LED產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)與應(yīng)用

本文主要站在LED制造者或使用者的立場來探討對應(yīng)不同的使用環(huán)境與場所，較具有效益的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目以及這些試驗(yàn)的基本原理，可做為制造者依據(jù)不同產(chǎn)品類別選擇較有效益的可靠性試驗(yàn)，也可作為平時(shí)生產(chǎn)抽樣檢驗(yàn)之用。

　　由于地球的能源不斷的減少，溫室效應(yīng)所造成的環(huán)境問題，也日趨嚴(yán)重，節(jié)能減排，降低溫室效應(yīng)以及減低資源的耗損速度等，成為人類共同的責(zé)任。近幾年LED隨技術(shù)與制程能力不斷提升，高亮度產(chǎn)品質(zhì)量與使用壽命提高后，逐漸擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域到做為室內(nèi)外照明燈源、LCD產(chǎn)品背光模塊、車用燈具組等較高端產(chǎn)品。再者，LED產(chǎn)品普遍具有體積小、省電、無毒性、光源具方向性、維修費(fèi)用低等的優(yōu)點(diǎn)，因而再度受到世人重視，產(chǎn)業(yè)因此成為一項(xiàng)重要的發(fā)展。

　　若以電子產(chǎn)品等級(jí)架構(gòu)Level 0～Level 3（注：L0～L3表示電子產(chǎn)品自晶圓制造、構(gòu)裝、上板組裝、系統(tǒng)成品等四階段）的觀點(diǎn)來看，LED產(chǎn)品則是自上游至下游均以其為命名主體。

　　由于產(chǎn)品的普及化與應(yīng)用范圍越來越廣泛，因而可靠性的要求得以受到重視。國際主要LED大廠均有一套獨(dú)立的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，本文主要站在LED制造者或使用者的立場來探討對應(yīng)不同的使用環(huán)境與場所，較具有效益的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目以及這些試驗(yàn)的基本原理，可做為制造者依據(jù)不同產(chǎn)品類別選擇較有效益的可靠性試驗(yàn)，也可作為平時(shí)生產(chǎn)抽樣檢驗(yàn)之用。

　　零件可靠性試驗(yàn)

　　LED零件結(jié)構(gòu)可概分為表面黏著型（SMD）與插件型（DIP）兩大類別。LED零件與一般IC封裝所使用材料不同，但結(jié)構(gòu)相近且較簡易。LED零件的主要可靠性試驗(yàn)可分為：可靠性試驗(yàn)預(yù)處理流程、環(huán)境壽命試驗(yàn)、焊錫性、耐熱性、靜電（ESD）等項(xiàng)目，并于試驗(yàn)前后以光學(xué)特性量測計(jì)算其光學(xué)特性衰退情形做為判斷基準(zhǔn)。依使用環(huán)境與區(qū)域不同，得以選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。

　　可靠性試驗(yàn)預(yù)處理流程（Pre-conditioning）

　　預(yù)處理流程適用于SMD型LED，其目的系仿真LED零件在系統(tǒng)廠組裝過程，并且使用較嚴(yán)苛條件，迫使零件吸濕后進(jìn)行熱應(yīng)力試驗(yàn)，是執(zhí)行LED零件可靠性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)前處理作業(yè)流程。5cycle溫度循環(huán)試驗(yàn)（圖一）目的是模擬使用前包括運(yùn)輸或篩選任何可能的早夭風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過高溫烘烤后（Baking）再將零件置入濕氣環(huán)境中，一般吸濕條件對SMD型LED來說通常采用Level 3做為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，對戶外使用與高可靠性需求的LED零件則采Level 1做為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。說明如圖一所示。

《圖一　SMD零件預(yù)處理流程》

　　環(huán)境壽命試驗(yàn)（Environmental Life Test）

　　環(huán)境壽命試驗(yàn)是LED零件可靠性試驗(yàn)的主要項(xiàng)目。透過溫度、濕度、電流等組合進(jìn)行產(chǎn)品壽命加速失效仿真，常用項(xiàng)目與原理如下：

　　高溫點(diǎn)亮壽命試驗(yàn)（HTOL）

　　由于LED散熱問題，零件本身的長時(shí)間高溫點(diǎn)亮即是采加速應(yīng)力模式以仿真實(shí)際使用情形，并觀察其亮度衰減率以估算產(chǎn)品壽命值。高溫壽命加速試驗(yàn)是最典型的壽命實(shí)證方法之ㄧ，以阿瑞尼亞士方程式（Arrhenius’ Law）來估算產(chǎn)品活化能以計(jì)算高溫加速因子。下述為阿瑞尼亞士方程式的基本型，圖二則為活化能 Ea的推估方法。

《公式一　 阿瑞尼亞士方程式》

　　溫度循環(huán)試驗(yàn)是對于經(jīng)常性開關(guān)機(jī)或環(huán)境日夜溫度變化大的場所（特別是戶外使用的產(chǎn)品）所進(jìn)行的高溫與低溫循環(huán)加速型試驗(yàn)，目的是利用零件材料熱膨脹系數(shù)不匹配，對零件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)。另可使用溫度循環(huán)通電試驗(yàn)（PTC），屬于動(dòng)態(tài)仿真，除了溫度變化應(yīng)力外還加入的電源點(diǎn)滅因子，對LED零件的可靠性驗(yàn)證效益頗大，但執(zhí)行試驗(yàn)時(shí)須設(shè)計(jì)測試電路板。

《圖二　活化能估算圖》

　　溫度循環(huán)試驗(yàn)（TCT）

　　耐濕性循環(huán)通電試驗(yàn)（Moisture Resistance Test）

　　多數(shù)LED產(chǎn)品的零件為外露設(shè)計(jì)，須直接承受外部溫、濕影響，尤其是對使用于濕熱帶區(qū)域環(huán)境因?yàn)榱慵牧衔账畾馀c水氣凝結(jié)等效應(yīng)，在長期使用下造成零件腐蝕損壞。溫濕度循環(huán)試驗(yàn)可加速氧化腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評估，常用試驗(yàn)曲線如圖三。

《圖三　耐濕試驗(yàn)溫濕循環(huán)曲線》

　　穩(wěn)態(tài)溫濕偏壓試驗(yàn)（THB）

　　不同于耐濕性循環(huán)通電試驗(yàn)，此試驗(yàn)所提供的是一個(gè)穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境，對于SMD零件較適用，透過提供高溫高濕與偏壓，以加速使得水氣經(jīng)由保護(hù)外層或結(jié)合接口穿透滲入零件內(nèi)部，此試驗(yàn)屬于較緩和的長期老化試驗(yàn)。

　　耐熱性試驗(yàn)（Heat Resistance Test）

　　LED DIP構(gòu)裝在市場上仍占有一定比例，且多為價(jià)格昂貴的高功率產(chǎn)品，系統(tǒng)組裝多采波焊（Wave Soldering）作業(yè)，故此類零件不能套用SMD型組件的預(yù)處理流程驗(yàn)證，而是使用浸錫法（Solder Dip）260±5℃沉浸10秒鐘，以仿真波焊過程中零件與焊錫瞬間接觸所產(chǎn)生的熱沖擊的忍受力。

　　焊錫性試驗(yàn)（Solderability Test）

　　焊錫性試驗(yàn)有數(shù)種手法，需依照LED零件的構(gòu)裝方式選定。焊錫性試驗(yàn)除可確保零件焊接點(diǎn)鍍層質(zhì)量，也可保證在成品組裝過程中的焊點(diǎn)結(jié)合質(zhì)量。此外，沾錫天平（Wetting Balance）則可用來評估零件腳與錫的潤濕反應(yīng)速度，以評估使用的風(fēng)險(xiǎn)或做為組裝條件修正的操考。典型的沾錫天平圖如圖四所示，判定重點(diǎn)為t1與t2兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

《圖四　沾錫天平曲線圖》

　　靜電試驗(yàn)（ESD Test）

　　LED屬于靜電敏感零件，試驗(yàn)以人體靜電模式（Human Body Mode；HBM）和零件本體累積電荷放電模式（charge device mode；CDM）為主。試驗(yàn)前須先將LED焊接于測試公用板上，再轉(zhuǎn)接于靜電測試機(jī)臺(tái)為常用之測試模式（如圖五），目前LED廠均以8KV為挑戰(zhàn)目標(biāo)。

《圖五　LED ESD能力測試示意圖》

　　LED成品可靠性試驗(yàn)

　　LED到了系統(tǒng)成品端（如照明燈具），由于成品較單一LED零件來的復(fù)雜（包含零件、電路控制板、電源供應(yīng)器、焊點(diǎn)接合、機(jī)械結(jié)構(gòu)組成等），影響LED成品的可靠性因素也因此大幅增加，為了確保燈具在生命周期中的質(zhì)量與可靠性，采用整座燈具去執(zhí)行環(huán)境模擬與可靠性試驗(yàn)是極重要的一件事。在試驗(yàn)過程中所觀察重點(diǎn)不僅局限于LED零件上，而是對燈具進(jìn)行整體性評估，環(huán)境應(yīng)力種類包括高低溫、溫濕度、溫度沖擊、溫度循環(huán)、高地使用、日照、鹽霧、氣體腐蝕、灰塵、雨淋、霜/雪/冰雹、靜電、雷擊、電源干擾、電源變動(dòng)、電磁輻射干擾與安全性試驗(yàn)等。試驗(yàn)一般分成三大類來說明。

　　自然環(huán)境類試驗(yàn)（Climatic Test）

　　一般而言，溫度試驗(yàn)分為高溫（熱）及低溫（冷）試驗(yàn)，燈具成品在進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)搭配熱開機(jī)（Hot start）與冷開機(jī)（Cold start）的試驗(yàn)，可更凸顯其效益。有關(guān)成品的壽命試驗(yàn)也多采用高溫加速方式進(jìn)行（Arrhenius’ Law）。

　　濕度試驗(yàn)也是模擬燈具成品在各種不同濕度變化環(huán)境中的耐環(huán)境能力，對于組裝后電路板是否因電子遷移而造成短路在此試驗(yàn)上效益頗大（圖六）。