的，具有正、反向漏電狀況基本相同的特征，而且常表現(xiàn)為完全穿通。沾污造成的漏電，觀察其伏安特性，通常有多種表現(xiàn)，如：正、反向漏電的伏安特性曲線不同;反向擊穿電壓蠕變;正向伏安曲線蠕變;嚴(yán)重的也會(huì)表現(xiàn)出正、反向都是穿通的狀況等。沾污漏電還表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，某些狀況下，漏電狀況還會(huì)暫時(shí)恢復(fù)正常，即暫時(shí)不漏電。

下面通過(guò)一些實(shí)例來(lái)看看沾污對(duì)LED帶來(lái)的漏電表現(xiàn)。
實(shí)例一：被反向電壓擊正常的LED
白光LED，測(cè)試正向時(shí)，有漏電，見(jiàn)圖7(a)。測(cè)反向時(shí)，在反向電壓小于某個(gè)值時(shí)，可以看到有很大的漏電，圖7(b)中的反向電壓為10V。當(dāng)著反向電壓繼續(xù)增大時(shí)，漏電突然消失，呈現(xiàn)不漏電的狀況。圖7(c)中漏電消失時(shí)的發(fā)現(xiàn)電壓約大于10V。此時(shí)再測(cè)試正向伏安特性，可以看到，漏電完全消失，LED恢復(fù)正常。見(jiàn)圖7(d)。但是，這種恢復(fù)正常是暫時(shí)的，放置一段時(shí)間后，LED又會(huì)出現(xiàn)漏電。測(cè)試時(shí)，還會(huì)重復(fù)上述過(guò)程。

從正、反向的漏電曲線看，它們的漏電程度是不同的。
這種反向電壓擊正常的現(xiàn)象，分析為外加電場(chǎng)使得沾污離子的再分布，使其遠(yuǎn)離PN結(jié)端面區(qū)域。因而使得PN結(jié)端面恢復(fù)正常。但是放置一段時(shí)間，由于溫度的變化，或在正向電壓作用下，沾污離子又會(huì)遷移到PN結(jié)端面附近，重新造成漏電。
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實(shí)例二、反向電流蠕變，較高反電下漏電消失。
讀者可以先看一下附件1的實(shí)測(cè)視頻——反向電壓擊正常的LED。
在此示例中可以看到，在施加反向電壓時(shí)，隨著電壓的升高，反向電流忽大忽小，即發(fā)生蠕變現(xiàn)象。當(dāng)著反向電壓高到某個(gè)值時(shí)，漏電流消失了。再測(cè)正向特性，可以看到是正常的，沒(méi)有漏電流了。不過(guò)，這種恢復(fù)正常也是暫時(shí)的，放置一段時(shí)間后又會(huì)恢復(fù)漏電狀況。

實(shí)例三、反向漏電蠕變非常大，正向漏電蠕變，到VF時(shí)不漏電。 讀者可以先看一下附件2的實(shí)測(cè)視頻——大漏電會(huì)亮的LED。
本例與實(shí)例一不同的是，在較高反壓下也沒(méi)能使漏電消失，并且反向漏電非常大。但是在正向時(shí)，漏電并沒(méi)有反向的大，在正向?qū)ê?，漏電狀況反倒消失了。
實(shí)例四、反向漏電不是很大，正向電壓小于VF時(shí)漏電很大，到VF之后漏電變到很小。 讀者可以先看一下附件3的實(shí)測(cè)視頻——沾污漏電。
實(shí)例五、正向點(diǎn)亮前漏電非常大，到VF時(shí)基本正常。而反向漏電遠(yuǎn)比正向漏電小。 讀者可以看一下附件4的實(shí)測(cè)視頻――LED非擊穿漏電。
實(shí)例六、LED產(chǎn)品嚴(yán)重漏電，類似穿通。解剖出芯片后，芯片正常，沒(méi)有漏電。

1.4 沾污漏電的判定

沾污漏電和PN結(jié)或體材料受損漏電的區(qū)分，有些狀況很難直接判定，需要解剖取出芯片來(lái)觀察分析。但是，有些現(xiàn)象確實(shí)可以區(qū)分的。比如上面的六個(gè)實(shí)例中都是沾污造成的漏電。

2. 銀膠過(guò)高造成漏電

這個(gè)問(wèn)題在LED封裝業(yè)中已是常識(shí)性的、看得見(jiàn)的問(wèn)題了，無(wú)需我多啰嗦了。

3. 打線偏焊造成漏電

這個(gè)問(wèn)題在LED封裝業(yè)中也是常識(shí)性的、看得見(jiàn)的問(wèn)題了，也無(wú)需我多啰嗦了。

4. 應(yīng)力造成漏電

應(yīng)力，往往是看不見(jiàn)的，若對(duì)材料的一些基本性質(zhì)不了解，則不太好理解這個(gè)問(wèn)題。其實(shí)，應(yīng)力相對(duì)于日?？梢?jiàn)的比如推土機(jī)推土那樣大的力相比，它是很難看得見(jiàn)的作用力而已。它往往是由于材料的熱脹冷縮而產(chǎn)生。應(yīng)力的影響往往是在兩種材料的接觸方面。應(yīng)力作用可以是直接壓力，也可以是與材料接觸面平行的橫向剪切力。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在兩根鐵軌之間是有一段間隙的，如果將這個(gè)間隙留的很小，當(dāng)溫度升高時(shí)，兩段鐵軌的端面就會(huì)接觸，甚至擠壓變形。這就是應(yīng)力作用。當(dāng)兩種不同的材料粘結(jié)接觸時(shí)，當(dāng)溫度發(fā)生變化，若兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，在接觸面由于延伸或收縮尺度不同，相互間產(chǎn)生拉力，這就是橫向的剪切應(yīng)力。

在LED中，有不同的材料，熱膨脹系數(shù)是不同的。在溫度反復(fù)變化的過(guò)程中，各物質(zhì)不可能回復(fù)到它們最初接觸時(shí)的狀態(tài)，相互間會(huì)保持有一定的應(yīng)力。但不一定會(huì)有害。只有當(dāng)膨脹系數(shù)相差太大、工藝條件不合適時(shí)，就可能留下很大的應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力嚴(yán)重的會(huì)壓壞芯片，使芯片破損，造成漏電、部分區(qū)域裂開(kāi)而不亮，嚴(yán)重的徹底開(kāi)路不亮。應(yīng)力不是很大時(shí)，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

原本在LED的側(cè)面就存在著懸掛鍵，應(yīng)力的作用，使得表面原子發(fā)生微位移，這些懸掛鍵的電場(chǎng)更加處于一種不平衡狀態(tài)，從而造成端面PN結(jié)處的能級(jí)狀態(tài)發(fā)生改變，造成漏電。

5. 使用不當(dāng)造成漏電

這種狀況一般較少發(fā)生。當(dāng)較高的反向電壓加給LED，可能損壞PN結(jié)，造成漏電。
這種損壞，和靜電損壞的機(jī)理是相同的。如果不是當(dāng)事人自己確認(rèn)，封裝廠的工程師單憑損壞的樣品來(lái)看，是很難分辨的。

6. 芯片本身漏電

通常，這種情況也是較少發(fā)生。除非芯片的次品出廠。
一般來(lái)講，芯片在制造廠是不容易受到沾污的。但是，在芯片的后續(xù)分選、包裝時(shí)，是有可能發(fā)生沾污的。本人看到過(guò)某芯片廠的后續(xù)分選、包裝車(chē)間環(huán)境就是沒(méi)有凈化等級(jí)的普通廠房。

7. 工藝不當(dāng)，使得芯片開(kāi)裂

芯片底部膠體不均勻，或焊盤(pán)下面有空洞，打線時(shí)可能損傷芯片產(chǎn)生漏電或失效。 焊線機(jī)調(diào)整不當(dāng)，打傷芯片，產(chǎn)生漏電或失效。

8. 靜電問(wèn)題

在LED行業(yè)，似乎將靜電當(dāng)成了損壞LED的頭號(hào)大敵。但本人卻不這么認(rèn)為。相反，將它當(dāng)成次要問(wèn)題。
對(duì)于靜電對(duì)LED的損壞問(wèn)題，本人在一些論壇里有談過(guò)【7】?，F(xiàn)在將那些內(nèi)容搬過(guò)來(lái)，并加以補(bǔ)充，以便大家閱讀與了解。

8.1 靜電的產(chǎn)生機(jī)理

通常，靜電的產(chǎn)生是由于摩擦或感應(yīng)而產(chǎn)生。

摩擦靜電是由于兩個(gè)物體接觸摩擦或分離過(guò)程中產(chǎn)生電荷的移動(dòng)而產(chǎn)生。導(dǎo)體間的摩擦留下的靜電通常比較弱，這是由于導(dǎo)體的導(dǎo)電能力強(qiáng)，摩擦產(chǎn)生的離子會(huì)在摩擦過(guò)程中及終止時(shí)很快運(yùn)動(dòng)到一起而中和。而絕緣體摩擦后，可能會(huì)產(chǎn)生較高的靜電電壓，但是電荷量卻很小。這是由于絕緣體本身的物理結(jié)構(gòu)決定的。絕緣體的分子結(jié)構(gòu)中，電子很難脫離原子核的束縛自由移動(dòng)，所以，摩擦結(jié)果也只能產(chǎn)生少量的分子或原子電離。

感應(yīng)靜電是物體處于電場(chǎng)之中，受電磁場(chǎng)的作用，物體中的電子發(fā)生移動(dòng)而形成電場(chǎng)。感應(yīng)靜電一般只能在導(dǎo)體上產(chǎn)生?？臻g電磁場(chǎng)對(duì)絕緣體的作用可以忽略。

8.2 靜電的放電機(jī)理

220V的市電可以打死人，可人們身上上千伏的電壓卻打不死人，是何道理? 電容兩端的電壓滿足下列公式：
U=Q/C
根據(jù)這個(gè)公式可以知道，當(dāng)電容量很小時(shí)，很少的電荷量，就會(huì)產(chǎn)生很高的電壓。

通常我們的身體、身邊的物體，電容都非常小，當(dāng)產(chǎn)生電荷后，很少的電荷量，也會(huì)產(chǎn)生很高的電壓。

由于電荷量很少，放電時(shí)，形成的電流非常小，時(shí)間非常短，電壓不能維持，極短的時(shí)間就降下來(lái)。由于人體不是絕緣體，所以，身體各處積累的靜電荷，在有放電通路的情況下，都會(huì)匯集過(guò)來(lái)，所以感覺(jué)電流大些，有電擊的感覺(jué)。人體、金屬物品等導(dǎo)體在產(chǎn)生靜電后，放電電流會(huì)比較大。

對(duì)于絕緣性能好的材料，一個(gè)是產(chǎn)生的電荷量非常小，另一方面，產(chǎn)生的電荷，很難流動(dòng)。電壓雖然高，但某處有放電通路時(shí)，只是接觸點(diǎn)及附近極小范圍內(nèi)的電荷可以流動(dòng)放電，非接觸點(diǎn)的電荷則不能放電(誰(shuí)叫它是絕緣體呢)。故而，就是有上萬(wàn)伏的電壓，放電能量也是微乎其微的。如圖8所示。 所以，雖然塑料周轉(zhuǎn)箱、包裝泡沫上、化纖地毯等的靜電電壓非常高，其實(shí)放電能量非常小。

8.3 靜電對(duì)電子元器件的危害

靜電會(huì)對(duì)LED有危害，并不是LED獨(dú)有的“專利”，就是用硅材料制造的常用的二極管、三極管，也都會(huì)受到威脅。甚至建筑、樹(shù)木、動(dòng)物都可能被靜電損害(雷電就是一種靜電，我們這里就不去考慮它了)。

那么，靜電是怎么對(duì)電子元件損害的呢?我也不要扯得太遠(yuǎn)，就只講半導(dǎo)體器件的問(wèn)題，而且就局限于二極管、三極管、IC、LED方面。

電對(duì)半導(dǎo)體元器件的損壞，最終是有電流的參與。在電流的作用下，由于熱而損壞器件。要有電流，就要有電壓。但是，半導(dǎo)體二極管有PN結(jié)，無(wú)論是正向還是反向，PN結(jié)都會(huì)有阻擋電流的一個(gè)電壓范圍。正向勢(shì)壘低，反向勢(shì)壘則要高很多。在一個(gè)電路中，哪里的電阻大，電壓就在哪里集中。但就來(lái)看LED，電壓正向加給LED時(shí)，當(dāng)外電壓小于二極管的閾值電壓(大小與材料禁帶寬度對(duì)應(yīng))，沒(méi)有正向電流，電壓全部加在PN結(jié)上。電壓反向加給LED時(shí)，當(dāng)外電壓小于LED的反向擊穿電壓時(shí)，電壓也是全部加在PN結(jié)上，此時(shí)，LED的虛焊點(diǎn)也罷，支架也罷、P區(qū)也罷、N區(qū)也罷，統(tǒng)統(tǒng)都沒(méi)有電壓降!因?yàn)闆](méi)有電流。當(dāng)著PN結(jié)擊穿后，外電壓才會(huì)由電路上的所有電阻分擔(dān)。哪個(gè)地方電阻大，哪個(gè)部分承擔(dān)的電壓就高。就LED而言，自然是PN結(jié)承擔(dān)了大部分電壓。在PN結(jié)上產(chǎn)生的熱功率就是它上面的壓降乘以電流值。若是電流值不加限制，過(guò)高的熱量就會(huì)將PN結(jié)燒壞，PN結(jié)失去作用而穿通。

IC為什么會(huì)比較怕靜電，因?yàn)椋琁C中的每個(gè)元件的面積非常小，每個(gè)元件的寄生電容也就非常小(往往電路功能就要求寄生電容非常小)，所以，少量的靜電電荷就會(huì)產(chǎn)生很高的靜電電壓，而且每個(gè)元件的功率耐量通常也很小，所以，靜電放電就很容易損壞IC。但是通常的分立元件，如普通的小功率二極管、小功率三極管都不是非常怕靜電，因?yàn)樗鼈冃酒拿娣e比較大，寄生電容也比較大，一般的靜定不容易在它們上面積累高電壓。小功率的MOS管，由于柵極氧化層很薄，寄生電容小，所以很容易遭靜電損壞，通常會(huì)在封裝完成后將三個(gè)電極短路后出廠。使用中也常要求在焊接完成后再去掉短路線。而大功率的MOS管，由于芯片面積大，一般的靜電也不會(huì)損壞它們。所以你會(huì)看到，現(xiàn)在功率MOS管的三個(gè)電極是沒(méi)有短路線保護(hù)的。(早期制造廠還是將它們短路后出廠的)

LED實(shí)際就是有個(gè)二極管，它的面積相對(duì)IC內(nèi)的每個(gè)元件來(lái)講，是非常大的。所以LED的寄生電容相對(duì)來(lái)說(shuō)也是比較大的。所以，一般場(chǎng)合的靜電并不能損壞LED。
一般場(chǎng)合的靜電，尤其是絕緣體上產(chǎn)生的靜電，電壓會(huì)很高，但放電電荷量極微，而且放電電流持續(xù)時(shí)間很短。而導(dǎo)體上感應(yīng)的靜電，電壓可能不是很高，但是放電電流卻可能很大，而且往往是持續(xù)的電流。這樣對(duì)電子元件的危害就非常大。

8.4 為什么說(shuō)靜電對(duì)LED的損害是不常發(fā)生的呢

先來(lái)看一個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象。一塊金屬鐵板上帶有500V的靜電，將LED放到金屬板上(放的方法要注意，避免下述的問(wèn)題發(fā)生)，大家說(shuō)LED會(huì)被損壞嗎?這里，LED要被損壞，通常應(yīng)該是被加上大于其擊穿電壓的電壓，也就是說(shuō)LED的兩個(gè)電極要同時(shí)接觸金屬板，并具有大于擊穿電壓的電壓。由于鐵板是良導(dǎo)體，其上各處的感應(yīng)電壓相等，所謂500V的電壓是相對(duì)于地而言的，所以，LED兩電極間是沒(méi)有電壓的，自然也就不會(huì)受到任何損傷了。除非，你將LED的一個(gè)電極接觸鐵板，另一個(gè)電極你用導(dǎo)體(未戴絕緣手套的手或?qū)Ь€)連接到地或其它導(dǎo)體上。

上面的試驗(yàn)現(xiàn)象提示我們，LED在靜電場(chǎng)中時(shí)，必須是一個(gè)電極接觸靜電體，另一個(gè)電極要接觸地或其它導(dǎo)體才可能受損。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，以LED那么小的體積，很少有機(jī)會(huì)發(fā)生那樣的事情，尤其是批量發(fā)生那樣的事情。偶然的事件是可能的。比如，LED處于靜電體上，且一個(gè)電極接觸到靜電體，另一個(gè)電極剛好是懸空的，此時(shí)有人去觸及了懸空的那個(gè)電極，就可能損傷LED。

上面的現(xiàn)象告訴我們，靜電問(wèn)題也不是可以忽視的。 靜電放電是要有導(dǎo)電回路的，不是有靜電就有損害。
上面的現(xiàn)象還提示我們，當(dāng)著僅有極少量的漏電問(wèn)題發(fā)生，可以考慮靜電偶然損壞問(wèn)題。若是大量發(fā)生，則更多的可能是芯片沾污或應(yīng)力的問(wèn)題。

9. 其它原因引起漏電

本人曾遇到過(guò)這樣的漏電狀況，LED被封裝與一個(gè)殼體中，LED周?chē)嘤熊浤z以防水?？墒菑腖ED的引線上測(cè)到有嚴(yán)重的漏電。將周?chē)墓喾饽z去除后，漏電消失。這里其實(shí)并不是LED漏電，而是灌封膠有問(wèn)題。

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