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作為電子元器件,發(fā)光二極管（LightEmittingDiode-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。LED顯示屏的應用越來越多，而做為一項很重要的指標LED顯示屏的芯片壽命也受到越來越多的重視。下面就討論下LED顯示屏芯片的壽命測試驗的方法和設備。
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。
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（外延片是指用外延工藝在襯底表面生長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。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。
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。
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(guān)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),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(guān)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(guān)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。
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;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(guān)閉,5路輸入、輸出分別指示;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(guān)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。
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