LED芯片壽命試驗(yàn)

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(zhǎng)久以來(lái)，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(jì)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(yīng)用范圍擴(kuò)展到信號(hào)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(yīng)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(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中，需要通過(guò)壽命試驗(yàn)對(duì)LED芯片的可靠性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)質(zhì)量反饋來(lái)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(shí)現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，開(kāi)發(fā)了LED芯片壽命試驗(yàn)的條件、方法、手段和裝置等，以提高壽命試驗(yàn)的科學(xué)性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2、壽命試驗(yàn)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(jìn)行的工作試驗(yàn)稱為壽命試驗(yàn)，又稱耐久性試驗(yàn)。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(wàn)小時(shí)，如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)，很難對(duì)產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評(píng)價(jià)，而我們?cè)囼?yàn)的主要目的是，通過(guò)壽命試驗(yàn)掌握LED芯片光輸出衰減狀況，進(jìn)而推斷其壽命。我們根據(jù)LED器件的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，最終規(guī)定了0.3×～0.3mm2以下芯片的壽命試驗(yàn)條件：
● 樣品隨機(jī)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(yàn)周期為96小時(shí)、1000小時(shí)和5000小時(shí)三種；
工作電流為30mA是額定值的1.5倍，是加大電應(yīng)力的壽命試驗(yàn)，其結(jié)果雖然不能代表真實(shí)的壽命情況，但是有很大的參考價(jià)值；壽命試驗(yàn)以外延片生產(chǎn)批為母樣，隨機(jī)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(jìn)行為96小時(shí)壽命試驗(yàn)，其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。一般認(rèn)為，試驗(yàn)周期為1000小時(shí)或以上的稱為長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時(shí)，1000小時(shí)的壽命試驗(yàn)頻次較低，5000小時(shí)的壽命試驗(yàn)頻次可更低。

3、過(guò)程與注意事項(xiàng)
對(duì)于LED芯片壽命試驗(yàn)樣本，可以采用芯片，一般稱為裸晶，也可以采用經(jīng)過(guò)封裝后的器件。采用裸晶形式，外界應(yīng)力較小，容易散熱，因此光衰小、壽命長(zhǎng)，與實(shí)際應(yīng)用情況差距較大，雖然可通過(guò)加大電流來(lái)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(jìn)行壽命試驗(yàn)，造成器件的光衰老化的因素復(fù)雜，可能有芯片的因素，也有封裝的因素。在試驗(yàn)過(guò)程中，采取多種措施，降低封裝的因素的影響，對(duì)可能影響壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的細(xì)節(jié)，逐一進(jìn)行改善，保證了壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

3.1樣品抽取方式
壽命試驗(yàn)只能采用抽樣試驗(yàn)的評(píng)估辦法，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)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(píng)估的前提，只有認(rèn)為產(chǎn)品質(zhì)量是均勻的，抽樣才具有代表性；其次，由于實(shí)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(jī)抽樣的辦法，以提高壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。我們通過(guò)查找相關(guān)資料和進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)，提出了較為科學(xué)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(jiàn)圖一所示，每區(qū)2～3粒芯片，共8～10粒芯片，對(duì)于不同器件壽命試驗(yàn)結(jié)果相差懸殊，甚至矛盾的情況，我們規(guī)定了加嚴(yán)壽命試驗(yàn)的辦法，即每區(qū)4～6粒芯片，共16～20粒芯片，按正常條件進(jìn)行壽命試驗(yàn)，只是數(shù)量加嚴(yán)，而不是試驗(yàn)條件加嚴(yán)；第三，一般地說(shuō)，抽樣數(shù)量越多，風(fēng)險(xiǎn)性越小，壽命試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)果越準(zhǔn)確，但是，抽樣數(shù)量越多抽樣數(shù)量過(guò)多，必然造成人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi)，試驗(yàn)成本上升。如何處理風(fēng)險(xiǎn)和成本的關(guān)系，一直是我們研究的內(nèi)容，我們的目標(biāo)是通過(guò)采取科學(xué)的抽樣方法，在同一試驗(yàn)成本下，使風(fēng)險(xiǎn)性下降到最低。

3.2光電參數(shù)測(cè)試方法與器件配光曲線
在LED壽命試驗(yàn)中，先對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)試篩選，淘汰光電參數(shù)超規(guī)或異常的器件，合格者進(jìn)行逐一編號(hào)并投入壽命試驗(yàn)，完成連續(xù)試驗(yàn)后進(jìn)行復(fù)測(cè)，以獲得壽命試驗(yàn)結(jié)果。為了使壽命試驗(yàn)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確，除做好測(cè)試儀器的計(jì)量外，還規(guī)定原則上試驗(yàn)前后所采用的是同一臺(tái)測(cè)試儀測(cè)試，以減少不必要的誤差因素，這一點(diǎn)對(duì)光參數(shù)尤為重要；初期我們采用測(cè)量器件光強(qiáng)的變化來(lái)判斷光衰狀況，一般測(cè)試器件的軸向光強(qiáng)，對(duì)于配光曲線半角較小的器件，光強(qiáng)值的大小隨幾何位置而急劇變化，測(cè)量重復(fù)性差，影響壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)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(wú)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(cè)試的精確度，后續(xù)通過(guò)采用光通量測(cè)量得到驗(yàn)證。
3.3封裝工藝對(duì)壽命試驗(yàn)的影響
封裝工藝對(duì)壽命試驗(yàn)影響較大，雖然采用透明樹(shù)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(jìn)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(diǎn)質(zhì)量與工藝條件是溫度和壓力關(guān)系密切，而溫度過(guò)高、壓力太大則會(huì)使芯片發(fā)生形變產(chǎn)生應(yīng)力，從而引進(jìn)位錯(cuò)，甚至出現(xiàn)暗裂，影響發(fā)光效率和壽命。引線鍵合、樹(shù)脂封裝引人的應(yīng)力變化，如散熱、膨脹系數(shù)等都是影響壽命試驗(yàn)的重要因素，其壽命試驗(yàn)結(jié)果較裸晶壽命試驗(yàn)差，但是對(duì)于目前小功率芯片，加大了考核的質(zhì)量范圍，壽命試驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)際使用情況，對(duì)生產(chǎn)控制有一定參考價(jià)值。

3.4樹(shù)脂劣變對(duì)壽命試驗(yàn)的影響
現(xiàn)有的環(huán)氧樹(shù)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(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果，一般認(rèn)為是光引發(fā)的自動(dòng)氧化過(guò)程。樹(shù)脂劣變對(duì)壽命試驗(yàn)結(jié)果的影響，主要體現(xiàn)1000小時(shí)或以上長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)，目前只能通過(guò)盡可能減少紫外線的照射，來(lái)提高壽命試驗(yàn)結(jié)果的果客觀性和準(zhǔn)確性。今后還可通過(guò)選擇封裝材料，或者檢定出環(huán)氧樹(shù)脂的光衰值，并將其從壽命試驗(yàn)中排除。

4、壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
壽命試驗(yàn)臺(tái)由壽命試驗(yàn)單元板、臺(tái)架和專用電源設(shè)備組成，可同時(shí)進(jìn)行550組（4400只）LED壽命試驗(yàn)。
根據(jù)壽命試驗(yàn)條件的要求，LED可采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接驅(qū)動(dòng)形式。并聯(lián)連接形式：即將多個(gè)LED的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極并聯(lián)連接，其特點(diǎn)是每個(gè)LED的工作電壓一樣，總電流為ΣIfn，為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)LED的工作電流If一致，要求每個(gè)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?yàn)樯釛l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(guò)加入串聯(lián)電阻限流減輕上述現(xiàn)象，但存在線路復(fù)雜、工作電流If差別較大、不能適用不同VF的LED等缺點(diǎn)，因此不宜采用并聯(lián)連接驅(qū)動(dòng)形式。

串聯(lián)連接形式：即將多個(gè)LED的正極對(duì)負(fù)極連接成串，其優(yōu)點(diǎn)通過(guò)每個(gè)LED的工作電流一樣，一般應(yīng)串入限流電阻R，如圖二為單串電路，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)LED開(kāi)路時(shí)，將導(dǎo)致這串8個(gè)LED熄滅，從原理上LED芯片開(kāi)路的可能性極小。我們認(rèn)為壽命試驗(yàn)的LED，以恒流驅(qū)動(dòng)和串聯(lián)連接的工作方式為佳。 采用常見(jiàn)78系列電源電路IC構(gòu)成的LED恒流驅(qū)動(dòng)線路，其特點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；通過(guò)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(dòng)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(yàn)單元板，每一單元板可同時(shí)進(jìn)行11組（88只）LED壽命試驗(yàn)。

臺(tái)架為一般標(biāo)準(zhǔn)組合式貨架，經(jīng)過(guò)合理布線，使每一單元板可容易加載和卸載，實(shí)現(xiàn)在線操作。專用電源設(shè)備，輸出為5路直流36V安全電壓，負(fù)載能力為5A，其中2路具有微電腦定時(shí)控制功能，可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，5路輸入、輸出分別指示，圖三為壽命試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)接線圖。
本壽命試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)：
● 壽命試驗(yàn)電流準(zhǔn)確、可調(diào)、恒定；
● 具有微電腦定時(shí)控制功能，可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉；
● 可同時(shí)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(shí)增加壽命試驗(yàn)單元，實(shí)現(xiàn)在線操作；
● 采用低壓供電，保障安全性能。