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LED芯片壽命試驗過程解析

  LED具有體積小,耗電量低、長壽命環保等優點,在實際生産研發過程中,需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價,並通過質量反饋來提高LED芯片的可靠性水平,以保證LED芯片質量。

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  引言

  作爲電子元器件,發光二極管(LightEmittingDiode-led)已出現40多年,但長久以來,受到發光效率和亮度的限制,僅爲指示燈所采用,直到上世紀末突破了技術瓶頸,生産出高亮度高效率的LED和蘭光LED,使其應用範圍擴展到信號燈、城市夜景工程、全彩屏等,提供了作爲照明光源的可能性。隨著LED應用範圍的加大,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點,在實際生産研發過程中,需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價,並通過質量反饋來提高LED芯片的可靠性水平,以保證LED芯片質量,爲此在實現全色系LED産業化的同時,開發了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果的准確性。

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  壽命試驗條件的確定

  電子産品在規定的工作及環境條件下,進行的工作試驗稱爲壽命試驗,又稱耐久性試驗。

  隨著LED生産技術水平的提高,産品的壽命和可靠性大爲改觀,LED的理論壽命爲10萬小時,如果仍采用常規的正常額定應力下的壽命試驗,很難對産品的壽命和可靠性做出較爲客觀的評價,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。

  根據LED器件的特點,經過對比試驗和統計分析,最終規定了0.3×~0.3mm2以下芯片的壽命試驗條件:

  樣品隨機抽取,數量爲8~10粒芯片,制成ф5單燈;

  工作電流爲30mA;

  環境條件爲室溫(25℃±5℃);

  試驗周期爲96小時、1000小時和5000小時三種。

  工作電流爲30mA是額定值的1.5倍,是加大電應力的壽命試驗,其結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産批爲母樣,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,進行爲96小時壽命試驗,其結果代表本生産批的所有外延片。

  一般認爲,試驗周期爲1000小時或以上的稱爲長期壽命試驗。生産工藝穩定時,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。

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  過程與注意事項

  對于LED芯片壽命試驗樣本,可以采用芯片,一般稱爲裸晶,也可以采用經過封裝後的器件。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複雜,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果准確性的細節,逐一進行改善,保證了壽命試驗結果的客觀性和准確性。

  1 样品抽取方式

  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,産品質量具備一定程度的均勻性和穩定性是抽樣評估的前提,只有認爲産品質量是均勻的,抽樣才具有代表性;

  其次,由于實際産品質量上存在一定的離散性,我們采取分區隨機抽樣的辦法,以提高壽命試驗結果准確性。我們通過查找相關資料和進行大量的對比試驗,提出了較爲科學的樣品抽取方式:將芯片按其在外延片的位置分爲四區,每區2~3粒芯片,共8~10粒芯片,對于不同器件壽命試驗結果相差懸殊,甚至矛盾的情況,我們規定了加嚴壽命試驗的辦法,即每區4~6粒芯片,共16~20粒芯片,按正常條件進行壽命試驗,只是數量加嚴,而不是試驗條件加嚴;

  第三,一般地說,抽樣數量越多,風險性越小,壽命試驗結果的結果越准確,但是,抽樣數量越多抽樣數量過多,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。

  2 光电参数测试方法与器件配光曲线

  在LED壽命試驗中,先對試驗樣品進行光電參數測試篩選,淘汰光電參數超規或異常的器件,合格者進行逐一編號並投入壽命試驗,完成連續試驗後進行複測,以獲得壽命試驗結果。

  爲了使壽命試驗結果客觀、准確,除做好測試儀器的計量外,還規定原則上試驗前後所采用的是同一台測試儀測試,以減少不必要的誤差因素,這一點對光參數尤爲重要;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,測量重複性差,影響壽命試驗結果的客觀性和准確性,爲了避免出現這種情況,采用大角度的封裝形式,並選用無反射杯支架,排除反射杯配光作用,消除器件封裝形式配光性能的影響,提高光參數測試的精確度,後續通過采用光通量測量得到驗證。

  3 树脂劣变对寿命试验的影响

  現有的環氧樹脂封裝材料受紫外線照射後透明度降低,是高分子材料的光老化,是紫外線和氧參與下的一系列複雜反應的結果,一般認爲是光引發的自動氧化過程。樹脂劣變對壽命試驗結果的影響,主要體現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,來提高壽命試驗結果的果客觀性和准確性。今後還可通過選擇封裝材料,或者檢定出環氧樹脂的光衰值,並將其從壽命試驗中排除。

  4 封装工艺对寿命试验的影响

  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部固晶、鍵合等情況,以便進行失效分析,但是並不是所有的封裝工藝缺陷都能觀察到,例如:鍵合焊點質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生形變産生應力,從而引進位錯,甚至出現暗裂,影響發光效率和壽命。

  引線鍵合、樹脂封裝引人的應力變化,如散熱、膨脹系數等都是影響壽命試驗的重要因素,其壽命試驗結果較裸晶壽命試驗差,但是對于目前小功率芯片,加大了考核的質量範圍,壽命試驗結果更加接近實際使用情況,對生産控制有一定參考價值。

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  壽命試驗台的設計

  壽命試驗台由壽命試驗單元板、台架和專用電源設備組成,可同時進行550組(4400只)LED壽命試驗。

  根據壽命試驗條件的要求,LED可采用並聯和串聯兩種連接驅動形式。並聯連接形式:即將多個LED的正極與正極、負極與負極並聯連接,其特點是每個LED的工作電壓一樣,總電流爲ΣIfn,爲了實現每個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可能因爲散熱條件差別,而引發工作電流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電阻限流減輕上述現象,但存在線路複雜、工作電流If差別較大、不能適用不同VF的LED等缺點,因此不宜采用並聯連接驅動形式。

  串聯連接形式:即將多個LED的正極對負極連接成串,其優點通過每個LED的工作電流一樣,一般應串入限流電阻R,如圖二爲單串電路,當出現一個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。我們認爲壽命試驗的LED,以恒流驅動和串聯連接的工作方式爲佳。

  采用常見78系列電源電路IC構成的LED恒流驅動線路,其特點是成本低、結構簡單、可靠性高;通過調整電位器阻值,即可方便調整恒流電流;適用電源電壓範圍大,驅動電流較精確穩定,電源電壓變化影響較小。我們以圖二電路爲基本路線,並聯構成壽命試驗單元板,每一單元板可同時進行11組(88只)LED壽命試驗。

  台架爲一般標准組合式貨架,經過合理布線,使每一單元板可容易加載和卸載,實現在線操作。專用電源設備,輸出爲5路直流36V安全電壓,負載能力爲5A,其中2路具有微電腦定時控制功能,可自動開啓或關閉,5路輸入、輸出分別指示。

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