LED芯片壽命試驗

1、引言
作為電子元器件，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode-LED）已出現(xiàn)40多年，但長久以來，受到發(fā)光效率和亮度的限制，僅為指示燈所采用，直到上世紀末突破了技術(shù)瓶頸，生產(chǎn)出高亮度高效率的LED和蘭光LED，使其應用范圍擴展到信號燈、城市夜景工程、全彩屏等，提供了作為照明光源的可能性。隨著LED應用范圍的加大，提高LED可靠性具有更加重要的意義。LED具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點，在實際生產(chǎn)研發(fā)過程中，需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價，并通過質(zhì)量反饋來提高LED芯片的可靠性水平，以保證LED芯片質(zhì)量，為此我司在實現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時，開發(fā)了LED芯片壽命試驗的條件、方法、手段和裝置等，以提高壽命試驗的科學性和結(jié)果的準確性。

2、壽命試驗條件的確定
電子產(chǎn)品在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下，進行的工作試驗稱為壽命試驗，又稱耐久性試驗。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，產(chǎn)品的壽命和可靠性大為改觀，LED的理論壽命為10萬小時，如果仍采用常規(guī)的正常額定應力下的壽命試驗，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價，而我們試驗的主要目的是，通過壽命試驗掌握LED芯片光輸出衰減狀況，進而推斷其壽命。我們根據(jù)LED器件的特點，經(jīng)過對比試驗和統(tǒng)計分析，最終規(guī)定了0.3×～0.3mm2以下芯片的壽命試驗條件：
● 樣品隨機抽取，數(shù)量為8～10粒芯片，制成ф5單燈；
● 工作電流為30mA；
● 環(huán)境條件為室溫（25℃±5℃）；
● 試驗周期為96小時、1000小時和5000小時三種；
工作電流為30mA是額定值的1.5倍，是加大電應力的壽命試驗，其結(jié)果雖然不能代表真實的壽命情況，但是有很大的參考價值；壽命試驗以外延片生產(chǎn)批為母樣，隨機抽取其中一片外延片中的8~10粒芯片，封裝成ф5單燈器件，進行為96小時壽命試驗，其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。一般認為，試驗周期為1000小時或以上的稱為長期壽命試驗。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時，1000小時的壽命試驗頻次較低，5000小時的壽命試驗頻次可更低。

3、過程與注意事項
對于LED芯片壽命試驗樣本，可以采用芯片，一般稱為裸晶，也可以采用經(jīng)過封裝后的器件。采用裸晶形式，外界應力較小，容易散熱，因此光衰小、壽命長，與實際應用情況差距較大，雖然可通過加大電流來調(diào)整，但不如直接采用單燈器件形式直觀。采用單燈器件形式進行壽命試驗，造成器件的光衰老化的因素復雜，可能有芯片的因素，也有封裝的因素。在試驗過程中，采取多種措施，降低封裝的因素的影響，對可能影響壽命試驗結(jié)果準確性的細節(jié)，逐一進行改善，保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。

3.1樣品抽取方式
壽命試驗只能采用抽樣試驗的評估辦法，具有一定的風險性。首先，產(chǎn)品質(zhì)量具備一定程度的均勻性和穩(wěn)定性是抽樣評估的前提，只有認為產(chǎn)品質(zhì)量是均勻的，抽樣才具有代表性；其次，由于實際產(chǎn)品質(zhì)量上存在一定的離散性，我們采取分區(qū)隨機抽樣的辦法，以提高壽命試驗結(jié)果準確性。我們通過查找相關資料和進行大量的對比試驗，提出了較為科學的樣品抽取方式：將芯片按其在外延片的位置分為四區(qū)，分區(qū)情況參見圖一所示，每區(qū)2～3粒芯片，共8～10粒芯片，對于不同器件壽命試驗結(jié)果相差懸殊，甚至矛盾的情況，我們規(guī)定了加嚴壽命試驗的辦法，即每區(qū)4～6粒芯片，共16～20粒芯片，按正常條件進行壽命試驗，只是數(shù)量加嚴，而不是試驗條件加嚴；第三，一般地說，抽樣數(shù)量越多，風險性越小，壽命試驗結(jié)果的結(jié)果越準確，但是，抽樣數(shù)量越多抽樣數(shù)量過多，必然造成人力、物力和時間的浪費，試驗成本上升。如何處理風險和成本的關系，一直是我們研究的內(nèi)容，我們的目標是通過采取科學的抽樣方法，在同一試驗成本下，使風險性下降到最低。

3.2光電參數(shù)測試方法與器件配光曲線
在LED壽命試驗中，先對試驗樣品進行光電參數(shù)測試篩選，淘汰光電參數(shù)超規(guī)或異常的器件，合格者進行逐一編號并投入壽命試驗，完成連續(xù)試驗后進行復測，以獲得壽命試驗結(jié)果。為了使壽命試驗結(jié)果客觀、準確，除做好測試儀器的計量外，還規(guī)定原則上試驗前后所采用的是同一臺測試儀測試，以減少不必要的誤差因素，這一點對光參數(shù)尤為重要；初期我們采用測量器件光強的變化來判斷光衰狀況，一般測試器件的軸向光強，對于配光曲線半角較小的器件，光強值的大小隨幾何位置而急劇變化，測量重復性差，影響壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性，為了避免出現(xiàn)這種情況，采用大角度的封裝形式，并選用無反射杯支架，排除反射杯配光作用，消除器件封裝形式配光性能的影響，提高光參數(shù)測試的精確度，后續(xù)通過采用光通量測量得到驗證。
3.3封裝工藝對壽命試驗的影響
封裝工藝對壽命試驗影響較大，雖然采用透明樹脂封裝，可用顯微鏡直接觀察到內(nèi)部固晶、鍵合等情況，以便進行失效分析，但是并不是所有的封裝工藝缺陷都能觀察到，例如：鍵合焊點質(zhì)量與工藝條件是溫度和壓力關系密切，而溫度過高、壓力太大則會使芯片發(fā)生形變產(chǎn)生應力，從而引進位錯，甚至出現(xiàn)暗裂，影響發(fā)光效率和壽命。引線鍵合、樹脂封裝引人的應力變化，如散熱、膨脹系數(shù)等都是影響壽命試驗的重要因素，其壽命試驗結(jié)果較裸晶壽命試驗差，但是對于目前小功率芯片，加大了考核的質(zhì)量范圍，壽命試驗結(jié)果更加接近實際使用情況，對生產(chǎn)控制有一定參考價值。

3.4樹脂劣變對壽命試驗的影響
現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂封裝材料受紫外線照射后透明度降低，是高分子材料的光老化，是紫外線和氧參與下的一系列復雜反應的結(jié)果，一般認為是光引發(fā)的自動氧化過程。樹脂劣變對壽命試驗結(jié)果的影響，主要體現(xiàn)1000小時或以上長期壽命試驗，目前只能通過盡可能減少紫外線的照射，來提高壽命試驗結(jié)果的果客觀性和準確性。今后還可通過選擇封裝材料，或者檢定出環(huán)氧樹脂的光衰值，并將其從壽命試驗中排除。

4、壽命試驗臺的設計
壽命試驗臺由壽命試驗單元板、臺架和專用電源設備組成，可同時進行550組（4400只）LED壽命試驗。
根據(jù)壽命試驗條件的要求，LED可采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接驅(qū)動形式。并聯(lián)連接形式：即將多個LED的正極與正極、負極與負極并聯(lián)連接，其特點是每個LED的工作電壓一樣，總電流為ΣIfn，為了實現(xiàn)每個LED的工作電流If一致，要求每個LED的正向電壓也要一致。但是，器件之間特性參數(shù)存在一定差別，且LED的正向電壓Vf隨溫度上升而下降，不同LED可能因為散熱條件差別，而引發(fā)工作電流If的差別，散熱條件較差的LED，溫升較大，正向電壓Vf下降也較大，造成工作電流If上升。雖然可以通過加入串聯(lián)電阻限流減輕上述現(xiàn)象，但存在線路復雜、工作電流If差別較大、不能適用不同VF的LED等缺點，因此不宜采用并聯(lián)連接驅(qū)動形式。

串聯(lián)連接形式：即將多個LED的正極對負極連接成串，其優(yōu)點通過每個LED的工作電流一樣，一般應串入限流電阻R，如圖二為單串電路，當出現(xiàn)一個LED開路時，將導致這串8個LED熄滅，從原理上LED芯片開路的可能性極小。我們認為壽命試驗的LED，以恒流驅(qū)動和串聯(lián)連接的工作方式為佳。 采用常見78系列電源電路IC構(gòu)成的LED恒流驅(qū)動線路，其特點是成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；通過調(diào)整電位器阻值，即可方便調(diào)整恒流電流；適用電源電壓范圍大，驅(qū)動電流較精確穩(wěn)定，電源電壓變化影響較小。我們以圖二電路為基本路線，并聯(lián)構(gòu)成壽命試驗單元板，每一單元板可同時進行11組（88只）LED壽命試驗。

臺架為一般標準組合式貨架，經(jīng)過合理布線，使每一單元板可容易加載和卸載，實現(xiàn)在線操作。專用電源設備，輸出為5路直流36V安全電壓，負載能力為5A，其中2路具有微電腦定時控制功能，可自動開啟或關閉，5路輸入、輸出分別指示，圖三為壽命試驗臺系統(tǒng)接線圖。
本壽命試驗臺設計方案的優(yōu)點：
● 壽命試驗電流準確、可調(diào)、恒定；
● 具有微電腦定時控制功能，可自動開啟或關閉；
● 可同時適用不同VF的LED，而不必另外調(diào)整；
● 采用單元組合結(jié)構(gòu)，可隨時增加壽命試驗單元，實現(xiàn)在線操作；
● 采用低壓供電，保障安全性能。