分析如何科學(xué)的進(jìn)行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(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具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)過程中，需要通過壽命試驗(yàn)對LED芯片的可靠性水平進(jìn)行評價(jià)，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，為此在實(shí)現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，開發(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)，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價(jià)，而我們試驗(yàn)的主要目的是，通過壽命試驗(yàn)掌握LED芯片光輸出衰減狀況，進(jìn)而推斷其壽命。根據(jù)LED器件的特點(diǎn)，經(jīng)過對比試驗(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：

　　[1].樣品隨機(jī)抽取，數(shù)量為8～10粒芯片，制成ф5單燈；

　　[2].工作電流為30mA；

　　[3].環(huán)境條件為室溫（25℃±5℃）；

　　[4].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、過程與注意事項(xiàng)

　　對于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，與實(shí)際應(yīng)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(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(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。我們通過查找相關(guān)資料和進(jìn)行大量的對比試驗(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(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，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)測試方法與器件配光曲線

　　在LED壽命試驗(yàn)中，先對試驗(yàn)樣品進(jìn)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(jìn)行逐一編號并投入壽命試驗(yàn)，完成連續(xù)試驗(yàn)后進(jìn)行復(fù)測，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測試儀測試，以減少不必要的誤差因素，這一點(diǎn)對光參數(shù)尤為重要；初期我們采用測量器件光強(qiáng)的變化來判斷光衰狀況，一般測試器件的軸向光強(qiáng)，對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(yàn)證。

　　3.3封裝工藝對壽命試驗(yàn)的影響

　　封裝工藝對壽命試驗(yàn)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(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，對生產(chǎn)控制有一定參考價(jià)值。

　　3.4樹脂劣變對壽命試驗(yàn)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(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果，一般認(rèn)為是光引發(fā)的自動(dòng)氧化過程。樹脂劣變對壽命試驗(yàn)結(jié)果的影響，主要體現(xiàn)1000小時(shí)或以上長期壽命試驗(yàn)，目前只能通過盡可能減少紫外線的照射，來提高壽命試驗(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(yàn)中排除。

　　4、壽命試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

　　壽命試驗(yàn)臺由壽命試驗(yàn)單元板、臺架和專用電源設(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的正極對負(fù)極連接成串，其優(yōu)點(diǎn)通過每個(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開路時(shí)，將導(dǎo)致這串8個(gè)LED熄滅，從原理上LED芯片開路的可能性極小。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)簡單、可靠性高；通過調(diào)整電位