LED芯片壽命試驗(yàn)方案

1、摘要 :介紹了 LED 芯片壽命試驗(yàn)過程 ,提出了壽命試驗(yàn)條件 ,完善的試驗(yàn)方案 ,消除可能影響壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素 ,保證了壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。采用科學(xué)的試驗(yàn)線路和連接方式 ,使壽命試驗(yàn)臺(tái)不但操作簡(jiǎn)便、安全 ,而且試驗(yàn)容量大。1、引言作為電子元器件 ,發(fā)光二極管 (LightEmittingDiode-LED 已出現(xiàn) 40 多年 ,但長(zhǎng)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(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

2、,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)過程中 ,需要通過壽命試驗(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(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

3、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 810 粒芯片 ,制成 5單燈 ;工作電流為 30mA;環(huán)境條件為室溫 (255 ;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)

4、以外延片 (外延片是指用外延工藝在襯底表面生長(zhǎng)薄膜所生片的單晶硅片。一般外延層厚度為2-20 微米 ,作為襯底的單晶硅片厚度為610 微米左右。外延工藝 :外延生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展于 20 世紀(jì) 50 年代末 60 年代初 ,為了制造高頻大功率器件 ,需要減小集電極串聯(lián)電阻。生長(zhǎng)外延層有多種方法 ,但采用最多的是氣相外延工藝 ,常使用高頻感應(yīng)爐加熱 ,襯底置于包有碳化硅、玻璃態(tài)石墨或熱分解石墨的高純石墨加熱體上 ,然后放進(jìn)石英反應(yīng)器中 ,也可采用紅外輻照加熱。為了克服外延工藝中的某些缺點(diǎn) ,外延生長(zhǎng)工藝已有很多新的進(jìn)展 :減壓外延、低溫外延、選擇外延、抑制外延和分子束外延等。外延生長(zhǎng)可分為多種 ,按照

5、襯底和外延層的化學(xué)成分不同 ,可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延 ;按照反應(yīng)機(jī)理可分為利用化學(xué)反應(yīng)的外延生長(zhǎng)和利用物理反應(yīng)的外延生長(zhǎng) ;按生長(zhǎng)過程中的相變方式可分為氣相外延、液相外延和固相外延等。生產(chǎn)批為母樣 ,隨機(jī)抽取其中一片外延片中的 810 粒芯片 ,封裝成5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)過封裝后的器件。采用

6、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(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)

7、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(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)情況參見圖一所示 ,每區(qū) 23 粒芯片 ,共 810 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) 46 粒芯片 ,共 1620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

8、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(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)的變化來判斷光衰狀況 ,一般測(cè)試器件的軸向光強(qiáng) ,

9、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

10、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(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 樹脂劣變對(duì)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(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

11、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(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 Ifn,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

12、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(duì)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(jiǎn)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(dòng)電流較精確穩(wěn)定 ,電源電壓變化影響較小。臺(tái)架為一般標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)在線操作。專用電源設(shè)